Маслянокисле бродіння

Цей тип бродіння здійснюється облігатно анаеробними бактеріями, які відносяться до роду Clostridium: C.butiricum, C.acetobutiricum, C.pasteurianum, C.pectinovorum. Клостридії здатні засвоювати різноманітні субстрати: крохмаль, глікоген, пектини, целюлозу, геміцелюлозу, білки, амінокислоти, пептони, нуклеїнові кислоти, пурини, піримідини тощо.

Глюкозу клостридії розкладають по гліколітичному шляху. Піруват, що утворюється внаслідок цих реакцій, далі декарбоксилюється і, взаємодіючи з HS-КоА, перетворюється в ацетил-КоА. Конденсація двох молекул ацетил-КоА веде до утворення ацетоацетил-КоА (рис. 4).

У процесі бродіння, крім масляної кислоти, утворюється водень, вуглекислий газ, ацетон, етанол, бутанол, пропаном, ацетат та інші продукти. Вихід АТФ становить 3 молі на моль глюкози.

Масляна кислота, яка утворюється на початку бродіння, виділяється в середовище і підкислює його, що пригнічує ріст клостридій. По мірі підкислення починають синтезуватися ферменти, дія яких призводить до накопичення нейтральних продуктів – ацетону і бутанолу.

У зв’язку з тим, що в процесі маслянокислого бродіння синтезуються органічні розчинники (ацетон, пропаном, бутанол), воно має важливе промислове значення.

Рис. 4. Схема маслянокислого бродіння.

Ферменти: 1 – піруват:фередоксин-оксидоредуктаза; 2 – тіол аза; 3 – β-гідроксибутирил-КоА-дегідрогеназа; 4 – кротоназа; 5 – бутирил-КоА-дегідрогеназа; 6 – бутират:КоА-трансфераза; 7 – ацетаткіназа; 8 – алкогольдегідрогеназа; 9 – ацетоацетат:КоА-трансфераза; 10 – ацетоацетатдекарбоксилаза; 11 – 2-пропанол-дегідрогеназа

Деякі види клостридій є патогенними для людини і тварин. Більшість з них живе у ґрунті, і, потрапивши у рану, може стати причиною небезпечних раневих інфекцій – правця (C.tetani), газової гангрени (C.perfringens, C.septicum, C.histoliticum, C.sporogenes). C.botulinum продукує сильний екзотоксин і спричиняє харчове отруєння – ботулізм (від botulus - ковбаса).

BOX

Клостридії належать до родини Bacillaceae. Це грампозитивні рухомі палички (перитрихи), але можуть змінювати форму. Утворюють овальні або сферичні ендоспори, що роздувають клітину, надаючи їй форму тенісної ракетки або веретена. Клостридії – облігатні анаероби, хемоорганогетеротрофи. Деякі види (C.pasteurianum) фіксують молекулярний азот. Оптимальні температура росту 30-400С і рН 7, тому підкислення середовища подавляє їх ріст. Живуть у ґрунті, водоймах, а також травному тракті тварин і людини.

Мурашинокисле бродіння

Окремі види бактерій, особливо представники родини Enterobacteriaceae об’єднують в одну фізіологічну групу на тій підставі, що характерним, хоча і не основним продуктом бродіння у них є мурашина кислота. Поряд із мурашиною кислотою такі бактерії виділяють і деякі інші кислоти (оцтову, бурштинову, молочну), етанол, гліцерол, ацетон, 2,3-бутандіол, СО₂ і Н₂. Саме тому таке бродіння ще називають бродінням змішаного типу (рис. 5).

Збудники мурашинокислого бродіння зброджують гексози в основному по гліколітичному шляху, дуже рідко – в реакціях окислювального пентозофосфатного шляху. Розклад глюконату у них здійснюється шляхом Ентнера-Дудорова (КДФГ-шлях).

Бродіння з виходом бутандіола (Enterobacter aerogenes, B.subtilis, B.polymyxa, Serratia sp.) находить застосування в промисловості.

Рис. 5. Схема мурашинокислого бродіння.

Ферменти: 1 – лактатдегідрогеназа; 2 – фосфоенолпіруват-карбоксилаза, малат-дегідрогеназа, фумараза, фумаратредуктаза; 3 – піруват-форміатліаза; 4 – фосфотрансацетилаза, ацетаткіназа; 5 – ацетальдегіддегідрогеназа, енолпіруваткар-боксилаза; 6 – ά-ацетолактатсинтаза, ά-ацетолактатдекарбоксилаза; 7 – 2,3-бутан-діолдегідрогеназа; 8 – форміат-водень-ліаза.

Лекція № 12

Тема: НЕПОВНІ ОКИСНЕННЯ

Більшість аеробних організмів окиснює органічні речовини в процесі дихання до СО₂ і Н₂О. Оскільки в молекулі СО₂ досягається найвищий ступінь окиснення вуглецю, то в такому випадку говорять про повне окиснення. При неповному окисненні в якості продуктів обміну виділяються частково окиснені органічні сполуки.

