Процесс брожения

  В процессе второго субстратного фосфорилирования образуется еще молекула АТФ; в итоге общий энергетический выигрыш процесса составляет 2 молекулы АТФ на 1 молекулу глюкозы. Такова энергетическая сторона процесса гомоферментативного молочнокислого брожения.

  Другие  гетероферментативные молочнокислые  бактерии переводят ацетилфосфат частично или целиком в уксусную кислоту, что сопровождается переносом высокоэнергетической фосфатной связи на ADP с образованием АТР. Избыток водорода передается в этом случае глюкозе, из которой образуется маннитол. Глицеральде-гидфосфат через пируват превращается в лактат. Рибозу Leuconostoc mesenteroid.es сбраживает в лактат и ацетат. При сбраживании фруктозы гетероферментативными бактериями образуются лактат, ацетат, С0₂ и маннитол:

  3 Фруктоза  -►  Лактат   +   Ацетат   +   С0₂   +   Маннитол

  Фруктоза при этом служит акцептором избыточных восстановительных эквивалентов:

  Фруктоза   +   NADH₂   -► Маннитол   +   NAD

  Lactobacillus plantarum (= pentosus или arabinosus) сбраживает глюкозу по гомоферментативному пути, а пентозы расщепляет с помощью фосфокетолазы, превращая в лактат и ацетат. Следует отметить, что даже такая типичная гомоферментативная бактерия, как Lactobacillus casei, хотя и сбраживает глюкозу по гомоферментативному, пути, но рибозу превращает в ацетат и лактат гетероферментативным путем. Рибоза индуцирует у нее синтез фосфокетолазы. Если клетки, выросшие на среде с рибозой, отмыть, то после этого они и глюкозу будут сбраживать как гетероферментативные бактерии.

  Брожение, осуществляемое Bifidobacterium bifidum. Гетерофермента-тивная молочнокислая бактерия В. bifidum получила это название за свою V- или Y-образную форму (лат. bifidus - раздвоенный) . Она известна тем, что преобладает в кишечнике грудных детей, особенно детей, вскармливаемых грудью. Эту зависимость ее распространения от способа кормления грудного ребенка можно было связать с потребностью бактерии в углеводах, содержащих N-ацетилглюкозамин, которые имеются только в молоке человека, но не коровы. Все представители рода Bifidobacterium-строгие анаэробы; они не переносят присутствия кислорода, и для их роста нужна атмосфера, содержащая 10% С0₂. С тех пор как стали известны эти необычные для молочнокислых бактерий особенности, бифидобактерии были обнаружены и в кишечной флоре взрослых людей, и во многих других местах, даже в гниющем иле, и теперь различают много видов этого рода. Бифидобактерии расщепляют глюкозу согласно уравнению

  2С₆Н₁₂0₆   ->  2СН₃—СНОН—СООН   +   ЗСН₃—СООН

  т.е. сбраживают ее по фосфокетолазному побочному  пути. Они не имеют ни альдолазы, ни глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы, но содержат активные фосфокетолазы, расщепляющие фруктозо-6-фосфат и ксилуло-зо-5-фосфат на ацетилфосфат и эритрозо-4-фосфат или глицеральде-гид-3-фосфат.

  Пропионовокислое  брожение и пропионовокислые бактерии

  Пропионовокислые  бактерии обитают в рубце и кишечнике жвачных животных (коров, овец); они участвуют там в образовании жирных кислот, главным образом пропионовой и уксусной. Благодаря им образующаяся в рубце в результате различных видов брожения молочная кислота превращается главным образом в пропионовую. Пропионовокислые бактерии не встречаются в молоке, и их не удается выделить из почвы или природных вод. Различают несколько видов таких бактерий, из которых наиболее известны вид Propionibacterium freudenreichii и его подвид shermanii, а также P. acidi-propionici (прежнее название -Р. pentosaceum). Возбудитель угрей - воспаления волосяных фолликулов у человека - тоже относится к пропионовокислым бактериям (P. acnes). Помимо рода Propionibacterium к бактериям, образующим пропионовую кислоту,  причисляют   Veillonella  alcalescens  (= Micrococcus   lactilyticus),

  Clostridium propionicum, Selenomonas и Micromonospora. Пропионат как продукт брожения выделяют и многие другие бактерии.

  Пропио-новая кислота образуется из молочной согласно следующему уравнению:

  ЗСН₃—СНОН—СООН   ->

  -> 2СН₃—СН₂—СООН   +   СН₃— СООН   +   С0₂   +   Н₂0

  Восстановление  лактата или пирувата до пропионата идет по пути, который по характерному промежуточному продукту был назван ме-тилмалонил-СоА-путем. Сначала пируват при участии комплекса    биотин-С0₂    карбоксилируется    метилмалонил-СоА-карбокси трансферазой с образованием оксалоацетата, а затем восстанавливается через малат и фумарат до сукцината. Транспорт электронов на этом этапе сопряжен с фосфорилированием. Затем сукцинат с помощью СоА-трансферазы (сукцинил-СоА: пропионат-СоА-трансферазы) присоединяется к СоА и таким образом активируется. Сукцинил-СоА под действием метилмалонил-СоА-мутазы и при участии кофермента В₁₂ (цианкобаламина) превращается в метил-малонил-СоА, и только от этого промежуточного продукта, наконец, отщепляется С0₂; в результате образуется пропионил-СоА, а С0₂ связывается с упомянутой выше метилмалонил-СоА-карбокситрансфе-разой. Из пропионил-СоА образуется пропионат, в результате того что СоА-трансфераза переносит СоА на сукцинат. Следует особо отметить, что в процессе образования пропионата две группы (С0₂ и СоА) переносятся с последующего продукта на предшествующий, не освобождаясь. Заслуживает внимания и участие трех кофакторов (биотина, СоА и кофермента В₁₂) в этом процессе. По метилмалонил-СоА-пути пропионат образуется у большинства пропионовокислых бактерий, а также у Veillonella alcalescens и Selenomonas ruminantium.

