Энергетический обмен. Дыхание и брожение. Спиртовое брожение – магия превращения сахара в этиловый спирт Гомоферментативное молочно-кислое брожение

Брожение основано на гликолитическом пути распада углеводов. Различают: гомоферментативное молочнокислое (ГФМ), спиртовое, пропионовое, маслянокислое, ацетонобутиловое.
Брожение - это эволюционно самый древний и примитивный путь получения энергии бактериальной клеткой. АТФ образуется в результате окисления органического субстрата по механизму субстратного фосфорилирования. Брожение происходит в анаэробных условиях. Примитивность брожения объясняется тем, что при брожении происходит расщепление субстрата не полностью, а образованные в ходе брожения вещества (спирты, органические кислоты и т.д.) содержат внутренние запасы энергии.
Количество выделенной энергии при брожении незначительно 1 г/моль глюкозы эквивалентен2 - 4 молекулам АТФ. Микроорганизмы бродящего типа вынуждены интенсивнее збраживать субстрат, чтобы обеспечить себя энергией. Основная проблема брожения - решение донорно-акцепторных связей. Донорами электронов являются органические субстраты, а акцептором электронов, который определяет судьбу брожения представляет основную задачу. Конечный продукт брожения дает название виду данного процесса.

Химизм процесса брожения

В процессе брожения в условиях анаэробиоза в центре находится проблема выработки энергии при расщеплении углеводов. Основным механизмом является гликолитический путь распада (Эмбдена - Мейергоффа - Парнаса, гексозо-дифосфатный путь). Этот путь наиболее распространен, существую 2 гликолитических пути, которые встречаются в меньшей степени: окислительный пентозо-фосфатный путь (Варбурга - Диккенса - Хорекера), путь Энтнера - Дударова (КДФГ-путь).
Следует обратить вимание, что все эти механизмы нельзя рассматривать как брожение, так как они лежат в основе дыхания. Брожение начинается тогда, когда происходит утилизация оторвавшегося от субстрата протона или электрона и присоединения на акцептор.
ГЛИКОЛИЗ
Глюкоза под действием гексаминазы фосфорилируется в положении 6 - превращается в глюкозо-6-фосфат - метаболически более активную форму глюкозы. Донором фосфата выступает молекула АТФ.Глюкоза-6-фосфат изомеризуется в фруктозо-6-фосфат. Реакция обратима, уровень присутствия 2 веществ в зоне реакции одинаков.Фруктоза-6-фосфат присоединяет фосфатную группу к первому атому С и превращается в фруктоза-1,6-дифосфат. Реакции идёт с затратой энергии АТФ и катализируется фруктозо-1,6-дифосфат альдолазой (основной регуляторный фермент гликолиза).
Фруктозо-1,6-дифосфат расщепляется на 2 фосфотриозы триозофосфатизомеразой. В результате образуются 2 триозы:фосфодиоксиацетон и 3-фосглицеральдегид (3-ФГА). Эти 2 триозы могут изомеризоваться одна в другую и проходить трансформацию до пирувата по одинаковому механизму. Это восстановительный этап (идёт с выработкой энергии).

Гликолиз
Гексокиназа
Глюкозо-6-фосфатизомераза
6-Фосфофруктокиназа
Альдолаза
Триозофосфатизомераза
Гліцеральдегидфосфатдегидрогеназа
Фосфоглицераткиназа
Фосфоглицеромутаза
Енолаза
Пируваткиназа
Произошло образование 3-ФГК. Теперь можно подвести некоторые итоги. Клетка на этом этапе "вернула" свои энергетические затраты: 2 молекулы АТФ были затрачены и 2 молекулы АТФ синтезировались на 1 молекулу глюкозы. На этом же этапе в реакции окисления 3-ФГА до 1,3-ФГК и образования АТФ имеет место первое субстратное фосфорилирование. Энергия освобождается и запасается в макроэргических фосфатных связях АТФ в процессе перестройки сбраживаемого субстрата при участии ферментов. Первое субстратное фосфорилирование носит еще название фосфорилирования на уровне 3-ФГА. После образования 3-ФГК фосфатная группа из третьего положения переносится во второе. Далее происходит отщепление молекулы воды от второго и третьего атомов углерода 2-ФГК, катализируемое ферментом энолазой, и образуется фосфоенолпировиноградная кислота. В результате происшедшей дегидратации молекулы 2-ФГК степень окисления ее второго углеродного атома увеличивается, а третьего — уменьшается. Дегидратация молекулы 2-ФГК, приводящая к образованию ФЕП, сопровождается перераспределением энергии внутри молекулы, в результате чего фосфатная связь у второго углеродного атома из низкоэнергетической в молекуле 2-ФГК превращается в высокоэнергетическую в молекуле ФЕП. Молекула ФЕП становится донором богатой энергией фосфатной группы, которая переносится на АДФ с помощью фермента пируваткиназы. Таким образом, в процессе превращения 2-ФГК в пировиноградную кислоту имеет место высвобождение энергии и запасание ее в молекуле АТФ. Это второе субстратное фосфорилирование. В результате внутримолекулярного окислительно-восстановительного процесса одна молекула и донирует и акцептирует электроны. 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. Энергетический баланс процесса: С6+2АТФ=2С3+4 АТФ+2НАДФ∙Н2

