Страница 5 из 10

Аэрация, проводимая в процессе анаэробного брожения, ускоряет его и позволяет сбраживать больше сахара. В общем можно заменить стимуляцию, которую дает постоянный доступ кислорода, кратковременной, перемежающейся аэрацией. Иллюстрацией к этому положению является следующий опыт (Риберо-Гайон и сотрудники, 1951).

Аэрация в различные моменты брожения

Виноградное сусло бродит при 25° С в серии бутылей под пробками с тонкими суживающимися трубками, следовательно, при полном отсутствии воздуха. Через 2, 4 или 8 дней с начала брожения вводят за один раз приблизительно известные количества растворенного кислорода (от 0,14 до 6 см3/л). Затем измеряют количества сброженного сахара и подсчитывают дрожжевые клетки, сравнивая полученные результаты с данными контрольного образца, где брожение происходило без доступа воздуха.
Чтобы ввести достаточно определенные количества кислорода, его вводят в измеренные объемы бродящей среды, дегазированной и насыщенной кислородом (около 6 см3 на 1 л), путем длительного взбалтывания сначала под вакуумом, затем в воздухе.
Параллельное брожение в бутыли, закрытой ватой, дает скорость брожения и развитие дрожжей в условиях, когда воздух поступает постоянно. Наконец, в бутыль, снабженную пробкой с суживающейся тонкой трубкой, помещали то же самое сусло, которое насыщали воздухом перед обсеменением.
Наиболее показательные результаты приведены в табл. 7.4.
Таблица 7.4
Действие кислорода, вводимого в различные моменты брожения, на виноградное сусло, содержащее 228 г/л восстанавливающих сахаров

Условия брожения		После 14 дней брожения
		число клеток, млн./см3	сброженный сахар, г/л
Брожение в присутствии воздуха, постоянная аэрация
Брожение без доступа воздуха, без аэрации
до брожения
на 2-й день

В бутыли, закупоренной пробкой с тонкой суживающейся трубкой, брожение остановилось при 26 г сахара, тогда как в бутыли, закрытой ватой, оно завершилось быстро и полностью. Показательно также число дрожжевых клеток: 93 млн. на 1 см3 при аэробном брожении, 51 млн. - при анаэробном.
Брожение без доступа воздуха в сусле, предварительно насыщенном кислородом, протекало в первые дни более активно, чем в контрольном; число дрожжевых клеток увеличилось. Таким образом, действие, оказываемое небольшим количеством кислорода, вводимого в бродящую среду, вначале значительно, но оно не сохраняется и не способствует лучшему завершению брожения.
Положение меняется, когда кислород вводят в среду, где дрожжи находятся в состоянии активности. Аэрация через 2 дня после обсеменения, когда брожение уже началось, была очень эффективной. Даже введение незначительных количеств кислорода, порядка 0,15 см3/л (т. е. около 0,2 мг), заметно влияло на скорость брожения и на число дрожжевых клеток, которое возрастает на 15%. Введение 0,75 см3 кислорода увеличивает популяцию на 20%, 1,5 см3 - на 25 и 6 см3 - на 50%. Однако в последнем случае не достигают концентрации клеток, полученной при брожении под ватным тампоном, следовательно, количество кислорода, которое проникает в среду через вату, значительно превосходит дозу, равную 6 см3/л.