Кінцевими продуктами неповних окиснень можуть бути кислоти (оцтова, глюконова, фумарова, лимонна, молочна) та ряд інших сполук. Оскільки ці продукти подібні до продуктів, що утворюються в результаті бродіння, то неповні окиснення називають іноді «окисним бродінням» або «аеробною ферментацією». Слова «бродіння» і «ферментація» в даному випадку відображають скоріше технологічний аспект.

УТВОРЕННЯ ОРГАНІЧНИХ КИСЛОТ

Оцтова кислота. Оцтовокислі бактерії – це грамнегативні рухомі палички, облігатні аероби, належать до родів Acetobacter та Gluconobacter: A.aceti, A.xylinum, A.acidophilum, G.oxydans, G.melanogenum.

Оцет отримують з вина або водно-спиртової суміші. Основна проблема виробництва оцту – аерація. Розрізняють три основних способи культивування оцтовокислих бактерій:

• поверхневий

• фіксований (на носіях, якими служать виноградний жом, букові стружки)

• глибинний (він передбачає посилену аерацію).

Оцтовокислі бактерії здатні окиснювати етанол, гліцерил, глюкозу у відповідні кислоти – оцтову, гліцеринову, глюконову. Вторинні спирти окиснюються ними до кетонів, наприклад, сорбітол до сорбози:

СН₂ОН СН₂ОН О═С───┐

│ │ │ │

ОН─С─Н С═О ОН─С │

│ ½ О₂ Н₂О │ ║ О

ОН─С─Н ────────→ ОН─С─Н ОН─С │

│ │ │ │

Н─С─ОН Н─С─ОН Н─С─── ┘

│ │ │

ОН─С─Н ОН─С─Н ОН─С─Н

│ │ │

СН₂ОН СН₂ОН СН₂ОН

D-сорбітол L-сорбоза L-аскорбінова кислота

Таке окиснення є одним з етапів на шляху отримання аскорбінової кислоти з глюкози. D-сорбітол можна отримати шляхом електролітичного відновлення D-глюкози.

Інші органічні кислоти (глюконова, фумарова, лимонна, щавелева) можуть синтезуватись із проміжних продуктів ЦТК грибами родів Mucor, Aspergillus, Rhizopus, а також дріжджами роду Candida.

Добре вивчений і налагоджений промисловий випуск лимонної кислоти культурою гриба Aspergillus niger. Особливості надсинтезу полягають у тому, що необхідно створити ліміт заліза у середовищі.

Щавлева кислота утворюється в результаті гідролізу щавелевооцтової кислоти під дією оксалоацетатгідролази:

СО─СООН НООС─СООН щавлева кислота

│ + Н₂О ───→

СН₂─СООН СН₃─СООН оцтова кислота

Їх утворенню сприяє лужний рН середовища.

Глюконова кислота є продуктом ферментативного окиснення глюкози грибною глюкозоксидазою. Глюконолактон, який при цьому утворюється, за допомогою глюконолактонази (або неферментативним шляхом) перетворюється в глюконову кислоту.

┌───┐

ОН─СН─── │ │ СООН

│ │ С═О │ │

Н─С─ОН │ ФАД ФАДН₂ │ │ Н₂О Н─С─ОН

│ │ Н─С─ОН │ │

ОН─С─Н О ─────────→ │ │ ─────────→ ОН─С─Н

│ │глюкозооксидаза ОН─С─Н О глюконолактоназа │

Н─С─ОН │ │ │ Н─С─ОН

│ │ Н─С─ОН │ │

Н─С────┘ │ │ Н─С─ОН

│ Н─С────┘ │

СН₂ОН │ СН₂ОН

СН₂ОН

β – D-глюкоза глюконолактон глюконат

Відновлена глюкозооксидаза переносить водень на кисень повітря з утворенням пероксиду водню, який під дією каталази може розщеплюватись на воду і кисень.

Н₂

О₂─────→Н₂О₂ ──────→Н₂О + ½ О₂

глюкозо- каталаза

оксидаза

Попередником ітаконової кислоти є цис-аконітова кислота. Під час декарбоксилування подвійний зв’язок переміщується із положення 2,3 у положення 3,4:

СН₂─СООН СН_2─СООН СО₂ СН₂

│ │ ║

ОН─С─СООН ────→ С─СООН ──────→ С─СООН

│ ║ │

СН₂─СООН Н─С─СООН СН₂─СООН

лимонна кислота цис-аконітова ітаконова кислота

кислота

ОКИСНЕННЯ ОДНОВУГЛЕЦЕВИХ СПОЛУК

Серед великої різноманітності мікроорганізмів, які отримують енергію в процесі аеробного дихання, особливу фізіологічну групу складають метилотрофи, які здатні окиснювати одно вуглецеві субстрати (метан, метанол, форміат, метиламіни). Вони не здатні використовувати вуглеводи з довгим ланцюгом.