ГОМОФЕРМЕНТАТИВНОЕ МОЛОЧНО-КИСЛОЕ БРОЖЕНИЕ

Осуществляется молочно-кислым бактериями. Которые расщепляют углеводы по гликолитическому пути с последним образованием из пирувата молочной кислоты. У ГФМК- бактерий проблема донорно-акцепторой связи решается самым простым путём - этот вид брожения рассматривают как эволюционно самый древний механизм.
В процессе брожения пировиноградная кислота восстанавливается Н+ оторвавшимся от глюкозы. На пируват сбрасывается Н2 с НАДФ∙Н2. В результате чего образуется молочная кислота. Энергетический выход составляет 2 молекулы АТФ.
Молочно-кислое брожение осуществляют бактерии рода: Streptococcus, Lactobacillus,Leuconostoc.Все они Г+ (являются палочками или кокками) неспорообразующие (Sporolactobacillus образуют споры). По отношению к кислороду молочно-кислые бактерии относятся к аэротолерантным, являются строгими анаэробами, но способны существовать в атмосфере кислорода. Они имеют ряд ферментов, которые нейтрализуют токсическое действие кислорода (флавиновые ферменты, негемовая каталаза, супероксиддисмутаза). МКБ не могут осуществлять дыхание, так как нет дыхательной цепи. В связи с тем, что природа обитания МКБ богата на факторы роста, в процессе эволюции они стали метаболическими инвалидами и утратили способность синтезировать в достаточном количестве факторы роста, поэтому в процессе культивирования они

Гомоферментативное молочнокислое брожение: Ф1 — гексокиназа; Ф2 — глюкозофосфатизомераза; Ф3 — фофсофруктокиназа; Ф4 — фруктозо-1,6-дифосфатальдолаза; Ф5 — триозофосфатизомераза; Ф6 — 3-ФГА-дегидрогеназа; Ф7 — фофсоглицерокиназа; Ф8 — фосфоглицеромутаза; Ф9 — енолаза; Ф10 — пируваткиназа; Ф11 — лактатдегиброгеназа (по Dagley, Nicholson, 1973)

нуждаются в добавлении витамиов, аминокислот (овощные, растительные экстракты).
МКБ могут использовать лактозу, которая под действием β-галактозидазы в присутствии молекул воды расщепляется на D-глюкозц и D-галактозу. Впоследствии D-галактоза фосфорилируется и трансформируется в глюкозо-6-фосфат.
МКБ - мезофиллы с оптимальной температурой культивирования 37 - 40ºС. При 15ºС большинство из них не растут.
Способность к антагонизму связана с тем, что в процессе метаболизма накапливается молочная кислота и другие продукты, которые угнетают рост других микроорганизмов. Кроме того накопление молочной кислоты в культуральной жидкости приводит к резкому снижению рН, что угнетает рост гнилостных микрооргаизмов, а сами МКБ могут выдерживать рН до 2.
МКБ нечувствительны к многим антибиотикам. Это позволило использовать их в качестве продуцентов пробиотических препаратов, которые могут использоваться как препараты, сопровождающие при антибиотико-терапии (способствуют восстановлению микрофлоры кишечника, угнетаемой антибиотиками).
Экология МКБ. В природе встречаются там, где много углеводов: молоко, поверхность растений, пищевой тракт человека и животных. Патогенных форм нет.

СПИРТОВОЕ БРОЖЕНИЕ

В основе лежит гликолитический путь. В спиртовом брожении происходит усложнение решения донорно-акцепторной связи. Сначала пируват с помощью пируватдекарбоксилазы, ключевого фермента спиртового брожения, декарбоксилируется до ацетальдегида и CO2:
CH3-CO-COOH ® CH3-COH + CO2 .
Особенность реакции заключается в ее полной необратимости. Образовавшийся ацетальдегид восстанавливается до этанола с участием НАД+-зависимой алкогольдегидрогеназы:
CH3-COH + НАД-H2 ® CH3-CH2OH + НАД+
Донором водорода служат 3-ФГА (как и в случае молочнокислого брожения).
Процесс спиртового брожения суммарно можно выразить следующим уравнением:
C6H12O6 + 2ФН + 2АДФ ® 2CH3-CH2OH + 2CO2 + 2АТФ +2H2O.
Спиртовое брожение широко распространенный процесс получения энергии как у Про-, так и у Эукариотов. У Прокариотов встречается как у Г+ так и у Г-. Промышленное значение имеет микроорганизм Zymomonas mobilies (пульке из сока агавы), но в основе брожения лежит не гликолиз, а путь Энтнера - Дудорова или КДФГ-путь.
Основные продуценты спирта - дрожжи (пивоварение, виноделие, ферментные препараты, витамины группы В, нуклеиновые кислоты, белково-витаминные концентраты, пробиотические препараты).

ПРОПИОНОВОЕ БРОЖЕНИЕ

В пропионовокислом брожении мы имеем дело с реализацией третьей возможности превращения пирувата — его карбоксилированием, приводящим к возникновению нового акцептора водорода — ЩУК. Восстановление пировиноградной кислоты в пропионовую у пропионовокислых бактерий протекает следующим образом. Пировиноградная кислота карбоксилируется в реакции, катализируемой биотинзависимым ферментом, у которого биотин выполняет функцию переносчика CO2. Донором CO2-группы служит метилмалонил-КоА. В результате реакции транскарбоксилирования образуются ЩУК и пропионил-КоА. ЩУК в результате трех ферментативных этапов (аналогичных реакциям 6, 7, 8 цикла трикарбоновых кислот, превращается в янтарную кислоту.
Следующая реакция заключается в переносе КоА-группы с пропионил-КоА на янтарную кислоту (сукцинат), в результате чего образуется сукцинил-КоА и пропионовая кислота.
Образовавшаяся пропионовая кислота выводится из процесса и накапливается вне клетки. Сукцинил-КоА превращается в метилмалонил-КоА.
В состав кофермента метилмалонил-КоА-мутазы входит витамин B12.

Энергетический баланс на 1 молекулу глюкозы образуется 2 молекулы пропионовой кислоты и 4 молекулы АТФ.
Бактерии р.Propionibacterium - это Г+ палочки, неспорообразующие, неподвижные, размножаются бинарным делением, являются аэротолерантными микроорганизмами. У них есть механизм защиты от токсического действия кислорода, некоторые могут осуществлять дыхание.
Экология: встречаются в молоке, кишечнике жвачных животных. Промышленный интерес: продуценты В12 и пропионовой кислоты.

