Презентація на тему: Пар.22 У клітинах яких організмів відбувається спиртове бродіння? У більшості. Бродіння в клітинах У клітинах яких організмів відбувається спиртове бродіння

Пар.22 У клітинах яких організмів відбувається спиртове бродіння? У більшості рослинних клітин, а також у клітинах деяких грибів (наприклад, дріжджів) замість гліколізу відбувається спиртове бродіння, молекула глюкози в анаеробних умовах перетворюється на етиловий спирт і СО2. Звідки береться енергія для синтезу АТФ із АДФ? Виділяється у процесі дисиміляції, тобто у реакціях розщеплення органічних речовин у клітині. Залежно від специфіки організму та умов його проживання дисиміляція може проходити у два або три етапи. Які етапи виділяють у енергетичному обміні? 1-підготовчий; заключ. в розпаді великих органічних молекул до більш простих: поліс.-монос., ліпіди-глиц. і жир. кислоти, білки-а.к. Розщеплення відбувається у ПС. Енергії виділяється мало, у своїй вона розсіюється як тепла. З'єднання, що утворюються (моносах., жир.кислоти, а.к. та ін) можуть використовуватися клітиною в реакціях пласт.обміну, а також для подальшого розщ-я з метою отримання енергії. 2- безкисневий = гліколіз (ферментативний процес послідовного розщеплення глюкози в клітинах, що супроводжується синтезом АТФ; при аеробних умовах веде до образ.пировиноградной кислоти, в анаероб. умовах веде до утворення молочної кислоти); С6Н12О6 + 2Н3Р04 + 2АДФ --- 2С3Н6О3 + 2АТФ + 2Н2О. полягає в ферментативному расщ-ии орг.речов, які були отримані в ході підгот.етапу. О2 у реакціях цього етапу не бере участі. Реакції гліколізу каталізуються багатьма ферментами та протікають у цитоплазмі клітин. 40% енергії зберігається у молекулах АТФ, 60% розсіюється як тепла. Глюкоза розпадається не до кінцевих продуктів (СО2 і Н2О), а до сполук, які ще багаті на енергію і, окислюючись далі, можуть дати її у великих кількостях (молочна кислота, етиловий спирт та ін.). 3- кисневий (клет. дихання); органічні речовини, образ.в ході 2 етапи і містять великі запаси хімічної енергії, окислюються до кінцевих продуктів СО2 і Н2О. Цей процес відбувається у мітохондріях. В результаті клітинного дихання при розпаді двох молекул молочної кислоти синтезуються 36 молекул АТФ: 2С3Н6О3 + 6О2 + 36АДФ + 36Н3РО4 - 6СО2 + 42Н2О + З6АТФ. Виділяється велика кількість енергії, 55% запас.у вигляді АТФ, 45% розсіюється як тепла. У чому відмінності енергетич.обміну у аеробів та анаеробів? Більшість жив.существ, що живуть Землі, ставляться до аеробам, тобто. використовують у процесах ОВ О2 з довкілля. У аеробів енерг.обмін відбувається в 3 етапи: подготов., безкис.і кисень. Внаслідок цього орган.реч-ва розпадаються до найпростіших неорган.соединений. У організмів, що мешкають у безкисільному середовищі і не потребують кисню, - анаеробів, а також у аеробів при нестачі кисню асиміляція відбувається у два етапи: підготовчий та безкисневий. У двоетапному варіанті енергетичного обміну енергії запасається набагато менше, ніж триетапному. ТЕРМІНИ: Фосфорилювання – приєднання 1 залишку фосф. кислоти до молекули АДФ. Гліколіз - ферментативний процес послідовного розщеплення глюкози у клітинах, що супроводжується синтезом АТФ; при аеробних умовах веде до образ.піровиноградної кислоти, в анаероб. умовах веде до утворення молочної кислоти. Спиртове бродіння – хімічна реакція бродіння в результаті якої молекула глюкози в анаеробних умовах перетворюється на етиловий спирт і СО2 Пар.23 Які організми є гетеротрофами? Гетеротрофи - організми, які не здатні синтезувати органічні речовини з неорганічних (жив-е, гриби, мн.бактерії, клітини раст-й, не способ.до фотосинтезу) Які організми на Землі практично не залежать від енергії сонячного світла? Хемотрофи використовують для синтезу органічних речовин енергію, що вивільняється в ході хімічних перетворень неорганічних сполук. ТЕРМІНИ: Харчування - сукупність процесів, що включають надходження в організм, перетравлення, всмоктування та засвоєння харчових речовин. У процесі харчування організми одержують хімічні сполуки, використовувані ними всім процесів життєдіяльності. Автотрофи - організми, що синтезують органічні сполуки з неорганічних, одержуючи з навколишнього середовища вуглець у вигляді СО2, воду та хв. Гетеротрофи - організми, які не здатні синтезувати органічні речовини з неорганічних (жив-е, гриби, мн.бактерії, клітини раст-й, не способ.до фотосинтезу)