  Маслянокислое и ацетоно-бутиловое  брожение

   Род Clostridium относится к семейству Васillасеае. Как и другие представители этого семейства (Bacillus, Sporolactobacillus, De-sulfotomaculum и Sporosarcina), клостридии грам-положительны. Благодаря перитрихально расположенным жгутикам они очень подвижны. Вегетативные клетки палочковидные, однако форма их может изменяться в зависимости от условий среды. Овальные или шарообразные эндоспоры изменяют форму палочковидной материнской клетки, так как их диаметр, как правило, больше толщины этой клетки. Споры терморезистентны.

  Физиологически клостридии отличаются резко выраженным бродильным типом метаболизма, а также чувствительностью к кислороду: они растут только в анаэробных условиях.

   При брожении образуются в разных соотношениях кислоты (масляная, уксусная, молочная), спирты (бутанол, этанол, 2-пропанол), а также ацетон и газообразные продукты (Н₂ и С0₂). Клостридии расщепляют глюкозу по фруктозобисфосфатному пути. Водород, освобождающийся при дегидрировании глицеральдегидфосфата, переносится, как правило, на органические кислоты или кетоны, образуемые из пирувата или ацетил-СоА. Прототипом брожения, осуществляемого клостридиями, можно считать сбраживание глюкозы Clostridium butyricum и С. acetobutylicum; при этом образуются бу-тират, ацетат, бутанол, этанол, ацетон, 2-пропанол, С0₂ и Н₂. Выход продуктов варьирует в зависимости от условий.

   Масляная  кислота (бутират)-продукт конденсации двух молекул аце-тил-СоА при участии тиолазы с образованием ацетоацетил-СоА и его последующим восстановлением (рис. 8.4). Ацетоацетил-СоА восстанавливается за счет NADH₂ при участии fi-гидроксибутирил-СоА-дегидрогеназы до (3-гидроксибутирил-СоА. От последнего с помощью крото-назы отщепляется вода. Кротонил-СоА под действием флавинового фермента бутирил-СоА-дегидрогеназы восстанавливается до бутирил-СоА. От бутирил-СоА с помощью СоА-трансферазы СоА может переноситься на ацетат; при этом освобождается масляная кислота, которая выходит в среду. Из ацетил-СоА при участии фосфотрансацетилазы и ацетаткиназы может быть получен свободный ацетат, что сопровождается синтезом АТР из ADP.

   При чистом маслянокислом брожении образующийся при окислении пирувата водород выделяется в газообразном виде. Когда глюкоза сбраживается согласно уравнению

   Глюкоза  ->  Бутират   +   2С0₂   +   2Н₂

   баланс  водорода сходится; на один моль глюкозы образуются три моля АТР.

   Бутанол, бутират, ацетон и 2-пропанол образуются при сбраживании глюкозы клетками Clostridium acetobutylicum. При этом вначале выделяется также масляная кислота; однако по мере подкисления среды начинают синтезироваться ферменты (в том числе ацетоацетатдекарбоксилаза), действие которых приводит к накоплению ацетона и бутанола. Процессы образования этих веществ тесно связаны между собой. В результате декарбоксилирования части ацетоацетата утрачивается потенциальный акцептор водорода, который при восстановлении в бутират мог бы дважды присоединить 2[Н]. Этот водород так или иначе должен быть передан другим акцепторам, в том числе и только что образовавшемуся бутирату. Для восстановления до бутанола бутират должен быть сначала активирован путем превращения в бутирил-СоА. При брожении в щелочной среде С. acetobutylicum ведет себя как С, butyricum. Некоторые штаммы восстанавливают ацетон и выделяют 2-пропанол.

   Маслянокислое и уксуснокислое (ацетатное) брожение, осуществляемое неспорообразующими бактериями. Некоторые роды анаэробных бактерий близки к клостридиям по продуктам брожения; они, однако, не образуют спор, и многие из них грам-отрицательны. Большинство таких бактерий, образующих масляную и уксусную кислоты, было выделено из рубца, где они участвуют в разложении целлюлозы, крахмала и других углеводов. Они выделяют много молекулярного водорода и С0₂ и создают метаногенным бактериям условия для образования метана. Из бактерий рубца, образующих масляную кислоту, следует особо упомянуть Bytyrivibrio fibrosolvens, а из обитающих в рубце продуцентов уксусной кислоты - Ruminococcus albus. Этот последний вид-строгий анаэроб, использующий целлюлозу и ксилан, а также многие сахара. Он способен превращать 1 моль глюкозы в 2 моля ацетата, 2 моля С0₂ и 4 моля Н₂-правда, при условии, что концентрация выделенного водорода поддерживается на низком уровне. Это возможно в смешанной культуре с какой-либо бактерией, использующей водород, например Vibrio succinogenes. При чистом ацетатном брожении может быть образовано 4 моля АТР на 1 моль глюкозы. Столь высокая эффективность регенерации АТР возможна, однако, лишь в том случае, если все возникающие при расщеплении глюкозы восстановительные эквиваленты будут освобождаться в виде молекулярного водорода.