Молочнокислое брожение. 
Плазмиды лактобактерий

Молочнокислое брожение — процесс анаэробного окисления углеводов, конечным продуктом которого является молочная кислота. Для молочнокислых бактерий — основный путь катаболизма углеводов и основный источник энергии в виде АТФ. Так как они не содержат цитохромов и неспособны синтезировать АТФ с помощью дыхания. 1].

Этот тип брожения был изучен Л. Пастером в 1857 г. Чистую культуру молочнокислых бактерий впервые выделил Д. Листер в 1877 г. из кислого молока. [9].

Есть два типа молочнокислого брожения: гомоферментативное и гетероферментативное.

При гомоферментативном молочнокислом брожении синтезируется практически одна молочная кислота (? 90% всех продуктов брожения). Катаболизм глюкозы происходит по гликолитическому пути. Пировиноградная кислота не подвергается декарбоксилированию, а под действием лактатдегидрогеназы восстанавливается до молочной кислоты. Конечный акцептор водорода пировиноградная кислота.

Суммарное уравнение гомоферментативного молочнокислого брожения:

С₆Н₁₂О₆ + 2АДФ + 2Фн 2СН₃ — СНОН — СООН + 2АТФ.

Гомоферментативное молочнокислое брожение осуществляют бактерии Streptococcus cremoris, S. lactis, Lactobacillus bulgaricus, L. lactis и др.

При гетероферментативном молочнокислом брожении образуются разнообразные продукты: молочная и уксусная кислоты, этиловый спирт, углекислый газ и глицерин. Углеводы расщепляются по пентозофосфатному пути. Конечным акцептором водорода являются пировиноградная кислота и ацетальдегид. Гетероферментативное молочнокислое брожение осуществляют бактерии видов Leuconostoc mesenteroides, Bifidobacterium bifidum, Lactobacillus brevis, L. fermentum, Oenococcus oeni. и др. 5].

Образование D, L или DL-молочной кислоты зависит от стереоспецифичности лактатдегидрогеназы и от наличия лак-татрацемазы. От доступа кислорода зависит количество образующихся побочных продуктов. [7].

Теперь рассмотрим более подробно каждый из типов молочнокислого брожения.

Гомоферментативное брожение.

Гомоферментативное молочнонокислое брожение как уже говорилось ранее осуществляется с помощью гликолиза.

Субстратом для этого типа брожения служат моносахариды (глюкоза) и дисахариды (мальтоза, лактоза).

На первом этапе происходит фосфорилирование глюкозы с образованием глюкозо-6-фосфат. Лактоза прежде чем фосфорилироваться расщепляется с помощью бета-галактозидазы на D-галактозу и D-глюкозу. D-галактоза подвергается фосфорилированию с образованием D-галактозо-1-фосфата. Последний превращается в глюкозо-1-фосфат.

У некоторых бактерий есть фермент мальтозофосфорилаза, катализирующий превращение мальтозы в глюкозо-1-фосфат и глюкозу.

Если используется гликоген или крахмала, то сначала происходит фосфоролитическое отщепление глюкозного остатка.

Дальше глюкозо-6-фосфат изомеризуется в молекулу фруктозо-6-фосфата. Донором фосфата служит АТФ. Вторичное фосфорилирование молекулы фруктозы приводит к образованию фруктозо-1,6-дифосфата, который с помощью фруктозо-1,6-дифосфатальдолазы распадается на фосфодиоксиацетон и 3-ФГА. В дальнейшем фосфодиоксиацетон с помощью триозофосфатизомеразы превращается в 3-ФГА. На образовании 3-ФГА заканчивается подготовительный этап гликолиза.

3-ФГА с помощью 3-ФГА-дегидрогеназы окисляется до 1,3-дифосфоглицериновой, в котором запасается энергия. 3-ФГА с помощью НАД-зависимой 3-ФГА-дегидрогеназы превращается в 1,3-ФГК.

После образования 3-ФГК фосфатная группа из третьего положения переносится во второе с образованием 2-ФГК. Далее от 2-ФГК отщепляются молекулы воды от второго и третьего атомов углерода, эта реакция катализируется ферментом енолазой, и образуется фосфоенолпировиноградная кислота. ФЕП с помощью пируваткиназы превращается в пируват. Пировиноградная кислота под действием лактатдегидрогеназы восстанавливается до молочной кислоты.