Рис. 7.5. Эффект от аэрации в различные моменты брожения иа популяцию живых дрожжевых клеток:
1 - контрольные живые клетки; 2 - аэрация на 8-й день; 3 - аэрация на 4-й день; 4 - аэрация на 2-й день.
Аэрация, проводимая на 2-й день из расчета 6 см3 кислорода на 1 л сусла, обеспечивает практически такое же быстрое завершение брожения, как и в бутыли, закрытой ватой, но меньшая аэрация была бы недостаточной. Введение таких же количеств кислорода, проводимое через 4 дня после обсеменения, в момент когда 1/3 сахара уже сброжена, имеет явно менее выраженное действие; 0,15 см3 кислорода не оказали на этот раз никакого влияния на число дрожжевых клеток и на скорость брожения. 0,75 см3 повышают количество сброженного сахара только с 15 до 20 г. Чтобы получить ощутимый эффект, нужно ввести 1,5 см3. Наконец, аэрации, проводимые на 8-й день, когда остается еще 100 г несброженного сахара, практически не производят никакого действия.
На рис. 7.5 показаны кривые эволюции числа живых клеток в различных случаях аэрации (Лафуркад, 1954).
В конце брожения с доступом воздуха все дрожжи еще живы, тогда как при анаэробном брожении активность проявляет только половина популяции. Ввод воздуха на 2-й день вызывает брожение, которое по своей скорости и по числу образующихся дрожжевых клеток является типично аэробным.
Аэрация на 4-й день проводится в условиях, когда жидкость уже имеет высокую концентрацию спирта и когда 15% дрожжей уже не способны больше размножаться. Хотя через 2 дня после введения воздуха число живых клеток возрастает на 12%, этот эффект непродолжителен.
Через 8 дней после обсеменения в бутыли, содержимое которой находится в условиях полного анаэробиоза, лишь только 50% клеток все еще остаются живыми. Аэрация, проводимая в этот момент, вызывает быстрое оживление популяции. В течение трех последующих дней число клеток, способных размножаться, достигает 78% общей численности, которая остается неизменной. Следовательно, действие кислорода, вводимого во время брожения, выражается в увеличении общего числа дрожжей и особенно активных клеток, способных к самовоспроизводству. На основании этих данных можно сделать следующий вывод для практики: для того, чтобы брожение было полным, нужно воздействовать на среду таким образом, чтобы возможно большая часть дрожжевых клеток оставалась живыми и активными вплоть до полного израсходования сахара.
Изменение условий аэрации в различные периоды брожения
Риберо-Гайон и сотрудники (1951) описали следующий эксперимент, который представляет особый случай отношений между ростом дрожжей и кислородом. Виноградное сусло, содержащее 245 г/л восстанавливающих сахаров, подвергают брожению в двух сериях бутылей. Одни закрывают ватными тампонами, другие - пробками с проходящими через них тонкими суживающимися трубками. Через различное время после начала брожения (2 дня, 4 или 8 дней) взаимно меняют закупорку бутылей; брожение, начавшееся с доступом воздуха, продолжается при его полном отсутствии, и наоборот. В общем, таким путем реализуют до некоторой степени условия открытых емкостей на производстве, которые в различное время закрывают, и условия в закрытых чанах, люки которых открываются во время брожения. В табл. 7.5 приведены полученные результаты.
Закрытие бутылей пробкой с тонкой трубкой на 2-й день брожения, когда сброжена "Д часть сахара, выражается в замедлении брожения и уменьшении числа клеток. Но когда закупорка производится на 4-й день, ход брожения и численность популяции дрожжей больше не изменяются.
Изменение условий аэрации в ходе брожения

	После 11 дней брожения
Условия брожения	число дрожжевых клеток, млн. /см3	сбраживание сахара, г/л
Аэробное брожение контроль
без доступа воздуха на 2-й день
Анаэробное брожение контроль
с доступом воздуха на 2-й день

В серии бутылей, снабженных тонкими отводными трубками, где контрольное брожение. не могло завершаться, открытие бутыли на 2-й день вызвало ускорение брожения и увеличение числа клеток; импульс, который дает эта аэрация, был таков, что на 11-й день брожение находится на той же стадии, как в бутыли, первоначально закрытой ватой. Если открытие производят позднее, на 4-й или на 8-й день, возрастание числа клеток и ускорение брожения становятся незначительными, так как дрожжи уже не способны использовать этот кислород для своего размножения.
Таким образом, эти результаты подтверждают использование кислорода дрожжами только на первой стадии брожения и их неспособность воспользоваться аэрацией, когда брожение продвинулось очень далеко и содержание спирта в среде стало слишком большим.

Общие сведения об энергетическом метаболизме микроорганизмов

Рис. 1. Общая схема метаболизма.

Дыхание в широком смысле – это окислительно-восстановительный процесс, в котором окисление одного субстрата сопровождается восстановлением другого. Для аэробных гетеротрофов, к которым относимся и мы с вами, донорами электронов (восстановителями ) служат органические вещества, а акцептором (окислителем ) – молекулярный кислород.

Начальной стадией энергетического метаболизма служит окисление полученных с пищей веществ (моносахаридов, аминокислот, жирных кислот и глицерола) до пирувата (соль пировиноградной кислоты). Для глюкозы здесь возможны три альтернативные метаболические пути: гликолиз , пентозофосфатный путь (пентозофосфатный шунт), КДФГ-путь (путь Энтнера-Дудорова, 2-кето-3-дезокси-6-фосфоглюконатный). Их функции не только энергетические, но и биосинтетические (промежуточные вещества используются в синтезе других метаболитов клетки). Энергетическая функция первой стадии проявляется в синтезе ATP путем субстратного фосфорилирования – прямого переноса фосфатной группы с высокоэнергетического промежуточного соединения на ADP. Кроме того, в результате окисления углеводов происходит образование восстановленных форм никотиновых нуклеотидов – NADH, NADPH. В таком виде эти соединения служат восстановительными эквивалентами - используются затем в биосинтетических процессах, где требуется восстановление субстратов, - а также поставляют электроны в электронтранспортную цепь дыхания (далее – ЭТЦ ).

