Общая микробиология - Шлегель Г. 1987

Типы брожения

Как уже говорилось выше, получение энергии - необходимая предпосылка для жизнедеятельности клеток. Из трех принципиально возможных способов регенерации АТР (дыхание, брожение и фотосинтез) брожение-наиболее простой.

Брожение - это такой метаболический процесс, при котором регенерируется АТР, а продукты расщепления органического субстрата могут служить одновременно и донорами, и акцепторами водорода. Реакции, приводящие к фосфорилированию ADP, являются реакциями окисления. От окисленного углерода клетка избавляется, выделяя СО₂. Отдельные этапы окисления представляют собой дегидрирование, при котором водород переносится на NAD. Акцепторами водорода, находящегося в составе NADH₂, служат промежуточные продукты расщепления субстрата. При регенерации NAD последние восстанавливаются, а продукты восстановления выводятся из клетки.

При сбраживании углеводов и ряда других веществ образуются (по отдельности или в смеси) такие продукты, как этанол, лактат, пропионат, формиат, бутират, сукцинат, капронат, ацетат, н-бутанол, 2,3-бутандиол, ацетон, 2-пропанол, СО₂ и Н₂. В зависимости от того, какие продукты преобладают или являются особенно характерными, различают спиртовое, молочнокислое, пропионовокислое, муравьинокислое, маслянокислое и уксуснокислое брожение. Молекулярный кислород в процессах брожения не участвует: «Брожение - это жизнь без воздуха» (Л. Пастер). Многие микроорганизмы, осуществляющие брожение, - облигатные анаэробы, а некоторые - факультативные анаэробы, способные расти как в присутствии кислорода, так и без него; при этом кислород подавляет брожение и оно сменяется дыханием.

Регенерация АТР при брожении. При сбраживании глюкозы микроорганизмами образуется от 1 до 4 молей АТР:

Ввиду большого числа возможных продуктов брожения кажется удивительным, что в преобразовании энергии путем фосфорилирования на уровне субстрата участвуют лишь немногие реакции, из которых здесь будут представлены три наиболее важные:

У большинства микроорганизмов, осуществляющих брожение, используются только реакции, катализируемые фосфоглицераткиназой (1) или пируваткиназой (2), а необходимые акцепторы водорода образуются при этом из пирувата и ацетилкофермента А. При сбраживании одного моля глюкозы образуется лишь от двух до трех молей АТР, а продуктами оказываются лактат, этанол, ацетон, бутират, н-бутанол, 2-пропанол, 2,3-бутандиол, капронат, ацетат, СО₂ и молекулярный водород.

При использовании ацетаткиназы [реакция (3)] бактерии получают дополнительный АТР. Ацетилфосфат образуется из ацетил-СоА и неорганического фосфата с помощью фосфотрансацетилазы:

Ацетил-СоА + Рі → Ацетилфосфат + СоА

Кроме того, возможно образование ацетилфосфата из фосфорилированных сахаров (ксилулозо-5-фосфата, фруктозо-6-фосфата) при участии фосфокетолазы.

Способность бактерий использовать реакцию, катализируемую ацетаткиназой (3), зависит от того, могут ли они выделять молекулярный водород (Н₂). В случае переноса восстановительных эквивалентов (электронов) на протоны они могут выделяться в виде молекулярного водорода; поэтому клетке нет надобности синтезировать акцепторы водорода. Чтобы понять это, нужно остановиться на механизмах высвобождения Н₂.

Анаэробные бактерии окисляют пируват в ацетил-СоА двумя способами (см. реакции (2) и (3) в начале раздела 7.2.4). В реакции, катализируемой пируват : ферредоксин-оксидоредуктазой (эта реакция свойственна, в частности, клостридиям), восстанавливается ферредоксин (Fd). Его окислительно-восстановительный потенциал очень низок (Е0 = -420 мВ), поэтому с помощью специальной гидрогеназы-ферредоксин : Н₂-оксидоредуктазы - может освобождаться газообразный водород:

В реакции, катализируемой пируват : формиат-лиазой (как у энтеробактерий), наряду с ацетил-СоА образуется также формиат. Он может расщепляться гидрогенлиазной системой:

Оба механизма выделения Н₂ имеют между собой то общее, что у предшественников (FdH и формиата) очень низкие окислительно-восстановительные потенциалы. Поэтому клетке нетрудно избавляться от восстановительных эквивалентов, образующихся при окислении пирувата в ацетил-СоА.

В отличие от этого водород, образующийся при дегидрировании глицеральдегид-3-фосфата и связанный в форме NADH₂, у большинства анаэробных бактерий передается затем на органические акцепторы. Многие бактерии обладают, однако, способностью высвобождать и эти восстановительные эквиваленты в виде Н₂ благодаря ферменту NADH₂ : ферредоксин-оксидоредуктазе, катализирующему реакцию

С помощью гидрогеназы от FdH может отделяться Н₂. Так как эти реакции связаны с увеличением потенциала Н (от = - 320 мВ для NADH₂до = - 420 мВ для ферредоксина) и их равновесие неблагоприятно для выделения Н₂, они протекают только тогда, когда образующийся и выделяющийся молекулярный водород непрерывно удаляется. Поэтому организмы, способные к образованию Н₂ из NADH₂, могут воспользоваться этим изящным способом избавления от водорода в форме Н₂ только тогда, когда живут вместе с другими видами, непрерывно потребляющими Н₂. Именно так обычно обстоит дело в природе. Такое явление называют межвидовой передачей водорода и говорят об особой форме симбиоза в микробных сообществах.

Бактерии, способные таким образом избавляться от связанного с NAD водорода, выделяя его в виде Н₂, естественно, могут обходиться без превращения ацетил-СоА в акцепторы для NADH₂. Поэтому они могут превращать ацетил-СоА в ацетилфосфат и регенерировать АТР путем ацетилкиназной реакции. Выделяют они главным образом ацетат и при сбраживании одного моля глюкозы способны регенерировать до четырех молей АТР (как, например, Ruminococcus albus; см. стр. 299).

Роль процессов брожения в балансе природы. Виды, осуществляющие брожение, играют важную роль в природном круговороте веществ. Большая часть целлюлозы, поедаемой растительноядными животными, выводится в непереваренном виде с калом. Когда этот содержащий целлюлозу детрит попадает в анаэробные слои почвы или донных осадков водоемов, целлюлозу сбраживают разлагающие ее клостридии и некоторые другие строго анаэробные бактерии. При этом образуются названные выше продукты брожения, в том числе почти всегда молекулярный водород. Водород находится в начале анаэробной пищевой цепи, главные продукты которой метан и (или) сероводород:

В осадках пресноводных озер и в рубце жвачных Н₂ превращается метанобразующими бактериями в метан, а в морских анаэробных экосистемах сульфатредуцирующие бактерии превращают Н₂ и сульфат в сероводород.