Энергетический выход процесса: 2 молекул АТФ на одну молекулу глюкозы. Если исходный субстрат — полисахарид, образуются 3 молекулы АТФ на 1 молекулу глюкозы. [1].

Схема гомоферметативного молочнокислого брожения представлена на рисунке 1.

Рисунок 1-Гомоферментативное молочнокислое брожение: Ф1-гексокиназа; Ф2-глюкозофосфатизомераза; Ф3-фосфофруктокиназа; Ф4-фруктозо-1,6-дифосфат-альдолаза; Ф5-триозофосфатизомераза; Ф6-ЗФГА-дегидрогеназа; Ф7-фосфоглицераткиназа; Ф8-фосфоглицеромутаза; Ф9-енолаза; Ф10-пируваткиназа; Ф11-лактатдегидрогеназа.

Гетероферментативное молочнокислое брожение — процесс более сложный, чем гомоферментативное.

Гетероферментативное молочнокислое брожение вызывают бактерии рода Lactobacterium и рода Streptococcus. Химизм этих брожений изучен не так хорошо, как спиртового или гомоферментативного молочнокислого брожения. [4].

Гетероферментативные бактерии сбраживают ограниченное число веществ: некоторые гексозы, пентозы, сахароспирты и кислоты. 3].

У гетероферментативных молочнокислых бактерий нет главных ферментов фруктозобисфосфатного пути — альдолазы и триозофосфатизомеразы. Начальное превращение глюкозы идет по пентозофосфатному пути, т. е. через глюкозо-6-фосфат, 6-фосфоглюконат и рибулозо-5-фосфат. Рибулозо-5-фосфат под действием эпимеразы превращается в ксилулозо-5-фосфат, который под действием пентозофосфокетолазы расщепляется до глицеральдегидфосфата и ацетилфосфата.

Нерастущие, отмытые клетки Leuconostoc mesenteroides сбраживают глюкозу до лактата, этанола и двуокиси углерода.

У этих бактерий ацетилфосфат восстанавливается через ацетил-СоА и ацетальдегид в этанол. Другие гетероферментативные молочнокислые бактерии переводят ацетилфосфат частично или целиком в уксусную кислоту. Глицеральдегидфосфат через пируват превращается в лактат. Рибозу Leuconostoc mesenteroides сбраживает в лактат и ацетат.

При сбраживании фруктозы гетероферментативными бактериями образуются лактат, ацетат, СО₂ и маннитол.

Lactobacillus plantarum сбраживает глюкозу по гомоферментативному пути, а пентозы расщепляет с помощью фосфокетолазы, превращая их лактат и ацетат. Lactobacillus casei, хотя и сбраживает глюкозу по гомоферментативному, пути, но рибозу превращает в ацетат и лактат гетероферментативным путем. Рибоза индуцирует у нее синтез фосфокетолазы.

Гетероферментативная молочнокислая бактерия Bifidobacterium bifidum получила название за свою Vили Y-образную форму (лат. bifidus-раздвоенный). Все представители рода Bifidobacterium-строгие анаэробы; они не переносят присутствия кислорода, и для их роста нужна атмосфера, содержащая 10% С0₂. Бифидобактерии расщепляют глюкозу 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 глицеральдегид-3-фосфат. [7].

Лактозу и глюкозу по гетероферментативному пути образуют только бифидобактерии. При катаболизме глюкозы СО₂ не образуется, так как отсутствует начальный этап-декарбоксилирование. Лактоза транспортируется в клетку с помощью пермеаз, а затем гидролизуется в глюкозу и галактозу. Гексозы подвергают катаболизму путём гексозомонофосфатного шунта с участием фруктозо-6-фосфат-фосфокетолазы. Продуктами ферментации Bifidobacterium являются лактат и ацетат, а ферментация двух молекул глюкозы даёт три молекулы ацетата и две молекулы лактата. Побочными продуктами являются: уксусная кислота, этанол. Последняя стадия — восстановление пировиноградной кислоты до молочной та же самая, что и при гомоферментативным брожении. Выход энергии гораздо меньше, чем при спиртовом брожении. 3].

Схема гетероферментативного молочнокислого брожения представлена на рисунке 2.