МАСЛЯНОКИСЛОЕ БРОЖЕНИЕ

При маслянокислом брожении пируват декарбоксилируется и присоединяется к КоА - образуется ацетил-КоА. Далее происходит конденсация: 2 молекулы ацетил-КоА конденсируются с образованием С4-соединения ацето-ацетил-КоА, который выступает акцептором продукции Н2.

Пути превращения пирувата в маслянокислом брожении, осуществляемом Clostridium butyricum: Ф1 — пируват:ферредоксиноксидоредуктаза; Ф2 — ацетил-КоА-трансфераза (тиолаза); Ф3 — (3-оксибутирил-КоА-дегидрогеназа; Ф4 — кротоназа; Ф5 — бутирил-КоА-дегидрогеназа; Ф6 — КоА-трансфераза; Ф7 — фосфотрансацетилаза; Ф8 — ацетаткиназа; Ф9 — гидрогеназа; Фдок — окисленный; Фд-H2 — восстановленный ферредоксин; ФН — неорганический фосфат

Далее С4 соединени проходя через ряд последовательных превращений образует масляную кислоту. Этот восстановительный путь не связан с образованием энергии и создан исключительно для утилизации восстановителя. Параллельно существует вторая окислительная ветвь, которая приводит к образоваию из пирувата уксусной кислоты и на этом участке имеет место субстратное фосфорилирование, что обуславливает синтез АТФ.
Энергетический баланс рассчитать сложно, поскольку направление реакций определяется внешними факторами, а также питательной средой:
1 мол. глюкозы→≈3,3 АТФ
Маслянокислое брожение осуществляют бактерии р.Clostridium - это Г+ палочки, подвижные, спорообразующие (эндоспоры d>dкл), являются исключительно анаэробными культурами. Движение осуществляют за счет перетрихиально расположенных жгутиков. По мере старения клетки теряют жгутики и накапливают гранулёзу (крахмалоподобное вещество). По способности збраживать субстрат разделяются на 2 типа:
сахаролитические (расщепляют сахара, полисахариды, крахмал, хитин);
протеолитические (имеют мощный комплекс протеолитических ферментов, расщепляют белки).
Клостридии осуществляют не только масляно-кислое брожение, но и ацетонобутиловое. Продуктами этого вида брожения на ряду с масляной кислотой и ацетатом могут быть: этанол, ацетон, бутиловый спирт, изопропиловый спирт.

АЦЕТОНОБУТИЛОВОЕ БРОЖЕНИЕ

При ацетонобутиловом брожении продуценты в молодом возрасте (логарифмическая фаза роста) осуществляют брожение по типу маслянокислого. По мере снижения рН и накопления кислых продуктов индуцируется синтез ферментов, приводит к накоплению нейтральных продуктов (ацетон, изопропиловый, бутиловый, этиловый спирты). Изучая процесс ацетонобутилового брожения русский ученый Шапошников показал, что оно проходит 2 фазы и в основе 2х фазности процесса лежит связь между конструктивным и энергетическим метаболизмом. Первая фаза характеризуется активным ростом культуры и интенсивным конструктивным метаболизмом, по этому в этот период происходит отток восстановителя НАД∙Н2 на биосинтетические нужды. При затухании роста культуры и переходе ее во вторую фазу уменьшается потребность в конструктивных процессах, что приводит к образоваию более восстановлеых форм - спиртов.
Практическое применение Clostridium:
производство масляной кислоты;
производство ацетона;
производство бутанола.
Бактерии играют огромную роль в природе: осуществляют гниение, анаэробное гниение клетчатки и хитина (некоторые расщепляют пектиновые волокна). Среди Clostridium имеются патогенны (возбудители ботулизма - выделяют крайне опасный экзотоксин; возбудители газовой гангрены; столбняка).

Первичным источником энергии организмов является Солнце. Кванты света поглощаются хлорофиллом, содержащимся в хлоро- пластах зеленых клеток растений, и накапливаются в виде энергии химических связей органических веществ - продуктов фотосинтеза. Гетеротрофные клетки растений и животных получают энергию из различных органических веществ (углеводов, жиров и белков), синтезируемых автотрофными клетками. Живые существа, способные использовать световую энергию, называют фототрофами, а энергию химических связей - хемотрофами .

Процесс потребления энергии и вещества называется питанием. Известны два способа питания: голозойный - посредством захвата частиц пищи внутрь тела и голофитный - без захвата, посредством всасывания растворенных пищевых веществ через поверхностные структуры организма. Пищевые вещества, попавшие в организм, вовлекаются в процессы метаболизма. Дыханием можно назвать процесс, в котором окисление органических веществ ведет к выделению энергии. Внутреннее, тканевое или внутриклеточное дыхание протекает в клетках. Большинство организмов характеризуется аэробным дыханием, для которого необходим кислород (рис. 8.4). У анаэробов, обитающих в среде, лишенной кислорода (бактерии), или у аэробов при его недостатке диссимиляция протекает по типу брожения (анаэробного дыхания). Основными веществами, расщепляющимися в процессе дыхания, являются углеводы - резерв первого порядка. Липиды представляют резерв второго порядка, и лишь в том случае, когда запасы углеводов и липидов исчерпаны, для дыхания используются белки - резерв третьего порядка. В процессе дыхания происходит передача электронов по системе взаимосвязанных молекул-переносчиков: потеря электронов молекулой называется окислением, присоединение электронов к молекуле (акцептору) - восстановлением, освобождающаяся при этом энергия запасается в макроэргических связях молекулы АТФ. Один из наиболее распространенных акцепторов в биосистемах - кислород. Энергия освобождается небольшими порциями, главным образом в электронно-транспортной цепи.

Энергетический обмен, или диссимиляция, представляет собой совокупность реакций расщепления органических веществ, сопровождающихся выделением энергии. В зависимости от среды обитания единый процесс энергетического обмена можно условно разделить на несколько последовательных этапов. У большинства живых организмов - аэробов, живущих в кислородной среде, в ходе диссимиляции осуществляется три этапа: подготовительный, бескислородный и кислородный, в процессе которых органические вещества распадаются до неорганических соединений.

