содержание   ..  1  2  3  4  5  6  7  8  9  10    ..

ФИЗИОЛОГИЯ ДРОЖЖЕЙ

Спиртовое брожение.

 Анаэробный распад углеводов, происходящий в результате жизнедеятельности дрожжей (процесс спиртового брожения), завершается образованием в основном этилового спирта и СО2.

Механизм спиртового брожения определен многолетними исследованиями. Л. Пастер впервые простыми и убедительными опытами доказал, что сбраживание сахаров происходит только в присутствии клеток дрожжей. В 1897 г. Э. Бухнер и Т. Бухнер обнаружили, что дрожжевой сок, полученный растиранием дрожжей с песком, способен сбраживать глюкозу до спирта. Этим был доказан ферментативный характер спиртового брожения, в выяснении сущности реакций которого большую роль сыграли исследования советского биохимика А. Н. Лебедева. Однако М. М. Монассеина задолго до опытов Бухнеров указывала на ферментативный характер спиртового брожения и в 1871 г. опубликовала работу «К учению об алкогольном брожении».

Предложенная Нейбергом схема спиртового брожения (первая форма брожения Нейберга) представляла собой попытку объяснить процесс при помощи ряда гипотетических промежуточных ступеней.

Следующим этапом в расшифровке процесса спиртового брожения было открытие, сделанное в 1905 г. Л. А. Ивановым, а также А. Гарденом и У. Ионгом. Они обнаружили, что для спиртового брожения, индуцируемого дрожжевым экстрактом, необходим фосфат и что гексозодифосфат (фруктозо-1,6-дифосфат) и другие идентифицированные вещества играют роль промежуточных продуктов в суммарном процессе брожения.

Г. Эмбден, О. Мейергоф и Я. О. Парнас детально раскрыли последовательность реакций и энергетику гликолиза. Поэтому гликолиз часто называют путем Эмбдена — Мейергофа — Парнаса.

Спиртовое брожение — это один из путей анаэробного превращения углеводов. Он состоит из ряда последовательно протекающих реакций.

Установлено, что процесс анаэробного расщепления сахаров дрожжами осуществляется с тем же запасом энергии в форме АТФ и тем же ферментативным путем, что и гликолиз, вплоть до образования пировиноградной кислоты. Поэтому в настоящее время термин «гликолиз», характеризующий основной путь превращения глюкозы в пировиноградную кислоту без участия свободного кислорода, применяют к начальной стадии спиртового и других видов брожения и к анаэробной, подготовительной стадии дыхания в растениях [166].
 

Схема сбраживания глюкозы (молекула глюкозы для простоты изображена па схеме в виде цепи) [66].
 

1. Фосфорилирование D-глюкозы за счет АТФ с образованием глюкозо-6-фосфата. Эта первая реакция гликолиза катализируется ферментом гекрокиназой. В клетке количество свободной D-глюкозы сравнительно невелико; большая часть ее находится в фосфорилированной форме

2. Превращение D-глюкозо-б-фосфата во фруктозо-б-фосфат в результате реакции изомеризации, катализируемой ферментом фосфогексоизомеразой

3. Фосфорилирование D-фруктозо-б-фосфата путем присоединения еще одного остатка фосфорной кислоты с образованием фруктозо-1,6-дифосфата. В этой второй «пусковой» реакции используется еще одна молекула АТФ при участии фермента фосфофруктокиназы. Считается доказанным, что суммарная скорость гликолиза лимитируется именно этой реакцией, катализируемой фосфофруктокиназой
 

4. Расщепление фруктозо-1,6-дифосфата на две фосфотриозы: глицеральдегид-3-фосфат и диоксиацетонфосфат. Эта реакция катализируется ферментом альдолазой
 

5. В последующие реакции гликолиза может непосредственно включаться только одна из двух образующихся фосфотриоз, а именно глицеральдегид-3-фосфат. Однако и диоксиацетонфосфат благодаря присутствию в клетке специфического фермента триозофосфатизомеразы полностью преобразуется в глицераль-дегид-3-фосфат. В результате этой реакции обеспечивается полное использование глюкозы в энергетическом обмене клетки
 

6. Окисление глицеральдегид-3-фосфата до 1,3-дифосфоглице-рата. Эта реакция катализируется специфической дегидрогеназой триозофосфата (глицеральдегид-3-фосфат-дегидрогеназой). Она называется реакцией гликолитического окисления — восстановления.
 

7. Перенос фосфатной группы от 1,3-дифосфоглицерата на АДФ. Благодаря действию двух ферментов (глицеральдегид-3-фосфат-дегидрогеназы и фосфоглицераткиназы) энергия, высвобождающаяся при окислении альдегидной группы до карбоксильной, запасается в форме энергии фосфатных связей АТФ

8. Превращение 3-фосфоглицерата в 2-фосфоглицерат катализируется ферментом фосфоглицеромутазой
 

9. Дегидратация 2-фосфоглицерата с образованием фосфо-енолпирувата катализируется енолазой
 

10. Перенос фосфатной группы от фосфоенолпирувата на АДФ с образованием пирувата и АТФ катализируется пируват-кнназой (АТФ: пируват-фосфотрансферазой)

Образование пировиноградной кислоты рассматривается как поворотный этап анаэробного расщепления сахара, являющийся общим для дыхания, гликолиза и брожения всех видов.

Основное значение гликолиза состоит в перестройке структуры молекулы глюкозы в высокоактивный и лабильный в химическом отношении пируват, что облегчает биохимические превращения исходного субстрата на последующих этапах окислительно-восстановительных процессов.

11. Если О2 отсутствует, то дальнейшие превращения пировиноградной кислоты происходят анаэробным путем, в процессе брожения (молочнокислого, спиртового и др.).

При спиртовом брожении последний этап гликолиза, катализируемого лактатдегидрогеназой, заменен двумя другими ферментативными реакциями при участии соответственно пируват-декарбоксилазы и алкогольдегидрогеназы. В результате этих реакций образуется этанол — конечный продукт спиртового брожения
 

При введении специфических ингибиторов формы спиртового брожения изменяются:

а) вторая форма брожения Нейберга. Для получения глицерина в сбраживаемую среду вводят бисульфит натрия, который связывает ацетальдегид и предотвращает этим реакцию восстановления его до спирта. Водород восстановленного НАД-Нз в этом случае используется на восстановление фосфоглицериново-го альдегида до глицерина (реакции 4 и 5). Таким образом, при брожении сульфитированного виноградного сусла происходит накопление в виноматериалах глицерина и уксусного альдегида в виде бисульфитного производного;

б) третья форма брожения Нейберга. При щелочной реакции среды ход брожения изменяется: половина молекул ацетальде-гида окисляется до уксусной кислоты, другая — восстанавливается до этилового спирта. В этом процессе происходит подкисление субстрата.

Иногда в клетках дрожжей возникает необходимость в использовании запасного полисахарида — гликогена. В результате реакции, катализируемой ферментом фосфоглюкомутазой, гликоген вовлекается в гликолиз в виде глюкозо-6-фосфата. Продукты брожения, которые в анаэробных условиях уже не могут быть использованы клеткой и поэтому выводятся из нее, все еще содержат значительную часть нереализованной химической энергии. Поэтому клеткам, находящимся в анаэробных условиях, для получения энергии приходится расходовать гораздо больше глюкозы, чем тем же самым клеткам в условиях аэробиоза [66].