После выработки пирувата его дальнейшая судьба бывает различна. Один из вариантов последующих изменений - полное окисление до углекислого газа и воды. Так, пируват, проходя пируват-дегидрогеназный комплекс , превращается в ацетил-кофермент А, который поступает в цикл Кребса (цикл трикарбоновых кислот, ЦТК) и окисляется в нем до углекислого газа. Образовавшиеся в результате этого процесса восстановительные эквиваленты поставляют электроны в ЭТЦ дыхания.

В ЭТЦ частицы проходят ряд белковых и небелковых переносчиков электронов, имеющих специальные химические группы, способные окисляться и восстанавливаться (гемы, хиноны, атомы железа в железосерных кластерах, атомы меди). После контакта с этими и другими элементами итогом существования электронов должно стать их полное окисление, т. е. для электронов в ЭТЦ необходим конечный акцептор. В случае аэробного дыхания (как у нас с вами) им является кислород, который восстанавливается до воды. Для бескислородного же, анаэробного дыхания конечным акцептором электронов могут являться разные неорганические вещества, такие как нитрат, нитрит, сера, сульфат, трехвалентное железо, а также некоторые органические вещества (например, фумарат, диметилсульфоксид).

И в аэробном, и в анаэробном дыхании участвует ЭТЦ! (хотя ее строение различно для каждого из этих типов)

Энергия окислительно-восстановительных превращений в ЭТЦ расходуется на создание протонного градиента – разности концентраций H + с двух сторон мембраны (некоторые микроорганизмы вместо протонов используют ионы натрия). Протонный градиент аккумулирует в себе энергию: протоны стремятся выровнять свою концентрацию по обе стороны мембраны под действием диффузии и электростатического отталкивания (однако мембрана слабо проницаема для протонов). Мембранный фермент АТР-синтаза использует энергию этого «аккумулятора» для синтеза АТР из ADP и неорганического фосфата: она образует канал для протонов, и, проходя через него, протоны совершают работу по синтезу АТР. Данный процесс называется окислительным фосфорилированием (ср. с субстратным фосфорилированием на первой стадии). В ходе окислительного фосфорилирования задействуются ЭТЦ, протонный градиент, АТР-синтаза.

Таким образом, дыхание в узком смысле – это перенос электронов по ЭТЦ, сопровождаемый запасанием энергии в виде протонного градиента (и затем – посредством окислительного фосфорилирования).

Наравне с полным возможно и неполное окисление пирувата без участия ЭТЦ. Обеспечивающие его процессы называют брожениями . Брожение происходит и у прокариот, и у эукариот (и даже у нас с вами).

Брожение. Отличие от дыхания. Функции брожения

Брожение – это энергетический метаболизм, осуществляемый в анаэробных условиях без участия неорганических акцепторов электронов. В более узком смысле брожение можно определить как бескислородное преобразование пирувата.

Субстраты брожения имеют среднюю степень окисления (они не полностью окислены и не полностью восстановлены). Так, например, пируват может подвергаться брожению, а высокоокисленные (углекислый газ) и высоковосстановленные соединения (углеводы, жирные кислоты) - нет.

У большинства типов брожения субстрат служит одновременно и донором, и акцептором электронов.

При брожении ATP синтезируется путем субстратного фосфорилирования. Таким образом, в брожении не участвует ЭТЦ , что является основным отличием брожения от дыхания . Разница между ними состоит также в том, что при брожении окисление субстрата неполное (распада до углекислого газа, как при дыхании, не происходит).

Восстановительные эквиваленты при брожении не образуются, а обычно, наоборот, расходуются. Это определяет важную роль брожения в метаболизме. Когда все присутствующие в клетке окисленные формы NAD + восстанавливаются, а ЭТЦ не успевает с ними справиться, гликолиз останавливается. Однако протекание гликолиза и других путей первичного окисления глюкозы жизненно необходимо для клетки (синтез ATP и промежуточных веществ для биосинтезов). Чтобы позволить гликолизу работать дальше, нужно окислить восстановительные эквиваленты и создать новый запас их окисленных форм. Вот тут и помогает брожение.

Таким образом, у брожения две основных функции : энергетическая (синтез АТP) и защита от остановки гликолиза (окисление избытка восстановленных восстановительных эквивалентов).