Рис. 8.4.

Первый этап. В пищеварительной системе многоклеточных органические вещества пищи под действием соответствующих ферментов расщепляются на простые молекулы: белки - на аминокислоты, полисахариды (крахмал, гликоген) - на моносахариды (глюкозу), жиры - на глицерин и жирные кислоты, нуклеиновые кислоты - на нуклеотиды и т.д. У одноклеточных внутриклеточное расщепление происходит под действием гидролитических ферментов лизосом. В ходе пищеварения выделяется небольшое количество энергии, которая рассеивается в виде тепла, а образовавшиеся небольшие органические молекулы могут подвергнуться дальнейшему расщеплению (диссимиляции) или использоваться клеткой как «строительный материал» для синтеза собственных органических соединений (ассимиляции).

Второй этап - бескислородный, или брожение, осуществляется в цитоплазме клетки. Образовавшиеся на подготовительном этапе вещества - глюкоза, аминокислоты и др. - подвергаются дальнейшему ферментативному распаду без использования кислорода. Основным источником энергии в клетке является глюкоза. Бескислородное, неполное расщепление глюкозы (гликолиз) - многоступенчатый процесс расщепления глюкозы до пировиноградной кислоты (П В К), а затем до молочной, уксусной, масляной кислот или этилового спирта, происходящий в цитоплазме клетки. В ходе реакций гликолиза выделяется большое количество энергии - 200 кДж/моль. Часть этой энергии (60%) рассеивается в виде теплоты, остальное (40%) используется на синтез АТФ. Продуктами гликолиза являются пировиноградная кислота, водород в форме НАД Н (никотинамидадениндинуклеотид) и энергия в форме АТФ.

Суммарная реакция гликолиза имеет следующий вид:

При разных видах брожения дальнейшая судьба продуктов гликолиза различна. В клетках животных, испытывающих временный недостаток кислорода, например в мышечных клетках человека при чрезмерной физической нагрузке, а также у некоторых бактерий происходит молочнокислое брожение, при котором ПВК восстанавливается до молочной кислоты:

Известное всем молочнокислое брожение (при скисании молока, образовании сметаны, кефира и т.д.) вызывается молочнокислыми грибками и бактериями. При спиртовом брожении (растения, некоторые грибы, пивные дрожжи) продуктами гликолиза являются этиловый спирт и СО2. У других организмов продуктами брожения могут быть бутиловый спирт, ацетон, уксусная кислота и т.д.

Третий этап энергетического обмена - полное окисление, или аэробное дыхание, происходит в митохондриях. В ходе цикла три- карбоновых кислот (цикла Кребса) от ПВК отщепляется С0 2 , а двухуглеродный остаток присоединяется к молекуле коэнзима А с образованием ацетилкоэнзима А, в молекуле которого запасается энергия

(ацетил-КоА образуется также при окислении жирных кислот и некоторых аминокислот). В последующем циклическом процессе (рис. 8.4) происходят взаимопревращения органических кислот, в результате из одной молекулы ацетилкоэнзима А образуются две молекулы СО2, четыре пары атомов водорода, переносимые НАДН 2 и ФАДН 2 (фла- винадениндинуклеотидом), и две молекулы АТФ. В дальнейших процессах окисления важную роль играют белки - переносчики электронов. Они транспортируют атомы водорода к внутренней мембране митохондрий, где передают их по цепи встроенных в мембрану белков. Транспорт частиц по цепи переноса осуществляется таким образом, что протоны остаются на внешней стороне мембраны и накапливаются в межмембранном пространстве, превращая его в Н+-резервуар, а электроны передаются на внутреннюю поверхность внутренней митохондриальной мембраны, где соединяются в конечном итоге с кислородом:

В результате внутренняя мембрана митохондрий изнутри заряжается отрицательно, а снаружи - положительно. Когда разность потенциалов на мембране достигает критического уровня (200 мВ), положительно заряженные частицы Н+ силой электрического поля начинают проталкиваться через канал АТФазы (фермента, встроенного во внутреннюю мембрану митохондрий) и, оказавшись на внутренней поверхности мембраны, взаимодействуют с кислородом, образуя воду. Процесс на этом этапе сопряжен с окислительным фосфорилированием - присоединением к АДФ неорганического фосфата и образованием АТФ. Приблизительно 55% энергии запасается в химических связях АТФ, а 45% - рассеивается в виде теплоты.

Суммарные реакции клеточного дыхания:

Энергия, высвобождающаяся при распаде органических веществ, не сразу используется клеткой, а запасается в форме высокоэнергетических соединений, как правило, в форме аденозинтрифосфата (АТФ). По своей химической природе АТФ относится к мононуклеотидам и состоит из азотистого основания аденина, углевода рибозы и трех остатков фосфорной кислоты, соединяющихся между собой макроэр- гическими связями (30,6 кДж).

Энергия, высвобождающаяся при гидролизе АТФ, используется клеткой для совершения химической, осмотической, механической и других видов работ. АТФ является универсальным источником энергообеспечения клетки. Запас АТФ в клетке ограничен и пополняется благодаря процессу фосфорилирования, происходящему с разной интенсивностью при дыхании, брожении и фотосинтезе.

Опорные точки

• Метаболизм складывается из двух тесно взаимосвязанных и противоположно направленных процессов: ассимиляции и диссимиляции.
• Подавляющее большинство процессов жизнедеятельности, протекающих в клетке, требуют затрат энергии в виде АТФ.
• Расщепление глюкозы у аэробных организмов, при котором за бескислородным этапом следует расщепление молочной кислоты с участием кислорода, в 18 раз более эффективно с энергетической точки зрения, чем анаэробный гликолиз.