Спиртове бродіння є основою приготування будь-якого алкогольного напою. Це найпростіший і найдоступніший спосіб отримати етиловий спирт. Другий метод - гідратація етилену, є синтетичним, застосовується рідко і лише у виробництві горілки. Ми розглянемо особливості та умови бродіння, щоб краще зрозуміти, як цукор перетворюється на спирт. З практичної точки ці знання допоможуть створити оптимальне середовище для дріжджів – правильно поставити брагу, вино чи пиво.

Спиртове бродіння- Це процес перетворення дріжджами глюкози в етиловий спирт і вуглекислий газ в анаеробному (безкисневого) середовищі. Рівняння таке:

C6H12O6 → 2C2H5OH + 2CO2.

В результаті одна молекула глюкози перетворюється на 2 молекули етилового спирту та 2 молекули вуглекислого газу. При цьому відбувається виділення енергії, що призводить до незначного підвищення температури середовища. Також у процесі бродіння утворюються сивушні олії: бутиловий, аміловий, ізоаміловий, ізобутиловий та інші спирти, які є побічними продуктами обміну амінокислот. Багато в чому сивушні олії формують аромат і смак напою, але більшість із них шкідливі для організму людини, тому виробники намагаються очистити спиртне від шкідливих сивушних масел, але залишити корисні.

Дріжджі- це одноклітинні гриби кулястої форми (близько 1500 видів), що активно розвиваються в рідкому або напіврідкому середовищі багатого цукроми: на поверхні плодів і листя, в нектарі квітів, мертвій фітомасі і навіть грунті.

Це одні з найперших організмів, «приручених» людиною, переважно дріжджі використовуються для випікання хліба та приготування спиртних напоїв. Археологами встановлено, що давні єгиптяни за 6000 років до зв. е. навчилися робити пиво, а до 1200 до н. е. освоїли випічку дріжджового хліба

Наукове дослідження природи бродіння почалося у ХІХ столітті, першими хімічну формулу запропонували Ж. Гей-Люссак та А. Лавуазьє, але залишилася неясною сутність процесу, виникло дві теорії. Німецький вчений Юстус фон Лібіх припускав, що бродіння має механічну природу – коливання молекул живих організмів передаються цукру, що розщеплюється на спирт та вуглекислий газ. У свою чергу Луї Пастер вважав, що в основі процесу бродіння біологічна природа – при досягненні певних умов дріжджі починають переробляти цукор у спирт. Пастеру досвідченим шляхом вдалося довести свою гіпотезу, згодом біологічну природу бродіння підтвердили інші вчені.

Російське слово "дріжджі" походить від старослов'янського дієслова "drozgati", що означає "тиснути" або "місити", простежується явний зв'язок з випіканням хліба. У свою чергу, англійська назва дріжджів «yeast» походить від староанглійських слів «gist» та «gyst», які означають «піна», «виділяти газ» та «кипіти», що ближче до винокуріння.

В якості сировини для спирту використовують цукор, цукромісткі продукти (в основному фрукти і ягоди), а також сировину, що містить крохмаль: зерно і картопля. Проблема в тому, що дріжджі не можуть збродити крохмаль, тому спочатку потрібно розщепити його до найпростіших цукрів, це робиться ферментом – амілазою. Амілаза міститься в солоді - пророщеному зерні, і активується при високій температурі (зазвичай 60-72 ° C), а сам процес перетворення крохмалю до простих цукрів називається «цукровістю». Оцукрювання солодом («гаряче») можна замінити внесенням синтетичних ферментів, при якому не потрібно нагрівати сусло, тому метод називається «холодним» оцукрюванням.

Умови бродіння

На розвиток дріжджів та перебіг бродіння впливають такі фактори: концентрація цукру, температура і світло, кислотність середовища та наявність мікроелементів, вміст спирту, доступ кисню.