Основные типы брожения

Каждый из них мы будем характеризовать по следующему плану:

1. Субстрат и путь его образования;
2. Основные продукты;
3. Основные реакции;
4. Микроорганизмы, осуществляющие данный тип брожения, и использование данного типа брожения в биотехнологии.

Спиртовое брожение

1. Исходным субстратом является пируват. Он образуется из глюкозы путем гликолиза (дрожжи) или по КДФГ-пути (бактерия Zymomonas mobilis ).

2. Основным и фактически единственным продуктом данного типа брожения, как видно из его названия, является этанол . Однако также возможны искусственные модификации дрожжевого брожения, при которых образуются глицерол или глицерол и ацетат.

3. Спиртовое брожение состоит из двух основных реакций. Вначале пируват декарбоксилируется до ацетальдегида под действием фермента пируватдекарбоксилазы , а затем ацетальдегид восстанавливается алкогольдегидрогеназой до этанола (на одну молекулу ацетальдегида затрачивается 1 NADH).

Рис. 2. Спиртовое брожение у дрожжей.

Если в среду, где растут дрожжи, добавить вещество, связывающее ацетальдегид (таким веществом является бисульфит натрия: его производные альдегидов выпадают в осадок, это качественная реакция на альдегиды), то вместо ацетальдегида акцептором водорода станет дигидроксиацетонфосфат (промежуточный продукт гликолиза) и в результате будет образован глицерол . Такой способ применяют в промышленности.

4. Данный тип брожения характерен как для прокариот, так и для эукариот.

Самым типичным представителем являются грибы-аскомицеты дрожжи (например, Saccharomyces cerevisiae – пекарские дрожжи). Общеизвестно, что дрожжи применяют в хлебопечении, а также в изготовлении кваса, алкогольных напитков (пива, вина и других) и кисломолочных продуктов (кефир, кумыс). Помимо этого, стоит сказать, что дрожжи входят в состав так называемого «чайного гриба» и, как уже было отмечено, могут производить глицерин.

В присутствии кислорода пекарские дрожжи переключаются на аэробный метаболизм и не производят спирт. Аэробный метаболизм оказывается гораздо выгодней энергетически, чем анаэробный, т. к. при наличии кислорода дрожжи лучше растут. Это явление называется эффектом Пастера .

Этанол является токсичным для живых организмов , в том числе и для дрожжей (влияет на клеточные мембраны). Наибольшие концентрации спирта выдерживают дрожжи, используемые при производстве рисовой водки сакэ.

Рис. 3. Saccharomyces cerevisiae : слева – вид под световым микроскопом, справа – срез под электронным.

Спиртовое брожение протекает не только в дрожжах, но и, в частности, в растительных клетках . Оно происходит в тех органах, которые испытывают дефицит кислорода (дефицит может возникнуть при прорастании семян в почве, при затоплении корней растения и т. д.).

Бактерии также осуществляют спиртовое брожение. Например, в промышленности используют бактерию Zymomonas mobilis , которая сбраживает сок тропического растения агавы, в результате чего получают алкогольный напиток текилу.

Молочнокислое брожение

В зависимости от получаемых в ходе него продуктов молочнокислое брожение делится на два типа: гомоферментативное и гетероферментативное . Рассмотрим их отдельно.

Гомоферментативное молочнокислое брожение

1. Субстратом является пируват, образующийся из гексоз путем гликолиза.

2. Единственным продуктом является лактат (соль молочной кислоты).

3. Пируват под действием фермента лактат-дегидрогеназы восстанавливается до лактата. При этом расходуется 1 NADH на одну молекулу пирувата.

Рис. 4. Гомоферментативное молочнокислое брожение.

4. Данное брожение характерно для бактерий родов Lactobacillus , Streptococcus . Это грамположительные бактерии.

Рис. 5. Lactobacillus.

Также молочнокислое брожение происходит в клетках растений . Как и спиртовое брожение, оно осуществляется в случае недостатка кислорода в корнях, прорастающих семенах.

У позвоночных метаболизм глюкозы до стадии образования лактата протекает при сильном и кратковременном мышечном напряжении, когда кислород не успевает поступать в мышцы с достаточной скоростью (например, при спринтерском беге).

У человека молочнокислое брожение имеет место в эритроцитах, сперматозоидах и других клетках.

В промышленности этот тип брожения используется при производстве кисломолочной продукции, а также при консервации продуктов питания (квашение). Консервация основана на том, что рост микроорганизмов замедляется при низких рН.

Гетероферментативное молочнокислое брожение

1. Субстратом являются гексозы, которые сбраживаются через пентозофосфатный путь.