Вопросы и задания для повторения

• 1. Что такое диссимиляция? Охарактеризуйте этапы этого процесса. В чем заключается роль АТФ в обмене веществ в клетке?
• 2. Расскажите об энергетическом обмене в клетке на примере расщепления глюкозы.
• 3. Какие организмы называют гетеротрофными? Приведите примеры.
• 4. Где, в результате каких преобразований молекул и в каком количестве образуется АТФ у живых организмов?
• 5. Какие организмы называют автотрофными? На какие группы подразделяют автотрофов?

При спиртовом брожении помимо основных продуктов - спир­та и СО 2 , из сахаров возникает множество других, так называе­мых вторичных продуктов брожения. Из 100 г С 6 Н 12 О 6 образует­ся 48,4 г этилового спирта, 46,6 г диоксида углерода, 3,3 г глице­рина, 0,5 г янтарной кислоты и 1,2 г смеси молочной кислоты, ацетальдегида, ацетоина и других органических соединений.

Наряду с этим дрожжевые клетки в период размножения и логарифмического роста потребляют из виноградного сусла ами­нокислоты, необходимые для построения собственных белков. При этом образуются побочные продукты брожения, главным об­разом высшие спирты.

В современной схеме спиртового брожения насчитывается 10-12 фаз биохимических превращений гексоз под действием комплекса ферментов дрожжей. В упрощенном виде можно вы­делить три этапа спиртового брожения.

I этап - фосфорилирование и распад гексоз. На этом этапе протекает несколько реакций, в результате которых гексоза пре­вращается в триозофосфат:

АТФ → АДФ

Главную роль в передаче энергии в биохимических реакциях играют АТФ (аденозинтрифосфат) и АДФ (аденозиндифосфат). Они входят в состав ферментов, аккумулируют большое коли­чество энергии, необходимой для осуществления жизненных про­цессов, и представляют собой аденозин - составную часть ну­клеиновых кислот - с остатками фосфорной кислоты. Вначале образуется адениловая кислота (монофосфат аденозина, или аденозинмонофосфат - АМФ):

Если обозначить аденозин буквой А, то строение АТФ может быть представлено в следующем виде:

А-О-Р-О ~ Р - О ~ Р- ОН

Значком с ~ обозначены так называемые макроэргические фосфатные связи, чрезвычайно богатые энергией, которая выде­ляется при отщеплении остатков фосфорной кислоты. Передача энергии с АТФ на АДФ может быть представлена следующей схе­мой:

Выделяющаяся энергия используется дрожжевыми клетками для обеспечения жизненных функций, в частности их размноже­ния. Первым актом выделения энергии и является образование фосфорных эфиров гексоз - фосфорилирование их. Присоедине­ние к гексозам остатка фосфорной кислоты от АТФ происходит под действием фермента фосфогексокиназы, поставляемого дрожжами (молекулу фосфата обозначим буквой Р):

Глюкоза Глюкозо-6-фосфат фруктозо-1,6-фосфат

Как видно из приведенной схемы, фосфорилирование проис­ходит дважды, причем фосфорный эфир глюкозы под действием фермента изомеразы обратимо превращается в фосфорный эфир фруктозы, имеющий симметричное фурановое кольцо. Симмет­ричное расположение остатков фосфорной кислоты по концам молекулы фруктозы облегчает ее последующий разрыв как раз в середине. Распад гексозы на две триозы катализирует фермент альдолаза; в результате распада образуется неравновесная смесь 3-фосфоглицеринового альдегида и фосфодиоксиацетона:

Фосфоглицери-новый альдегид (3,5 %) Фосфодиокси-ацетон (96,5 %)

В дальнейших реакциях участвует только 3-фосфоглицерино­вый альдегид, содержание которого постоянно пополняется под действием фермента изомеразы на молекулы фосфодиоксиацетона.

ІІ этап спиртового брожения - образование пировиноградной кислоты. На втором этапе триозофосфат в виде 3-фосфоглицеринового альдегида под действием окислительного фермента дегидрогеназы окисляется в фосфоглицериновую кислоту, а она при участии соответствую­щих ферментов (фосфоглицеромутазы и энолазы) и системы ЛДФ - АТФ превращается в пировиноградную кислоту:

Вначале каждая молекула 3-фосфоглицеринового альдегида присоединяет к себе еще один остаток фосфорной кислоты (за счет молекулы неорганического фосфора) и образуется 1,3-дифосфоглицериновый альдегид. Затем в анаэробных условиях про­исходит его окисление в 1,3-дифосфоглицериновую кислоту:

Активной группой дегидрогеназы является кофермент сложного органического строения НАД (никотинамидадениндинуклеотид), фиксирующий своим никотинамидным ядром два атома водорода:

НАД+ + 2Н+ + НАД Н2

НАД окисленный НАД восстановленный

Окисляя субстрат, кофермент НАД становится обладателем свободных ионов водорода, что придает ему высокий восстано­вительный потенциал. Поэтому бродящее сусло всегда характеризуется высокой восстанавливающей способностью, что имеет большое практическое значение в виноделии: понижается рН среды, восстанавливаются временно окисленные вещества, погибают патогенные микроорганизмы.

В заключительной фазе II этапа спиртового брожения фермент фосфотрансфераза дважды катализирует перенос остатка фосфорной кислоты, а фосфоглицеромутаза перемещает его от 3-го угле­родного атома ко 2-му, открывая возможность ферменту энолазе образовать пировиноградную кислоту:

1,3-Дифосоглицериновая кислота 2-Фосфогглицериновая кислота Пировиноградная кислота

В связи с тем что из одной молекулы дважды фосфорилированной гексозы (израсходовано 2 АТФ) получаются две молеку­лы дважды фосфорилированных триоз (образовано 4 АТФ), чи­стым энергетическим балансом ферментативного распада саха­ров является образование 2 АТФ. Эта энергия обеспечивает жиз­ненные функции дрожжей и вызывает повышение температуры бродящей среды.

Все реакции, предшествующие образованию пировиноградной кислоты, присущи как анаэробному сбраживанию сахаров, так и дыханию простейших организмов и растений. III этап име­ет отношение только к спиртовому брожению.

