Брожение. 
Основы микробиологии

Брожение — окислительно-восстановительный процесс, приводящий к образованию АТФ, в котором окислителем и восстановителем служат органические соединения, образующиеся в ходе самого брожения.

При брожении субстрат разлагается до конечных продуктов, причем суммарная степень окисления продуктов та же, что и степень окисления сбраживаемых веществ. Необходимость точного окислительно-восстановительного равновесия обусловливает ограничение соединений, которые могут подвергаться брожению: такие соединения не должны быть ни слишком сильно восстановленными, ни слишком сильно окисленными. Чаще всего при брожении микроорганизмы используют углеводы, некоторые органические кислоты, аминокислоты, пурины и пиримидины. Образование АТФ во время брожения идет путем фосфорилирования на уровне субстрата.

Брожение вызывают облигатные или факультативные анаэробы, и оно, как правило, может осуществляться только в строго анаэробных условиях. Как установил в 1860 г. Л. Пастер, брожение — это жизнь без кислорода. Согласно современным представлениям живые организмы возникли в то время, когда кислорода в атмосфере Земли не было. Поэтому брожение необходимо рассматривать как простейшую форму биологического окисления, которое обеспечивает получение необходимой для жизни энергии в анаэробных условиях.

Известно много типов брожения. Каждый из них дает специфические конечные продукты и свойствен отдельной группе микроорганизмов. Многие виды брожения играют важную роль в хозяйственной деятельности человека.

Брожение схематично можно представить в две стадии. Первая стадия — превращение глюкозы в пируват — включает разрыв углеродной цепи глюкозы и отщепление двух пар атомов водорода. Данная стадия составляет окислительную часть брожения и может быть изображена следующим образом:

На второй, восстановительной, стадии атомы водорода используются для восстановления пирувата или образованных из него соединений. Например, при молочнокислом брожении пируват восстанавливается в лактат:

При других бродильных процессах (спиртовом, маслянокислом и т. д.) вторая стадия протекает иначе (см. ниже).

Образование пирувата из углеводов совершается как серия последовательных реакций. Это катаболические реакции, общие для брожения и аэробного дыхания. У микроорганизмов известно три пути образования пирувата из углеводов. Первый путь сначала был обнаружен у дрожжей и в мышцах животных, затем у бактерий; он присущ облигатным и факультативным анаэробам. Этот путь известен как путь Эмбдена — Мейергофа — Парнаса, или фруктозобисфосфатный путь; его называют также гликолизом. Второй путь известен как окислительный пентозофосфатный, или гексозомонофосфатный, или схема Варбурга — Диккенса — Хореккера; осуществляется у многих микроорганизмов, как прокариот, так и эукариот. Третий путь называют путь Эйтнера — Дудорова, или КДФГ-путъ (2-кето-3-дезокси-6- фосфоглюконат-путь); найден только у отдельных групп микроорганизмов, в основном у анаэробных бактерий.

Путь Эмбдена — Мейергофа — Парнаса, или гликолиз. Представляет собой ряд реакций, каждую из которых катализирует специфический фермент. Гликолитические реакции в микробной клетке начинаются с фосфорилирования глюкозы (в форме фосфатов сахара более реакционноспособны). При этом происходит взаимодействие глюкозы с АТФ под влиянием фермента гексокиназы с образованием глюкозо-6- фосфата (фосфатная группа присоединяется к шестому атому углерода) и АДФ. От АТФ переносится только концевая фосфатная группа и остается аденозиндифосфат:

Глюкозо-6-фосфат под влиянием фермента глюкозофосфатизомеразы превращается во фруктозо-6-фосфат:

На первый атом углерода образовавшегося фруктозо-6-фосфата при помощи фермента фосфофруктокиназы переносится от АТФ вторая фосфатная группа (снова фосфорилирование). Образуется фруктозо-1,6- бисфосфат (фруктоза с фосфатными группами при первом и шестом атомах углерода):

На следующем этапе происходит разрыв фруктозо-1,6-бисфосфата при участии фермента фруктозобисфосфатальдолазы на два трехуглеродных сахара: глицеральдегид-3-фосфат и дигидроксиацетонфосфат, которые могут превращаться друг в друга под действием фермента триозофосфатизомеразы:

В связи с тем что дигидроксиацетонфосфат подвергается превращению в глицеральдегид-3-фосфат, в последующих реакциях участвуют две молекулы глицеральдегид-3-фосфата.