2. Лактата образуется только 50%. Другими продуктами являются ацетат , этанол . Бактерии интенсивно выделяют углекислый газ в виде пузырьков.

3. Сахара по пентозофосфатному пути превращаются в ксилулозо-5-фосфат, расщепляемый затем на пируват и ацетилфосфат. Пируват восстанавливается до лактата, а ацетилфосфат может преобразовываться в этанол или ацетат.

4. Данный тип брожения осуществляют различные молочнокислые бактерии (например, некоторые виды рода Lactobacillus ). Также оно может проходить благодаря бифидобактериям , которые являются важнейшим компонентом кишечной микрофлоры грудных детей, сдерживающим рост гнилостных бактерий.

Рис. 6. Гетероферментативное молочнокислое брожение. Цифрой 1 обозначен фермент фосфокетолаза-2.

Рис. 7. Бифиобактерии: слева – под световым микроскопом, справа – под сканирующим электронным. Видна их характерная особенность: при делении клетки они образуют V-образные структуры.

Пропионовокислое брожение

1. Субстратом является пируват, образующийся в гликолизе.

2. Основным продуктом является пропионат ; кроме того, образуются и другие органические кислоты (ацетат , сукцинат, лактат ). Выделяется углекислый газ .

3. Основная реакция:

1,5 глюкоза = 2 пропионат + ацетат + CO 2

4. Пропионовое брожение происходит при дозревании некоторых твердых сортов сыра. Образующаяся пропионовая кислота придает сыру острый вкус, а газ формирует «дырки». Более того:

Пропионовокислые бактерии продуцируют витамины группы В (например, В 12).

Рассматриваемый тип брожения используется при производстве хлебных заквасок, при силосовании. Пропионовая кислота удлиняет срок хранения хлеба и кормов.

Некоторые пропионовые бактерии могут метаболизировать углеводороды.

Смешанное (муравьинокислое) брожение

1. Путем гликолиза глюкоза превращается в пируват.

2. Образуется этанол и сложная смесь органических кислот (ацетат, лактат, сукцинат, формиат ). Формиат затем расщепляется на молекулярный водород и углекислый газ .

3. Глюкоза = сукцинат + лактат + ацетат + формиат + этанол + бутан-диол + CO 2 + H 2 + H +

4. Смешанное брожение характерно для энтеробактерий и бацилл (это грамотрицательные палочки). К ним относятся Escherichia coli , а также возбудители пневмонии, тифов, дизентерии, сальмонеллеза, холеры, чумы.

Рис. 8. E.coli : слева – под световым микроскопом, справа – под сканирующим электронным.

Маслянокислое и ацетонобутиловое брожение

1. Глюкоза превращается в пируват (гликолиз).

2. Продукты - бутират (масляная кислота ) и другие органические кислоты, а также ацетон, бутанол, этанол . Выделяются углекислый газ и водород .

3. Схема описываемого типа брожения достаточно сложна и для олимпиад не требуется.

Ввиду этого мы лишь заметим, что можно выделить две его стадии . На первой стадии образуются кислые продукты (органические кислоты), рН среды сильно падает. На второй стадии кислоты превращаются в ацетон и спирты, и рН возвращается к нормальным значениям.

4. Указанное брожение осуществляется группой микроорганизмов, называемых клостридии . Клостридии - это грамположительные анаэробы (строгие или факультативные), которые бывают как свободноживущими (в почве), так и симбионтами (в ЖКТ) и в ряде случаев являются возбудителями заболеваний (например, к клостридиям относятся возбудители газовой гангрены, ботулизма, столбняка).

Возбудитель ботулизма зачастую развивается в анаэробных условиях в плохо приготовленных мясных и грибных консервах, поэтому следует быть осторожными и не употреблять в пищу консервы из вздутых банок. Столбняком можно заразиться при попадании почвы на открытые раны. Возбудители обеих болезней – ботулизма и столбняка - образуют опаснейшие нейротоксины.

Рис. 9. Клостридии. Эти бактерии способны образовывать споры – структуры, позволяющие выжить, избежав воздействия неблагоприятных условий.

Рис. 10. Один из симптомов столбняка – сильные и длительные (тетанические) сокращения мышц.

Рис. 11. Будьте осторожны и не употребляйте в пищу вздувшиеся консервы! Они могут содержать возбудителей ботулизма.

Итоги

По определению Л. Пастера, брожение – это жизнь без кислорода. Вместе с тем брожение - не единственный анаэробный процесс: существует также и анаэробное дыхание, при котором происходит транспорт электронов по ЭТЦ и накопление протонного градиента.