III этап спиртового брожения - образование этилового спирта. На заключитель­ном этапе спиртового брожения пировиноградная кислота под действием фермента декарбоксилазы декарбоксилируется с об­разованием ацетальдегида и диоксида углерода, а с участием фермента алкогольдегидрогеназы и кофермента НАД-Н2 проис­ходит восстановление ацетальдегида в этиловый спирт:

Пировиноградная кислота Ацетилальдегид Этиловый спирт

Если в бродящем сусле есть избыток свободной сернистой кислоты, то часть ацетальдегида связывается в альдегидсернистое соединение: в каждом литре сусла 100 мг Н2SO3 связывают 66 мг СН3СОН.

Впоследствии при наличии кислорода это нестойкое соедине­ние распадается, и в виноматериале обнаруживают свободный ацетальдегид, что особенно нежелательно для шампанских и сто­ловых виноматериалов.

В сжатом виде анаэробное превращение гексозы в этиловый спирт может быть представлено следующей схемой:

Как видно из схемы спиртового брожения, сперва образуются фосфорные эфиры гексоз. При этом молекулы глюкозы и фруктозы под действием фермента гексокеназы присоединяют остаток фосфорной кислоты от аденозиттрифосфата (АТФ), при этом образуется глюкоза-6-фосфат и аденозитдифосфат (АДФ).

Глюкоза-6-фосфат под действием фермента изомеразы превращается в фруктозу-6-фосфат, присоединяющий еще один остаток фосфорной кислоты из АТФ и образующий фруктозу-1,6-дифосфат. Эта реакция катализируется фосфофруктокиназой. Образованием этого химического соединения заканчивается первая подготовительная стадия анаэробного распада сахаров.

В результате этих реакций молекула сахара переходит в оксиформу, приобретает большую лабильность и становится более способной к ферментативным преобразованиям.

Под влиянием фермента альдолазы фруктоза-1, 6-дифосфат расщепляется на глицеринальдегидофосфорную и диоксиацетонофосфорную кислоты, способные превращаться одна в одну под действием фермента триозофосфатизомеразы. Дальнейшему преобразованию подвергается фосфоглицериновый альдегид, которого образуется приблизительно 3 % по сравнению с 97 % фосфодиоксиацетона. Фосфодиоксиацетон, по мере использования фосфоглицеринового альдегида, превращается под действием изомеразы фосфотриоз в 3-фосфоглицериновый альдегид.

На второй стадии 3-фосфоглицериновый альдегид присоединяет еще один остаток фосфорной кислоты (за счет неорганического фосфора) с образованием 1, 3-дифосфоглицеринового альдегида, который дегидруется под действием триозофосфатдегидрогеназы и дает 1, 3-дифосфоглицериновую кислоту. Водород, в этом случае, переносится на окисленную форму кофермента НАД. 1, 3-дифосфоглицериновая кислота, отдавая АДФ (под действием фермента фосфоглицераткеназы) один остаток фосфорной кислоты, превращается в 3-фосфоглицериновую кислоту, которая под действием фермента фосфоглицеромутазы превращается в 2-фосфоглицериновую кислоту. Последняя, под действием фосфопируватгидротазы, превращается в фосфоэнолпировиноградную кислоту. Дальше, при участии фермента пируваткеназы, фосфоэнолпировиноградная кислота передает остаток фосфорной кислоты молекуле АДФ, в результате чего образуется молекула АТФ и молекула энолпировиноградной кислоты переходит в пировиноградную кислоту.

Третья стадия спиртового брожения характеризуется расщеплением пировиноградной кислоты под действием фермента пируватдекарбоксилазы на диоксид углерода и уксусный альдегид, который под действием фермента алкогольдегидрогеназы (коферментом ее является НАД) восстанавливается в этиловый спирт.

Суммарное уравнение спиртового брожения может быть представлено так :

С6Н12О6 + 2Н3РО4 + 2АДФ → 2С2Н5ОН + 2СО2 + 2АТФ + 2Н2О

Таким образом, при брожении происходит преобразование одной молекулы глюкозы в две молекулы этанола и две молекулы диоксида углерода.

Но указанный ход брожения не единственный. Если, например, в субстрате нет фермента пируватдекарбоксилазы, то не происходит расщепление пировиноградной кислоты до уксусного альдегида и восстановлению подвергается непосредственно пировиноградная кислота, превращаясь в молочную кислоту в присутствии лактатдегидрогеназы.

В виноделии брожение глюкозы и фруктозы происходит в присутствии бисульфита натрия. Уксусный альдегид, образующийся при декарбоксилировании пировиноградной кислоты, удаляется в результате связывания бисульфитом. Место уксусного альдегида занимают диоксиацетонфосфат и 3-фосфоглицериновый альдегид, они получают водород от восстановленных химических соединений, образуя глицерофосфат, который превращается в результате дефосфорилирования в глицерин. Это вторая форма брожения по Нейбергу. По этой схеме спиртового брожения происходит накопление глицерина и уксусного альдегида в виде бисульфитной производной.

Вещества, образующиеся при брожении.

В настоящее время в продуктах брожения найдено около 50 высших спиртов, которые обладают разнообразными запаха­ми и существенно влияют на аромат и букет вина. В наиболь­ших количествах при брожении образуются изоамиловый, изобутиловый и N-пропиловый спирты. В мускатных игристых и столовых полусладких винах, получаемых путем так называемого биологического азотопонижения, в большом количестве (до 100 мг/дм3) найдены ароматические высшие спирты β-фенилэтанол (ФЭС), тирозол, терпеновый спирт фарнезол, обладающие ароматом розы, ландыша, цветов липы. Их присутствие в неболь­шом количестве желательно. Кроме того, при выдержке вина высшие спирты вступают в этерификацию с летучими кислотами и образуют сложные эфиры, придающие вину благоприятные эфирные тона зрелости букета.