В дальнейшем происходит окисление глицеральдегид-3-фосфата, катализируемое ферментом глицеральдегидфосфатдегидрогеназой. Данный фермент представляет собой белок с необычно высоким содержанием активных сульфгидрильных групп (SH) и связан с коферментом (НАД+). Вначале осуществляется связывание альдегидной группы глицеральдегид-3-фосфата с SH-группой глицеральдегидфосфатдеги;

I.

дрогеназы. При этом образуется группировка Н — СН — ОН, способная отдавать водород молекуле НАД: '.

Затем наблюдается дегидрирование глицеральдегид-3-фосфата, когда два атома водорода отщепляются от его молекулы и переносятся на связанный с ферментом НАД:

Дегидрирование глицеральдегид-3-фосфата — окислительная реакция, сопровождающаяся выделением энергии.

Далее происходит перенос глицеральдегид-3-фосфата вместе с макроэргической связью на фосфорную кислоту, в результате чего образуется 1,3-бисфосфоглицерат с макроэргической связью и свободный HS-фермент:

Фосфатная группа при первом углеродном атоме в цепи присоединена макроэргической связью и может под действием фосфоглицераткиназы взаимодействовать с АДФ с образованием АТФ:

Следовательно, на данном этапе осуществляется фосфорилирование на уровне субстрата. Затем 3-фосфоглицерат подвергается перестройке под влиянием фосфоглицеромутазы и изомеризуется в 2-фосфоглицерат:

При отщеплении молекулы воды (дегидратации) с участием фермента енолазы из 2-фосфоглицерата образуется фосфоенолпируват, обладающий макроэргической связью:

Фосфоенолпируват под влиянием пируваткиназы отдает фосфатную группу и запас энергии молекуле АДФ с образованием АТФ и енолпирувата:

Так, при превращении глюкозы в пируват формируется вторая макроэргическая фосфатная связь. Енолпируват самопроизвольно превращается в более устойчивую форму — пируват:

При гликолизе атомы водорода, освобождающиеся при сбраживании углевода, не попадают непосредственно на конечный акцептор, а переносятся на НАД; всего образуются две молекулы НАД • Н₂. Поскольку НАД присутствует в клетке в очень небольших количествах, брожение может продолжаться, если восстановленный НАД • Н₂ снова окисляется. Последнее происходит во второй стадии брожения, в которой восстановленный НАД • Н₂ переносит атом водорода к конечному акцептору водорода.

При трансформации глюкозы в пировиноградную кислоту по пути Эмбдена — Мейергофа — Парнаса выделяется свободная энергия, достаточная для образования четырех молекул АТФ: двух при окислении глицеральдегид-3-фосфата и еще двух при дегидратировании 2-фосфоглицерата. Однако две из них требуются для превращения глюкозы в фруктозо-1,6-бисфосфат, и только две молекулы АТФ поставляют энергию для процессов синтеза.

Баланс гликолиза можно записать следующим образом:

Максимальное количество энергии, которое получает организм в результате гликолиза, составляет 2 • 10⁵ Дж. Поскольку в расчете на каждую молекулу глюкозы при гликолизе образуются только две молекулы АТФ, микроорганизмы в анаэробных условиях вынуждены сбраживать очень большие количества сахара, чтобы обеспечить себя необходимой энергией для биосинтетических процессов. Вся ферментная система гликолиза локализируется в цитоплазме клетки.

Пентозофосфатный путь отличается от пути Эмбдена — Мейергофа — Парнаса тем, что не приводит непосредственно к образованию пирувата. В ходе пентозофосфатного пути происходит окисление только одного из углеродных атомов субстрата, который освобождается в форме С0₂. Первая реакция представляет собой фосфорилирование глюкозы с образованием глюкозо-6-фосфата с последующим дегидрированием, сопряженным с восстановлением НАДФ и образованием 6-фосфоглюконолактона.