1. Концентрація цукру.Для більшості рас дріжджів оптимальна цукристість сусла становить 10-15%. При концентрації вище 20% бродіння слабшає, а за 30-35% майже гарантовано припиняється, оскільки цукор стає консервантом, що перешкоджає роботі дріжджів.

Цікаво, що при цукристості середовища нижче 10% бродіння теж протікає слабо, але перш ніж підсолоджувати сусло, потрібно пам'ятати про максимальну концентрацію спирту (4-й пункт), отриманого в ході бродіння.

2. Температура та світло.Для більшості штамів дріжджів оптимальна температура бродіння - 20-26 ° C (пивним дріжджам низового бродіння потрібно 5-10 ° C). Допустимий діапазон – 18-30 °C. При нижчих температурах бродіння суттєво уповільнюється, а при значеннях нижче за нуль процес зупиняється і дріжджі «засинають» - впадають в анабіоз. Для відновлення бродіння достатньо підняти температуру.

Надто висока температура знищує дріжджі. Поріг витривалості залежить від штаму. У загальному випадку небезпечними вважаються значення вище 30-32 °C (особливо для винних та пивних), проте існують окремі раси спиртових дріжджів, здатні витримати температуру сусла до 60 °C. Якщо дріжджі «зварилися», для відновлення бродіння доведеться додати до сусла нову партію.

Процес бродіння сам по собі викликає підвищення температури на кілька градусів – чим більший обсяг сусла та активніша робота дріжджів, тим сильніше нагрівання. Насправді корекцію температури роблять, якщо обсяг більше 20 літрів – досить тримати температуру нижче 3-4 градусів від верхньої границі.

Ємність залишають у темному місці або накривають щільною тканиною. Відсутність прямих сонячних променів дозволяє уникнути перегріву та позитивно позначається на роботі дріжджів – грибки не люблять сонячного світла.

3. Кислотність середовища проживання і наявність мікроелементів.Середовище кислотністю 4.0-4.5 рН сприяє спиртовому бродінню та пригнічує розвиток сторонніх мікроорганізмів. У лужному середовищі виділяються гліцерин та оцтова кислота. У нейтральному суслі бродіння протікає нормально, але активно розвиваються патогенні бактерії. Кислотність сусла коригують перед внесенням дріжджів. Найчастіше винокури-аматори підвищують кислотність лимонною кислотою чи будь-яким кислим соком, а зниження гасять сусло крейдою чи розбавляють водою.

Крім цукру та води дріжджам потрібні інші речовини – насамперед це азот, фосфор та вітаміни. Ці мікроелементи дріжджі використовують для синтезу амінокислот, що входять до складу їхнього білка, а також для розмноження на початковому етапі бродіння. Проблема в тому, що в домашніх умовах точно визначити концентрацію речовин не вийде, а перевищення допустимих значень може негативно вплинути на смак напою (особливо це стосується вина). Тому передбачається, що крохмалевмісна і фруктова сировина спочатку містить необхідну кількість вітамінів, азоту та фосфору. Зазвичай підгодовують лише брагу із чистого цукру.

4. Зміст спирту.З одного боку, етиловий спирт – продукт життєдіяльності дріжджів, з іншого – це сильний токсин для дріжджових грибків. При концентрації спирту в суслі 3-4% бродіння сповільнюється, етанол починає гальмувати розвиток дріжджів, при 7-8% дріжджі не розмножуються, а при 10-14% перестають переробляти цукор – бродіння припиняється. Тільки окремі штами культурних дріжджів, виведених у лабораторних умовах, толерантні до концентрації спирту вище 14% (деякі продовжують бродіння навіть за 18% і вище). З 1% цукру в суслі виходить близько 0,6% спирту. Це означає, що для отримання 12% спирту потрібен розчин із вмістом цукру 20% (20×0.6 = 12).

5. Доступ кисню.В анаеробному середовищі (без доступу кисню) дріжджі націлені на виживання, а чи не розмноження. Саме в такому стані виділяється максимум алкоголю, тому в більшості випадків потрібно захистити сусло від доступу повітря та одночасно організувати відведення вуглекислого газу з ємності, щоб уникнути підвищеного тиску. Це завдання вирішується шляхом встановлення гідрозатвору.

При постійному контакті сусла із повітрям виникає небезпека скисання. На самому початку, коли бродіння активне, вуглекислий газ, що виділяється, виштовхує повітря від поверхні сусла. Але в кінці, коли бродіння слабшає і вуглекислоти утворюється все менше, повітря потрапляє в незакриту ємність із суслом. Під впливом кисню активуються оцтовокислі бактерії, які починають переробляти етиловий спирт на оцтову кислоту і воду, що призводить до псування вина, зниження виходу самогону та появи у напоїв кислого присмаку. Тому так важливо закрити ємність гідрозатвору.