Рис. 12. Луи Пастер. В середине XIX века впервые доказал, что спиртовое брожение – это не просто цепь химических реакций, а процесс, напрямую связанный с жизнедеятельностью дрожжевых грибков.

Брожение происходит на основе различных субстратов. Наравне с пируватом в качестве начального субстрата выступают, как мы уже видели, и пентозы (получающиеся пентозофосфатным путем). Используя исходное вещество, бактерии могут сбраживать глицерол, цитрат и другие низкомолекулярные органические соединения. Помимо них и начальных субстратов, субстратами брожений служат и аминокислоты (характерно для клостридий).

В результате брожений производятся разнообразные органические вещества – кислоты, спирты, а также углекислый газ и водород. На часть процессов расходуются восстановленные восстановительные эквиваленты. В ходе некоторых реакций происходит синтез АТP.

Нужно помнить, что реальный метаболизм сложно описать простыми схемами. Характерную трудность создает, в частности, то, что основные участники метаболизма (глюкоза, пируват, лактат, сукцинат, ацетат и др.) задействованы в клетке во множестве процессов. Из-за подобных особенностей в разных учебниках при описании обмена веществ могут быть указаны разные последовательности реакций.

Вопросы из регионального и заключительного этапа ВОШ

Вопросы с одним правильным ответом:

1) Пропионовые бактерии практически никогда не используются в:

а) сыроделии;

б) хлебопечении;

в) фармакологии;

г) процессе очистки морской воды от нефтяных загрязнений.

2) Чтобы предотвратить порчу продуктов питания под действием бактерий, необходимо:

а) исключить доступ углекислого газа к продуктам;

б) обеспечить неблагоприятные условия для жизни этих организмов;

в) предотвратить попадание на продукты прямых солнечных лучей;

г) ограничить доступ воздуха к продуктам.

3) Дрожжи, развиваясь без доступа кислорода на сахаристых средах, вызывают брожение:

а) молочнокислое;

б) маслянокислое;

в) спиртовое;

г) уксуснокислое.

4) Субстратное фосфорилирование происходит в ходе реакций:

а) бета-окисления жирных кислот;

б) цикла Кребса;

в) гидролитического расщепления белков;

г) переноса электронов переносчиками дыхательной цепи митохондрий.

5) Конечным продуктом бактериального брожения могут быть – I) этанол, II) этилен, III) этан, IV) ацетилен, V) ацетат:

а) I, V;

б) I, IV;

в) II, IV;

г) I, II, III, IV, V.

6) Способность бактерий к брожению применяется человеком в различных областях хозяйства и биотехнологии. Существует несколько типов брожения. Выберите утверждение, верное для всех вариантов брожения:

а) Все типы брожения свойственны только для грамположительных бактерий, так как без второй мембраны в клеточной стенке они не могут осуществлять дыхание.

б) В отличие от дыхания, все варианты брожения являются анаэробными процессами.

в) Все виды брожения применяются бактериями для получения нужных им продуктов, таких как спирты или кислоты.

г) Все типы брожения относятся к хемотрофному катаболизму.

7) Некоторые клостридии способны к образованию при брожении масляной кислоты, бутанола, изобутанола, ацетона и др. Состав продуктов брожения зависит от:

а) рН среды;

б) сбраживаемого сахара;

в) температуры;

г) соотношения в среде ионов К + и Nа + .

8) В отношении факультативно анаэробных бактерий можно утверждать, что они:

а) могут использовать кислород;

б) не могут использовать кислород, но выдерживают его присутствие;

в) гибнут в присутствии кислорода;

г) все перечисленные утверждения верны.

9) Исключительной особенностью прокариотов (при сравнении с эукариотами) является:

а) образование ими спор;

б) способность жить в анаэробных условиях;

в) способность фиксировать атмосферный азот;

10) В результате различных видов брожения образуются такие соединения, как:

1) метан;

2) уксусная кислота;

3) этанол;

4) СО 2 ;

5) этилен.

а) 1, 2, 3;

б) 1, 2, 4;

в) 2, 3, 4;

г) 3, 4, 5.

Вопросы со множественным выбором

11) Бактерии способны к реализации следующих биохимических процессов:

а) фотосинтеза;

б) хемосинтеза;

в) дыхания;

г) сбраживания сахаров;

д) азотфиксации.