В дальнейшем было доказано, что основная масса алифатических высших спиртов образуется из пировиноградной кислоты путем переаминирования и непосредственного биосинтеза с участием аминокислот и ацетальдегида. Но наиболее ценные ароматические высшие спирты образуются только из соответствующих аминокислот ароматического ряда, например:

Образование высших спиртов в вине зависит от многих факторов. В нормальных условиях их накапливается в среднем 250 мг/дм3. При медленном длительном брожении количество высших спиртов возрастает, при повышении температуры брожения до 30 °С - уменьшается. В условиях поточного непрерывно брожения размножение дрожжей очень ограничено и высших спиртов образуется меньше, чем при периодическом способе брожения.

При уменьшении количества дрожжевых клеток в результате охлаждения, отстаивания и грубой фильтрации забродившего сусла происходит медленное накопление биомассы дрожжей и одновременно растет количество высших спиртов, прежде всего ароматического ряда.

Повышенное количество высших спиртов нежелательно для столовых белых сухих, шампанских и коньячных виноматериалов, однако придает многообразие оттенков в аромате и вкусе красным столовым, игристым и крепким винам.

Спиртовое брожение виноградного сусла связано также с образованием высокомолекулярных альдегидов и кетонов, летучих и жирных кислот и их эфиров, имеющих значение в формировании букета и вкуса вина.

Энергетический обмен (катаболизм, диссимиляция) — совокупность реакций расщепления органических веществ, сопровождающихся выделением энергии. Энергия, освобождающаяся при распаде органических веществ, не сразу используется клеткой, а запасается в форме АТФ и других высокоэнергетических соединений. АТФ — универсальный источник энергообеспечения клетки. Синтез АТФ происходит в клетках всех организмов в процессе фосфорилирования — присоединения неорганического фосфата к АДФ.

У аэробных организмов (живущих в кислородной среде) выделяют три этапа энергетического обмена: подготовительный, бескислородное окисление и кислородное окисление; у анаэробных организмов (живущих в бескислородной среде) и аэробных при недостатке кислорода — два этапа: подготовительный, бескислородное окисление.

Подготовительный этап

Заключается в ферментативном расщеплении сложных органических веществ до простых: белковые молекулы — до аминокислот, жиры — до глицерина и карбоновых кислот, углеводы — до глюкозы, нуклеиновые кислоты — до нуклеотидов. Распад высокомолекулярных органических соединений осуществляется или ферментами желудочно-кишечного тракта или ферментами лизосом. Вся высвобождающаяся при этом энергия рассеивается в виде тепла. Образовавшиеся небольшие органические молекулы могут быть использованы в качестве «строительного материала» или могут подвергаться дальнейшему расщеплению.

Бескислородное окисление, или гликолиз

Этот этап заключается в дальнейшем расщеплении органических веществ, образовавшихся во время подготовительного этапа, происходит в цитоплазме клетки и в присутствии кислорода не нуждается. Главным источником энергии в клетке является глюкоза. Процесс бескислородного неполного расщепления глюкозы — гликолиз .

Потеря электронов называется окислением, приобретение — восстановлением, при этом донор электронов окисляется, акцептор восстанавливается.

Следует отметить, что биологическое окисление в клетках может происходить как с участием кислорода:

А + О 2 → АО 2 ,

так и без его участия, за счет переноса атомов водорода от одного вещества к другому. Например, вещество «А» окисляется за счет вещества «В»:

АН 2 + В → А + ВН 2

или за счет переноса электронов, например, двухвалентное железо окисляется до трехвалентного:

Fe 2+ → Fe 3+ + e — .

Гликолиз — сложный многоступенчатый процесс, включающий в себя десять реакций. Во время этого процесса происходит дегидрирование глюкозы, акцептором водорода служит кофермент НАД + (никотинамидадениндинуклеотид). Глюкоза в результате цепочки ферментативных реакций превращается в две молекулы пировиноградной кислоты (ПВК), при этом суммарно образуются 2 молекулы АТФ и восстановленная форма переносчика водорода НАД·Н 2:

С 6 Н 12 О 6 + 2АДФ + 2Н 3 РО 4 + 2НАД + → 2С 3 Н 4 О 3 + 2АТФ + 2Н 2 О + 2НАД·Н 2 .

Дальнейшая судьба ПВК зависит от присутствия кислорода в клетке. Если кислорода нет, у дрожжей и растений происходит спиртовое брожение, при котором сначала происходит образование уксусного альдегида, а затем этилового спирта:

1. С 3 Н 4 О 3 → СО 2 + СН 3 СОН,
2. СН 3 СОН + НАД·Н 2 → С 2 Н 5 ОН + НАД + .

У животных и некоторых бактерий при недостатке кислорода происходит молочнокислое брожение с образованием молочной кислоты:

С 3 Н 4 О 3 + НАД·Н 2 → С 3 Н 6 О 3 + НАД + .

В результате гликолиза одной молекулы глюкозы высвобождается 200 кДж, из которых 120 кДж рассеивается в виде тепла, а 80% запасается в связях АТФ.

Кислородное окисление, или дыхание

Заключается в полном расщеплении пировиноградной кислоты, происходит в митохондриях и при обязательном присутствии кислорода.

Пировиноградная кислота транспортируется в митохондрии (строение и функции митохондрий — лекция №7). Здесь происходит дегидрирование (отщепление водорода) и декарбоксилирование (отщепление углекислого газа) ПВК с образованием двухуглеродной ацетильной группы, которая вступает в цикл реакций, получивших название реакций цикла Кребса. Идет дальнейшее окисление, связанное с дегидрированием и декарбоксилированием. В результате на каждую разрушенную молекулу ПВК из митохондрии удаляется три молекулы СО 2 ; образуется пять пар атомов водорода, связанных с переносчиками (4НАД·Н 2 , ФАД·Н 2), а также одна молекула АТФ.