Однак для розмноження дріжджів (досягнення їх оптимальної кількості) потрібен кисень. Зазвичай достатньо тієї концентрації, що знаходиться у воді, але для прискореного розмноження брагу після внесення дріжджів залишають на кілька годин відкритої (з доступом повітря) і кілька разів перемішують.

Бродіння засноване на гліколітичному шляху розпаду вуглеводів. Розрізняють: гомоферментативне молочнокисле (ГФМ), спиртове, пропіонове, маслянокисле, ацетонобутилове.
Бродіння - це еволюційно найдавніший і найпримітивніший шлях отримання енергії бактеріальною клітиною. АТФ утворюється внаслідок окислення органічного субстрату за механізмом субстратного фосфорилування. Бродіння відбувається в анаеробних умовах. Примітивність бродіння пояснюється лише тим, що з бродінні відбувається розщеплення субстрату в повному обсязі, а утворені під час бродіння речовини (спирти, органічні кислоти тощо.) містять внутрішні запаси енергії.
Кількість виділеної енергії при бродінні трохи 1 г/моль глюкози еквівалентний2 - 4 молекулам АТФ. Мікроорганізми бродячого типу змушені інтенсивніше зброджувати субстрат, щоб забезпечити себе енергією. Основна проблема бродіння – вирішення донорно-акцепторних зв'язків. Донорами електронів є органічні субстрати, а акцептором електронів, який визначає долю бродіння, представляє основне завдання. Кінцевий продукт бродіння дає назву виду цього процесу.

Хімізм процесу бродіння

У процесі бродіння за умов анаеробіозу у центрі перебуває проблема вироблення енергії при розщепленні вуглеводів. Основним механізмом є гліколітичний шлях розпаду (Ембдена – Мейергоффа – Парнаса, гексозо-дифосфатний шлях). Цей шлях найбільш поширений, існують 2 гліколітичні шляхи, які зустрічаються меншою мірою: окислювальний пентозо-фосфатний шлях (Варбурга - Діккенса - Хорекера), шлях Ентнера - Дударова (КДФГ-шлях).
Слід звернути увагу, що ці механізми не можна розглядати як бродіння, оскільки вони лежать в основі дихання. Бродіння починається тоді, коли відбувається утилізація протона або електрона, що відірвався від субстрату, і приєднання на акцептор.
ГЛІКОЛІЗ
Глюкоза під дією гексамінази фосфорилюється в положенні 6 - перетворюється на глюкозо-6-фосфат - метаболічно активнішу форму глюкози. Донором фосфату виступає молекула АТФ. Глюкоза-6-фосфат ізомеризується у фруктозо-6-фосфат. Реакція оборотна, рівень присутності 2 речовин у зоні реакції однаковий. Фруктоза-6-фосфат приєднує фосфатну групу до першого атома С і перетворюється на фруктоза-1,6-дифосфат. Реакція йде з витратою енергії АТФ і каталізується фруктозо-1,6-дифосфат альдолазою (основний регуляторний фермент гліколізу).
Фруктозо-1,6-дифосфат розщеплюється на 2 фосфотріози тріозофосфатизомеразою. В результаті утворюються 2 тріози: фосфодіоксіацетон і 3-фосгліцеральдегід (3-ФГА). Ці 2 тріози можуть ізомеризуватися одна в іншу і проходити трансформацію до пірувату за однаковим механізмом. Це відновлювальний етап (іде із виробленням енергії).