12) Спиртовое брожение широко используется в хлебопечении, пивоварении и виноделии. В отношении спиртового брожения верным является утверждение о том, что:

а) дрожжи обеспечивают спиртовое брожение, так как у них нет митохондрий;

б) образование каждой молекулы этанола сопровождается выделением молекулы углекислого газа;

в) одна молекула сбраживаемой глюкозы обеспечивает образование 2 молекул АТФ;

Г) около 80% запасенной в молекуле глюкозы энергии выделяется при спиртовом брожении в виде тепла;

д) у дрожжей спиртовое брожение и гликолиз протекают одинаково до стадии превращения пировиноградной кислоты.

Вопросы по статье

1) Установите соответствие между микроорганизмами и способами использования человеком их биохимических процессов:

1. Сыроварение;

2. Изготовление текилы;

3. Изготовление кумыса;

4. Изготовление хлебной закваски.

А. Zymomonas mobilis ;

Б. Saccharomyces ;

В. Пропионовокислые бактерии;

Г. Lactobacillus .

2) Что из нижеперечисленного относится к отличиям брожения от дыхания?

А. Осуществляется только бактериями;

Б. Требует присутствия кислорода;

В. Не требует участия электрон-транспортной цепи;

Г. Является анаболитическим путем метаболизма.

3) Маслянокислое брожение осуществляют бактерии-возбудители следующих заболеваний:

А. Столбняка;

Б. Язвы желудка;

В. Сальмонеллеза;

Г. Газовой гангрены;

Д. Ботулизма;

Е. Дизентерии.

4) К газам, выделяемым при разных видах брожений, относятся:

А. СО

Б. CO 2

В. О 2

Г. CH 4

Д. H 2

В дальнейшем многие исследователи детально изучили ферментативную природу и механизм спиртового Б. (см. схему). Первая реакция превращения глюкозы при спиртовом Б. - присоединение к глюкозе под влиянием фермента глюкокиназы остатка фосфорной кислоты от аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ, см. Аденозинфосфорные кислоты). При этом образуются аденозиндифосфорная кислота (АДФ) и глюкозо-6-фосфорная кислотата. Последняя под действием фермента глюкозофосфати-зомеразы превращается в фруктозо-6-фосфорную кислоту, которая, получая от новой молекулы АТФ (при участии фермента фосфофруктокиназы) ещё один остаток фосфорной кислоты, превращается в фруктозо-1,6-дифосфорную кислоту. (Эта и следующая реакции, обозначенные встречными стрелками, обратимы, т. е. их направление зависит от условий - концентрации фермента, pH и др.) Под влиянием фермента кетозо-1-фосфатальдолазы фруктозо-1,6-дифосфорная кислота расщепляется на глицеринальдегидфосфорную и диоксиацетонфосфорную кислоты которые могут превращаться друг в друга под действием фермента триозофосфатизомеразы. Глицеринальдегидфосфорная кислота, присоединяя молекулу неорганической фосфорной кислоты и окисляясь под действием фермента дегидрогеназы фосфоглицеринальдегида, активной группой которого у дрожжей является никотинамидадениндинуклеотид (НАД), превращается в 1,3-дифосфоглицериновую кислоту. Молекула диоксиацетонфосфорной кислоты под действием триозофосфатизомеразы даёт вторую молекулу глицеринальдегидфосфорной кислоты, также подвергающуюся окислению до 1,3-дифосфоглицериновой кислоты; последняя, отдавая АДФ (под действием фермента фосфоглицераткиназы) один остаток фосфорной кислоты, превращается в З-фосфоглицериновую кислоту, которая под действием фермента фосфоглицеро-мутазы превращается в 2-фосфоглицериновую кислоту, а она под влиянием фермента фосфопируват-гидратазы - в фосфоенол-пировиноградную кислоту. Последняя при участии фермента пируваткиназы передаёт остаток фосфорной кислоты молекуле АДФ, в результате чего образуется молекула АТФ и молекула енолпировиноградной кислоты, которая весьма нестойка и переходит в пировиноградную кислоту. Эта кислота при участии имеющегося в дрожжах фермента пируватдекарбоксилазы расщепляется на уксусный альдегид и двуокись углерода. Уксусный альдегид, реагируя с образовавшейся при окислении глицеринальдегидфосфорной кислоты восстановленной формой никотинамидадениндинуклеотида (НАД-Н), при участии фермента алкогольдегидрогеназы превращается в этиловый спирт. Суммарно уравнение спиртового Б. может быть представлено в следующем виде:

C6H12O6 + 2H3PO4 + 2АДФ ® 2CH3CH2OH + 2CO2 + 2АТФ.