Затем 6-фосфоглюконолактон при участии фермента глюконолактоназы гидролизуется до 6-фосфоглюконата. Данное соединение дегидрируется дегидрогеназой до З-кето-6-фосфоглюконата, из которого путем декарбоксилирования образуется пентозофосфат и рибулозо-5-фосфат. Из последнего при изомеризации образуется ксилулозо-5-фосфат и рибозо-5-фосфат. В дальнейшем образовавшиеся рибозо-5- фосфат и ксилулозо-5-фосфат включаются в ряд транскетолазных реакций (перенос ферментом транскетолазой глицеральдегидной группы СН₂ОН—СО—) и трансальдолазных реакций (перенос ферментом трансальдолазой трехуглеродной дигидроксиацетоновой группы СН₂ОН—СО—СНОН—) и снова превращаются в глюкозо-6- фосфат. Следовательно, пентозофосфатный путь цикличен. Считают, однако, что пентозофосфатный путь на одном из этапов обычно переходит в путь Эмбдена — Мейергофа — Парнаса.

При прохождении через пентозофосфатный цикл каждых шести молекул глюкозы происходит полное окисление одной молекулы глюкозо-6-фосфата до С0₂ и восстановление шести молекул НАДФ+ до НАДФ • Н₂.

Основное назначение пентозофосфатного пути — поставлять пентозы (главным образом рибозо-5-фосфат), необходимые для синтеза нуклеиновых кислот, и обеспечивать образование большей части НАДФ • Н₂, необходимого для синтеза жирных кислот, стероидов и т. д.

Превращение глюкозы в пировиноградную кислоту может также проходить по пути Эйтнера — Дудорова. При этом глюкоза фосфорилируется молекулой АТФ при участии фермента гексокиназы. Продукт фосфорилирования — глюкозо-6- фосфат — дегидрируется до 6-фосфоглюконата. Под действием фермента фосфоглюконатдегидрогеназы от него отнимается вода и образуется 2-кето-3-дезокси-6- фосфоглюконат (КДФГ). Последний расщепляется специфичной альдолазой на пируват и глицеральдагид-3-фосфат.

Глицеральдегид далее подвергается действию ферментов пути Эмбдена — Майергофа — Парнаса и трансформируется во вторую молекулу пирувата.

При расщеплении глюкозы по пути Эйтнера—Дудорова образуется одна молекула АТФ и две молекулы НАД • Н₂. У бактерий, расщепляющих глюкозу таким путем, отсутствуют ферменты, необходимые для образования из пирувата лактата и других кислот.

Промежуточным продуктом преобразования сахара по пути Эмбдена — Мейергофа — Парнаса служит пируват. В дальнейшем в серии последовательных реакций он претерпевает превращения, характер которых зависит от ферментных особенностей того или иного возбудителя брожения.

Можно привести примеры, поясняющие это. Выше было указано, что при молочнокислом брожении, вызываемом некоторыми бактериями, пируват восстанавливается в лактат. Транспорт водорода осуществляется в данном случае восстановленным НАД:

Если пируват образуется при превращениях по пути Эмбдена — Мейергофа — Парнаса, лактат будет единственным продуктом брожения, суммарная реакция брожения:

В приведенных примерах пируват служит только акцептором атомов водорода, выделяющихся при окислении глицеральдегид-3-фосфата (реакция 6).

При спиртовом брожении, вызываемом дрожжами и протекающем по пути Эмбдена — Мейергофа — Парнаса, сахар превращается в этанол и диоксид углерода. Клетки дрожжей содержат пируватдекарбоксилазу, которая катализирует следующую реакцию:

Этанол получается при восстановлении ацетальдегида НАД • Н₂, образовавшегося при окислении глицеральдегид-3-фосфата. Другими словами, при данном виде брожения ацетальдегид служит конечным акцептором водорода:

Общее уравнение спиртового брожения может быть представлено в следующем виде:

Молочнокислое и спиртовое брожения — широко распространенные бродильные процессы. Существуют и другие типы брожений, различающиеся составом конечных продуктов, среди которых могут быть различные органические кислоты, спирты, С0₂ и газообразный водород. На второй стадии некоторых типов брожения образуется свободная энергия, что увеличивает запас АТФ в клетке.