Гліколіз
Гексокіназа
Глюкозо-6-фосфатизомераза
6-Фосфофруктокіназа
Альдолаза
Тріозофосфатизомераза
Гліцеральдегідфосфатдегідрогеназу
Фосфогліцераткіназа
Фосфогліцеромутаза
Енолаза
Піруваткиназа
Сталося утворення 3-ФГК. Тепер можна підбити деякі підсумки. Клітина цьому етапі " повернула " свої енергетичні витрати: 2 молекули АТФ було витрачено і 2 молекули АТФ синтезувалися на 1 молекулу глюкози. На цьому ж етапі реакції окислення 3-ФГА до 1,3-ФГК та утворення АТФ має місце перше субстратне фосфорилювання. Енергія звільняється і запасається в макроергічних фосфатних зв'язках АТФ у процесі перебудови субстрату, що зброджується, за участю ферментів. Перше субстратне фосфорилювання має ще назву фосфорилювання на рівні 3-ФГА. Після утворення 3-ФГК фосфатна група з третього положення переноситься до другого. Далі відбувається відщеплення молекули води від другого і третього атомів вуглецю 2-ФГК, що каталізується ферментом енолазою, і утворюється фосфоенолпіровіноградна кислота. В результаті дегідратації молекули 2-ФГК, що відбулася, ступінь окислення її другого вуглецевого атома збільшується, а третього - зменшується. Дегідратація молекули 2-ФГК, що призводить до утворення ФЕП, супроводжується перерозподілом енергії всередині молекули, внаслідок чого фосфатний зв'язок у другого вуглецевого атома з низькоенергетичної молекули 2-ФГК перетворюється на високоенергетичну молекулі ФЕП. Молекула ФЕП стає донором багатою енергією фосфатної групи, яка переноситься на АДФ за допомогою ферменту піруваткінази. Таким чином, у процесі перетворення 2-ФГК на піровиноградну кислоту має місце вивільнення енергії та запасання її в молекулі АТФ. Це друге субстратне фосфорилювання. В результаті внутрішньомолекулярного окисно-відновного процесу одна молекула і донує та акцептує електрони. У процесі другого субстратного фосфорилювання утворюється молекула АТФ; у результаті загальний енергетичний виграш процесу становить 2 молекули АТФ на 1 молекулу глюкози. Такою є енергетична сторона процесу гомоферментативного молочнокислого бродіння. Енергетичний баланспроцесу: С6+2АТФ=2С3+4 АТФ+2НАДФ∙Н2

ГОМОФЕРМЕНТАТИВНЕ МОЛОЧНО-КИСНЕ БРОДЖЕННЯ

Здійснюється молочнокислими бактеріями. Які розщеплюють вуглеводи по гліколітичному шляху з останнім утворенням із пірувату молочної кислоти. У ГФМК-бактерій проблема донорно-акцепторого зв'язку вирішується найпростішим шляхом - цей вид бродіння розглядають як еволюційно найдавніший механізм.
У процесі бродіння піровиноградна кислота відновлюється Н+ відірваним від глюкози. На піруват скидається Н2 з НАДФ ∙ Н2. Внаслідок чого утворюється молочна кислота. Енергетичний вихід становить 2 молекули АТФ.
Молочно-кисле бродіння здійснюють бактерії роду: Streptococcus, Lactobacillus, Leuconostoc. Усі вони Г+ (є паличками або коками) неспороутворюючі (Sporolactobacillus утворюють суперечки). По відношенню до кисню молочно-кислі бактерії відносяться до аеротолерантних, є суворими анаеробами, але здатні існувати в атмосфері кисню. Вони мають низку ферментів, які нейтралізують токсичну дію кисню (флавінові ферменти, негемова каталаза, супероксиддисмутаза). МКБ що неспроможні здійснювати дихання, оскільки немає дихального ланцюга. У зв'язку з тим, що природа проживання МКБ багата на фактори зростання, в процесі еволюції вони стали метаболічними інвалідами і втратили здатність синтезувати в достатній кількості фактори зростання, тому в процесі культивування вони

Гомоферментативне молочнокисле бродіння: Ф1 - гексокіназа; Ф2 - глюкозофосфатизомераза; Ф3 - фофсофруктокіназа; Ф4 - фруктозо-1,6-дифосфатальдолаза; Ф5 - тріозофосфатизомераза; Ф6 - Фоце; - енолаза; Ф10 - піруваткіназа; Ф11 - лактатдегірогеназа (за Dagley, Nicholson, 1973)

потребують додавання вітаміів, амінокислот (овочеві, рослинні екстракти).
МКБ можуть використовувати лактозу, яка під дією β-галактозидази в присутності молекул води розщеплюється на D-глюкоз і D-галактозу. Згодом D-галактоза фосфорилюється та трансформується у глюкозо-6-фосфат.
МКБ – мезофіли з оптимальною температурою культивування 37 – 40ºС. При 15ºС більшість із них не ростуть.
Здатність до антагонізму пов'язана з тим, що в процесі метаболізму накопичується молочна кислота та інші продукти, що пригнічують зростання інших мікроорганізмів. Крім того, накопичення молочної кислоти в культуральній рідині призводить до різкого зниження рН, що пригнічує ріст гнильних мікроорганізмів, а самі МКБ можуть витримувати рН до 2.
МКБ нечутливі до багатьох антибіотиків. Це дозволило використовувати їх як продуценти пробіотичних препаратів, які можуть використовуватися як препарати, що супроводжують при антибіотико-терапії (сприяють відновленню мікрофлори кишечника, що пригнічується антибіотиками).
Екологія МКЛ. У природі зустрічаються там, де багато вуглеводів: молоко, поверхня рослин, стравохід людини і тварин. Патогенних форм немає.