Т. о., при сбраживании 1 моля глюкозы образуются 2 моля этилового спирта, 2 моля CO2, а также в результате фосфорилирования 2 молей АДФ образуются 2 моля АТФ. Термодинамические расчёты показывают, что при спиртовом Б. превращение 1 моля глюкозы может сопровождаться уменьшением свободной энергии примерно на 210 кдж (50 000 кал ), т. е. энергия, аккумулированная в 1 моле этилового спирта, на 210 кдж (50 000 кал ) меньше энергии 1 моля глюкозы. При образовании 1 моля АТФ (макроэргических - богатых энергией фосфатных соединений) используется 42 кдж (10 000 кал ). Следовательно, значительная часть энергии, освобождающейся при спиртовом Б., запасается в виде АТФ, обеспечивающей разнообразные энергетические потребности дрожжевых клеток. Такое же биологическое значение имеет процесс Б. и у др. микроорганизмов. При полном сгорании 1 моля глюкозы (с образованием CO2 и H2O) изменение свободной энергии достигает 2,87 Мдж (686 000 кал ). Иначе говоря, дрожжевая клетка использует лишь 7% энергии глюкозы. Это показывает малую эффективность анаэробных процессов по сравнению с процессами, идущими в присутствии кислорода. При наличии кислорода спиртовое Б. угнетается или прекращается и дрожжи получают энергию для жизнедеятельности в процессе дыхания. Наблюдается тесная связь между Б. и дыханием микроорганизмов, растений и животных. Ферменты, участвующие в спиртовом Б., имеются также в тканях животных и растений. Во многих случаях первые этапы расщепления сахаров, вплоть до образования пировиноградной кислоты, - общие для Б. и дыхания. Большее значение процесс анаэробного распада глюкозы имеет и при сокращении мышц (см. Гликолиз), первые этапы этого процесса также сходны с начальными реакциями спиртового Б.

Сбраживание углеводов (глюкозы, ферментативных гидролизатов крахмала, кислотных гидролизатов древесины) используется во многих отраслях промышленности: для получения этилового спирта, глицерина и др. технических и пищевых продуктов. На спиртовом Б. основаны приготовление теста в хлебопекарной промышленности, виноделие и пивоварение.

Пропионовокислое Б. Основные продукты пропионовокислого Б., вызываемого несколькими видами бактерий из рода Propionibacterium, - пропионовая (CH3CH2OH) и уксусная кислоты и CO2. Химизм пропионовокислого Б. сильно изменяется в зависимости от условий. Это, по-видимому, объясняется способностью пропионовых бактерий перестраивать обмен веществ, например в зависимости от аэрации. При доступе кислорода они ведут окислительный процесс, а в его отсутствии расщепляют гексозы путём Б. Пропионовые бактерии способны фиксировать CO2, при этом из пировиноградной к-ты и CO2 образуется щавелевоуксусная к-та, превращающаяся в янтарную к-ту, из которой декарбоксилированием образуется пропионовая к-та:

Существуют Б., которые сопровождаются и восстановительными процессами. Примером такого "окислительного" Б. служит лимоннокислое Б. Многие плесневые грибы сбраживают сахара с образованием лимонной кислоты. Наиболее активные штаммы Aspergillus niger превращают до 90% потребленного сахара в лимонную кислоту. Значительная часть лимонной кислоты, используемой в пищевой промышленности, производится микробиологическим путём - глубинным и поверхностным культивированием плесневых грибов.

Иногда по традиции и чисто окислительные процессы, осуществляемые микроорганизмами, называется Б. Примерами таких процессов могут служить уксуснокислое и глюконовокислое Б.

Уксуснокислое Б. Бактерии, относящиеся к роду Acetobacter, окисляют этиловый спирт в уксусную кислоту в соответствии с суммарной реакцией:

Промежуточное соединение при окислении спирта в уксусную кислоту - уксусный альдегид. Многие уксуснокислые бактерии, кроме окисления спирта в уксусную кислоту, осуществляют окисление глюкозы в глюконовую и кетоглюконовую кислоты.

Глюконовокислое Б. осуществляют и некоторые плесневые грибы, способные окислять альдегидную группу глюкозы, превращая последнюю в глюконовую кислоту:

Кальциевая соль глюконовой кислоты служит хорошим источником кальция для людей и животных.

Лит.: Шапошников В. Н., Техническая микробиология, М., 1948; Прескот С., Дан С., Техническая микробиология, пер. с англ., М., 1952; Пастер Л., Избр. труды, пер. с франц., т. 1-2, М., 1960; Кретович В. Л., Основы биохимии растений, 4 изд., М., 1964; Фробишер М., Основы микробиологии, пер. с англ., М., 1965; Фердман Д. Л., биохимия, М., 1966; Работнова И. Л., Общая микробиология, М., 1966.

В. И. Любимов.