До метилотрофних мікроорганізмів належать:

1. бактерії: архебактерії

еубактерії (Methylococcus, Methylomonas, Methylosinus)

фотосинтезувальні бактерії

2. дріжджі: Pichia, Candida, Hansenula, Rhodotorula, Torulopsis.

3. міцеліальні гриби: Gliocladium, Paecilomyces, Penicillum, Trichoderma.

Прокаріотичні метилотрофи поділяють на дві фізіологічні групи:

• облігатні (використовують лише С_1-субстрати, як правило, метан)

• факультативні (ростуть на середовищах із іншими субстратами, але не на метані).

Реакції засвоєння метану протікають через такі послідовні стадії:

О₂ НАДФН₂ Н₂О

СН₄─────────→ СН₃ОН ────→СН₂О────→ НСООН ────→ СО₂

Н₂О 2[H] 2 [H] 2 [H]

метан метанол формальдегід форміат

На першому етапі відбувається окиснення метану до метилового спирту ферментом метанмонооксигеназою, причому цей процес пов’язаний з використанням лише одного атома кисню, тоді як другий відновлюється до води.

Метанол до формальдегіду бактерії окиснюють за допомогою метанолдегідрогенази. Електрони від цього окиснення направляються в ЛПЕ для синтезу АТФ.

Синтез клітинних сполук (асиміляція) здійснюється із формальдегіду – високореакційної та токсичної сполуки. Саме тому ферменти його утворення та асиміляції локалізовані поза цитоплазмою. Бактеріальна метанолдегідрогеназа прикріплена ззовні до периплазматичної мембрани. У дріжджів ферменти катаболізму метанолу локалізовані у спеціальних органелах – пероксисомах.

Метилотрофні бактерії реалізують три циклічні шляхи асиміляції одно вуглецевих субстратів: сериновий, рибулозомонофосфатний та рибулозодифосфатний.

БІОЛЮМІНІСЦЕНЦІЯ

Серед бактерій поширене явище світіння – біолюмінесценція. Світіння є окиснювальним процесом, який зумовлюється ферментом люциферазою. Більшість люмінесцентних бактерій належить до родів Vibrio, Photobacterium, Alteromonas, Beneckia. Вони переважно є галофільними грамнегативними факультативними анаеробами. За типом живлення – хемоорганогетеротрофи. Бувають різної форми – коки, палички, прямі і зігнуті. Більшу частину бактерій виділено з морської води. Вони також зустрічаються у тілі і м’язах дрібних ракоподібних планктонних організмів. У деяких риб є спеціальні органи фотобактерій – симбіонтів.

Світіння відбувається лише в присутності кисню, пов’язане з окисними реакціями, які супроводжуються не синтезом АТФ, а виділенням (емісією) синьо-зеленого світла (470-500 нм).

Бактеріальна люцифераза складається з двох різних субодиниць – ά і β, ά – субодиниця виконує каталітичну функцію, β-субодиниця – регуляторну.

Джерелом енергії для світіння є реакція перетворення альдегіду з довгим вуглецевим ланцюгом до відповідної жирної кислоти за участю відновленого флавінмононуклеотиду.

(ФМН)∙Н

Лекція №13

Тема: РЕГУЛЯЦІЯ КЛІТИННОГО МЕТАБОЛІЗМУ

Регуляція клітинного метаболізму можлива наступними шляхами:

1. Компартменталізація – локалізація метаболітів і ферментів у різних частинах клітини, утворення метаболічних каналів.

2. Регуляція активності ферментів (стимулювання або інгібування).

3. Регуляція синтезу ферментів.

КОМПАРТМЕНТАЛІЗАЦІЯ

Найбільш загальний «канальний» механізм – це компартменталізація – розташування ферментів і метаболітів у різних клітинних структурах або органелах. Особливо вона важлива для еукаріотних мікроорганізмів, які мають багато оточених мембраною органел. Наприклад: окиснення жирних кислот відбувається всередині мітохондрій, в той час як їх синтез проходить у цитоплазматичному матриксі. Компартменталізація робить можливим одночасне, але відокремлене протікання подібних метаболічних процесів та їх регуляцію. Більш того, активність шляху може координуватись шляхом транспорту метаболітів і коензимів у той чи інший компартмент клітини.

Допустимо, два шляхи в різних відділах клітини потребують НАД⁺ для своєї активності. Розподіл НАД⁺ між цими двома відділами визначить відносну активність цих двох конкуруючих шляхів. Матиме переваги той шлях, який отримає більше НАД⁺. Так само і з ферментами: якщо два ферменти потребують один субстрат, то «виграє» той фермент, у якого спорідненість до субстрату буде більшою.

КОНТРОЛЬ ЗА ФЕРМЕНТАТИВНОЮ АКТИВНІСТЮ

Коректування активності регуляторних ферментів контролює функціонування багатьох метаболічних шляхів. Існує декілька механізмів такого регулювання.