СПИРТОВЕ БРОДЖЕННЯ

В основі лежить гліколітичний шлях. У спиртовому бродінні відбувається ускладнення розв'язання донорно-акцепторного зв'язку. Спочатку піруват за допомогою піруватдекарбоксилази, ключового ферменту спиртового бродіння, декарбоксилюється до ацетальдегіду та CO2:
CH3-CO-COOH ® CH3-COH + CO2.
Особливість реакції полягає у її повній незворотності. Ацетальдегід, що утворився, відновлюється до етанолу за участю НАД+-залежної алкогольдегідрогенази:
CH3-COH + НАД-H2 ® CH3-CH2OH + НАД+
Донором водню служать 3-ФГА (як і у разі молочнокислого бродіння).
Процес спиртового бродіння сумарно можна виразити наступним рівнянням:
C6H12O6 + 2ФН + 2АДФ ® 2CH3-CH2OH + 2CO2 + 2АТФ +2H2O.
Спиртове бродіння поширений процес отримання енергії як у Про-, так і у Еукаріотів. У Прокаріотів зустрічається як у Р+ так і Г-. Промислове значення має мікроорганізм Zymomonas mobilies (кульку із соку агави), але в основі бродіння лежить не гліколіз, а шлях Ентнера – Дудорова або КДФГ-шлях.
Основні продуценти спирту - дріжджі (пивоваріння, виноробство, ферментні препарати, вітаміни групи В, нуклеїнові кислоти, білково-вітамінні концентрати, пробіотичні препарати)

ПРОПІОНОВЕ БРОДЖЕННЯ

У пропіоновокислому бродінні ми маємо справу з реалізацією третьої можливості перетворення пірувату - його карбоксилювання, що призводить до виникнення нового акцептора водню - ЩУК. Відновлення піровиноградної кислоти пропіонову у пропіоновокислих бактерій протікає наступним чином. Пировиноградная кислота карбоксилюється у реакції, що каталізується біотинзалежним ферментом, у якого біотин виконує функцію переносника CO2. Донором CO2-групи є метилмалоніл-КоА. В результаті реакції транскарбоксилювання утворюються ЩУК та пропіоніл-КоА. ЩУК в результаті трьох ферментативних етапів (аналогічних реакцій 6, 7, 8 циклу трикарбонових кислот, перетворюється на бурштинову кислоту).
Наступна реакція полягає у перенесенні КоА-групи з пропіоніл-КоА на бурштинову кислоту (сукцинат), внаслідок чого утворюється сукциніл-КоА та пропіонова кислота.
Пропіонова кислота, що утворилася, виводиться з процесу і накопичується поза клітиною. Сукциніл-КоА перетворюється на метилмалоніл-КоА.
До складу коферменту метилмалоніл-КоА-мутази входить вітамін В12.

Енергетичний баланс на 1 молекулу глюкози утворюється 2 молекули пропіонової кислоти та 4 молекули АТФ.
Бактерії р. Propionibacterium - це Г+ палички, неспоротворні, нерухомі, розмножуються бінарним поділом, є аеротолерантними мікроорганізмами. Вони мають механізм захисту від токсичної дії кисню, деякі можуть здійснювати дихання.
Екологія: зустрічаються у молоці, кишечнику жуйних тварин. Промисловий інтерес: продуценти В12 та пропіонової кислоти.

ОЛІЙНОКИСНЕ БРОДЖЕННЯ

При маслянокислому бродінні піруват декарбоксилюється та приєднується до КоА - утворюється ацетил-КоА. Далі відбувається конденсація: 2 молекули ацетил-КоА конденсуються з утворенням С4 з'єднання ацето-ацетил-КоА, який виступає акцептором продукції Н2.