Суммарная реакция гликолиза и разрушения ПВК в митохондриях до водорода и углекислого газа выглядит следующим образом:

С 6 Н 12 О 6 + 6Н 2 О → 6СО 2 + 4АТФ + 12Н 2 .

Две молекулы АТФ образуются в результате гликолиза, две — в цикле Кребса; две пары атомов водорода (2НАДЧН2) образовались в результате гликолиза, десять пар — в цикле Кребса.

Последним этапом является окисление пар атомов водорода с участием кислорода до воды с одновременным фосфорилированием АДФ до АТФ. Водород передается трем большим ферментным комплексам (флавопротеины, коферменты Q, цитохромы) дыхательной цепи, расположенным во внутренней мембране митохондрий. У водорода отбираются электроны, которые в матриксе митохондрий в конечном итоге соединяются с кислородом:

О 2 + e — → О 2 — .

Протоны закачиваются в межмембранное пространство митохондрий, в «протонный резервуар». Внутренняя мембрана непроницаема для ионов водорода, с одной стороны она заряжается отрицательно (за счет О 2 —), с другой — положительно (за счет Н +). Когда разность потенциалов на внутренней мембране достигает 200 мВ, протоны проходят через канал фермента АТФ-синтетазы, образуется АТФ, а цитохромоксидаза катализирует восстановление кислорода до воды. Так в результате окисления двенадцати пар атомов водорода образуется 34 молекулы АТФ.

1. Могут ли фото- и хемосинтезирующие организмы получать энергию благодаря окислению органики ? Конечно, могут. Для растений и хемосинтетиков характерно окисление, им ведь нужна энергия! Однако автотрофы будут окислять те вещества, которые они сами синтезировали.

2. Зачем аэробным организмам кислород ? Какова роль биологического окисления? Кислород явялется конечным акцептором электронов , которые приходят с более высоких энергетических уровней окисляемых веществ. В ходе этого процесса электроны высвобождают значительное количество энергии , и роль окисления именно в этом! Окисление - это потеря электронов или атома водорода, восстановление - их присоединение.

3. В чем разница горения и биологического окисления? В результате горения вся энергия полностью выделяется в виде тепла . Но при окислении всё сложнее: только 45 процентов энергии тоже выделяется в виде тепла и расходуется для поддержания нормальной температуры тела. Но 55 процентов - в виде энергии АТФ и прочих биологических аккумуляторов. Следовательно, большая часть энергии все же идет на создание высокоэнергетических связей .

Этапы энергетического обмена

1. Подготовительный этап характеризуется расщеплением полимеров до мономеров (полисахариды превращаются в глюкозу, белки в аминокислоты), жиров до глицерина и жирных кислот. На данном этапе выделяется некоторое количество энергии в виде тепла. Процесс протекает в клетке в лизосомах , на уровне организма - в пищеварительной системе . Вот почему после начала процесса пищеварения температура тела повышается.

2. Гликолиз , или бескислородный этап - происходит неполное окисление глюкозы.

3. Кислородный этап - окончательное расщепление глюкозы.

Гликолиз

1. Гликолиз идет в цитоплазме. Глюкоза С 6 H 12 О 6 расщепляется до ПВК (пировиноградной кислоты) С 3 H 4 О 3 - на две трехуглеродные молекулы ПВК. Здесь участвуют 9 разных ферментов.

1) При этом у двух молекул ПВК на 4 атома водорода меньше, чем у глюкозы С 6 H 12 О 6 , С 3 H 4 О 3 - ПВК (2 молекулы - С 6 H 8 O 6).

2) Куда расходуются 4 атома водорода? За счет 2 атомов восстанавливаются 2 атома НАД+ в два НАД H . За счет других 2 атомов водорода ПВК сможет превратиться в молочную кислоту С 3 H 6 О 3 .

3) А за счет энергии электронов, перенесенных с высоких энергетических уровней глюкозы на более низкий уровень НАД+, синтезируются 2 молекулы АТФ из АДФ и фосфорной кислоты.

4) Часть энергии растрачивается в виде тепла .

2. Если кислород в клетке отсутствует, или его мало, то 2 молекулы ПВК восстанавливаются за счет двух НАДH до молочной кислоты : 2С 3 H 4 О 3 + 2НАДH + 2H+ = 2С 3 H 6 О 3 (молочная кислота) + 2HАД+. Присутствие молочной кислоты является причиной боли в мышцах при нагрузках и недостатке кислорода. После активной нагрузки кислота отправляется в печень, где от нее отщепляется водород, то есть она снова превращается в ПВК. Эта ПВК может уйти в митохондрии для полного расщепления и образования АТФ. Часть АТФ расходуется и на то, чтобы превратить большую часть ПВК снова в глюкозу путем обращения гликолиза. Глюкоза с кровью пойдет в мышцы и будет храниться в виде гликогена .

3. В результате бескислородного окисления глюкозы создается всего 2 молекулы АТФ .

4. Если в клетке уже есть, или начинает в нее поступать кислород , ПВК уже не может восстановиться до молочной кислоты, а отправляется в митохондрии, где идет ее полное окисление до С O 2 и H 2 О .

Брожение

1. Брожение - это анаэробный (бескислородный) метаболический распад молекул различных питательных веществ, например, глюкозы.

2. Спиртовое, молочнокислое, маслянокислое, ускуснокислое брожение идет в анаэробных условиях в цитоплазме. По сути, как процесс брожение соответствует гликолизу.

3. Спиртовое брожение специфично для дрожжей, некоторых грибов, растений, бактерий, которые в бескислородных условиях переходят на брожение.

4. Для решения задач важно знать, что в каждом случае при брожении из глюкозы выделяется 2 АТФ, спирт, либо кислоты - масляная, уксусная, молочная. При спиртовом (и маслянокислом) брожении из глюкозы выделяются не только спирт, АТФ, но и углекислый газ.

Кислородный этап энергетического обмена включает в себя две стадии.

1. Цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса).

2. Окислительное фосфорилирование.