Шляхи перетворення пірувату в маслянокислому бродінні, що здійснюється Clostridium butyricum: Ф1 - піруват:ферредоксиноксидоредуктаза; Ф2 - ацетил-КоА-трансфераза (тіолаза); Ф3 - (3-оксибутирил-КоА-дегідрогена; КоА-дегідрогеназа, Ф6 - КоА-трансфераза; Ф7 - фосфотрансацетилаза; Ф8 - ацетаткіназа; Ф9 - гідрогеназа; Фдок - окислений; Фд-H2 - відновлений ферредоксин; ФН - неорганічний фосфат

Далі С4 з'єднання проходячи через ряд послідовних перетворень утворює масляну кислоту. Цей відновлювальний шлях не пов'язаний із утворенням енергії та створений виключно для утилізації відновника. Паралельно існує друга окисна гілка, яка призводить до утворення з пірувату оцтової кислоти і на цій ділянці має місце субстратне фосфорилювання, що зумовлює синтез АТФ.
Енергетичний баланс розрахувати складно, оскільки напрямок реакцій визначається зовнішніми факторами, а також живильним середовищем:
1 мовляв. глюкози→≈3,3 АТФ
Маслянокисле бродіння здійснюють бактерії р. Clostridium - це Г+ палички, рухливі, спороутворюючі (ендоспори d>dкл), є виключно анаеробними культурами. Рух здійснюють за рахунок перетрихіально розташованих джгутиків. У міру старіння клітини втрачають джгутики та накопичують гранульозу (крохмалоподібну речовину). За здатністю зброджувати субстрат поділяються на 2 типи:
цукролітичні (розщеплюють цукру, полісахариди, крохмаль, хітин);
протеолітичні (мають потужний комплекс протеолітичних ферментів, розщеплюють білки).
Клостридії здійснюють як масляно-кисле бродіння, а й ацетонобутиловое. Продуктами цього виду бродіння поруч із масляною кислотою і ацетатом може бути: етанол, ацетон, бутиловий спирт, ізопропіловий спирт.

АЦЕТОНОБУТИЛОВЕ БРОДЖЕННЯ

При ацетонобутиловому бродінні продуценти молодому віці(логарифмічна фаза зростання) здійснюють бродіння на кшталт маслянокислого. У міру зниження рН та накопичення кислих продуктів індукується синтез ферментів, що призводить до накопичення нейтральних продуктів (ацетон, ізопропіловий, бутиловий, етиловий спирти). Вивчаючи процес ацетонобутилового бродіння, російський учений Шапошников показав, що воно проходить 2 фази і в основі 2х фазності процесу лежить зв'язок між конструктивним та енергетичним метаболізмом. Перша фаза характеризується активним зростанням культури та інтенсивним конструктивним метаболізмом, тому в цей період відбувається відтік відновника НАД∙Н2 на біосинтетичні потреби. При згасанні зростання культури та переході її в другу фазу зменшується потреба у конструктивних процесах, що призводить до утворення більш відновлених форм – спиртів.
Практичне застосування Clostridium:
виробництво олійної кислоти;
виробництво ацетону;
виробництво бутанолу.
Бактерії грають величезну роль природі: здійснюють гниття, анаеробне гниття клітковини і хітину (деякі розщеплюють пектинові волокна). Серед Clostridium є патогенні (збудники ботулізму – виділяють вкрай небезпечний екзотоксин; збудники газової гангрени; правця).

Енергетичний обмін(Катаболізм, дисиміляція) - сукупність реакцій розщеплення органічних речовин, що супроводжуються виділенням енергії. Енергія, що звільняється під час розпаду органічних речовин, не відразу використовується клітиною, а запасається у формі АТФ та інших високоенергетичних сполук. АТФ – універсальне джерело енергозабезпечення клітини. Синтез АТФ відбувається у клітинах всіх організмів у процесі фосфорилювання – приєднання неорганічного фосфату до АДФ.

У аеробнихорганізмів (що живуть у кисневому середовищі) виділяють три етапи енергетичного обміну: підготовчий, безкисневе окиснення та кисневе окиснення; у анаеробнихорганізмів (що живуть у безкисневому середовищі) та аеробних при нестачі кисню – два етапи: підготовчий, безкисневе окиснення.

Підготовчий етап

Полягає у ферментативному розщепленні складних органічних речовин до простих: білкові молекули – до амінокислот, жири – до гліцерину та карбонових кислот, вуглеводи – до глюкози, нуклеїнові кислоти – до нуклеотидів. Розпад високомолекулярних органічних сполук здійснюється або ферментами шлунково-кишкового трактуабо ферментами лізосом. Вся енергія, що вивільняється при цьому, розсіюється у вигляді тепла. Невеликі органічні молекули, що утворилися, можуть бути використані як «будівельний матеріал» або можуть піддаватися подальшому розщепленню.

Безкисневе окислення, або гліколіз

Цей етап полягає в подальшому розщепленні органічних речовин, що утворилися під час підготовчого етапу, відбувається в цитоплазмі клітини і присутності кисню не потребує. Головним джерелом енергії у клітині є глюкоза. Процес безкисневого неповного розщеплення глюкози. гліколіз.

Втрата електронів називається окисленням, придбання — відновленням, у своїй донор електронів окислюється, акцептор відновлюється.

Слід зазначити, що біологічне окиснення в клітинах може відбуватися як за участю кисню:

А + О 2 → АТ 2 ,

так і без його участі за рахунок перенесення атомів водню від однієї речовини до іншої. Наприклад, речовина "А" окислюється за рахунок речовини "В":

АН 2 + В → А + ВН 2

або за рахунок перенесення електронів, наприклад, двовалентне залізо окислюється до тривалентного:

Fe 2+ → Fe 3+ + e - .

Гліколіз - складний багатоступінчастий процес, що включає десять реакцій. Під час цього процесу відбувається дегідрування глюкози, акцептором водню служить кофермент НАД+ (нікотинамідаденіндінуклеотид). Глюкоза в результаті ланцюжка ферментативних реакцій перетворюється на дві молекули піровиноградної кислоти (ПВК), при цьому сумарно утворюються 2 молекули АТФ та відновлена ​​форма переносника водню НАД·Н 2:

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

Подальша доля ПВК залежить від присутності кисню у клітині. Якщо кисню немає, у дріжджів та рослин відбувається спиртове бродіння, при якому спочатку відбувається утворення оцтового альдегіду, а потім етилового спирту:

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

У тварин та деяких бактерій при нестачі кисню відбувається молочнокисле бродіння з утворенням молочної кислоти:

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

В результаті гліколіз однієї молекули глюкози вивільняється 200 кДж, з яких 120 кДж розсіюється у вигляді тепла, а 80% запасається у зв'язках АТФ.

Кисневе окиснення, або дихання

Полягає в повному розщепленні піровиноградної кислоти, відбувається в мітохондріях і за обов'язкової присутності кисню.

Пировиноградна кислота транспортується в мітохондрії (будова та функції мітохондрій - лекція №7). Тут відбувається дегідрування (відщеплення водню) та декарбоксилювання (відщеплення вуглекислого газу) ПВК з утворенням двовуглецевої ацетильної групи, яка вступає в цикл реакцій, що отримали назву реакцій циклу Кребса. Йде подальше окиснення, пов'язане з дегідруванням та декарбоксилюванням. В результаті на кожну зруйновану молекулу ПВК з мітохондрії видаляється три молекули СО 2; утворюється п'ять пар атомів водню, пов'язаних із переносниками (4НАД·Н 2 , ФАД·Н 2), а також одна молекула АТФ.

Сумарна реакція гліколізу та руйнування ПВК у мітохондріях до водню та вуглекислого газу виглядає наступним чином:

З 6 Н 12 О 6 + 6Н 2 О → 6СО 2 + 4АТФ + 12Н2.

Дві молекули АТФ утворюються в результаті гліколізу, дві - у циклі Кребса; дві пари атомів водню (2НАДЧН2) утворилися в результаті гліколізу, десять пар - у циклі Кребса.

Останнім етапом є окислення пар атомів водню за участю кисню до води з одночасним фосфорилуванням АДФ до АТФ. Водень передається трьом великим ферментним комплексам (флавопротеїни, коферменти Q, цитохроми) дихального ланцюга, розташованим у внутрішній мембрані мітохондрій. У водню відбираються електрони, які в матриксі мітохондрій з'єднуються з киснем:

О 2 + e - → О 2 - .

Протони закачуються в міжмембранний простір мітохондрій, «протонний резервуар». Внутрішня мембрана непроникна для іонів водню, з одного боку, вона заряджається негативно (за рахунок О 2 -), з іншого - позитивно (за рахунок Н +). Коли різниця потенціалів на внутрішній мембрані досягає 200 мВ, протони проходять через канал ферменту АТФ-синтетази, утворюється АТФ, а цитохромоксидаз каталізує відновлення кисню до води. Так, в результаті окислення дванадцяти пар атомів водню утворюється 34 молекули АТФ.