Спиртове бродіння відбувається у клітинах. Спиртове бродіння - магія перетворення цукру на етиловий спирт

1. Яка хімічна природа АТФ?

Відповідь. Аденозинтрифосфат (АТФ) - це нуклеотид, що складається з пуринової основи аденіну, моносахариду рибози та 3-х залишків фосфорної кислоти. У всіх живих організмах виконує роль універсального акумулятора та переносника енергії. Під дією спеціальних ферментів кінцеві фосфатні групи відщеплюються зі звільненням енергії, що йде на м'язове скорочення, синтетичні та інші процеси життєдіяльності.

2. Які хімічні зв'язки називаються макроергічні?

Відповідь. Макроергічні називаються зв'язки між залишками фосфорної кислоти, так як при їх розриві виділяється велика кількість енергії (вчетверо більше, ніж при розщепленні інших хімічних зв'язків).

3. У яких клітинах АТФ найбільше?

Відповідь. Найбільший вміст АТФ у клітинах, у яких великі витрати енергії. Це клітини печінки та поперечнополосатої мускулатури.

Питання після §22

1. У клітинах яких організмів відбувається спиртове бродіння?

Відповідь. 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:

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

2. Звідки береться енергія для синтезу АТФ із АДФ?

Відповідь. Синтез АТФ складає наступних етапах. На етапі гліколізу відбувається розщеплення молекули глюкози, що містить шість атомів вуглецю (С6Н12О6), до двох молекул тривуглецевої піровиноградної кислоти, або ПВК (C3H4O3). Реакції гліколізу каталізуються багатьма ферментами, і вони протікають у цитоплазмі клітин. У результаті гліколізу при розщепленні 1 М глюкози виділяється 200 кДж енергії, але 60 % її розсіюється як тепла. 40% енергії, що залишилися, виявляється достатньо для синтезу з двох молекул АДФ двох молекул АТФ.

С6Н12О6 + 2Н3РО4 + 2АДФ → 2С3Н6О3 + 2АТФ + 2Н2О

В аеробних організмах після гліколізу (або спиртового бродіння) слід завершальний етап енергетичного обміну - повне кисневе розщеплення, або дихання клітин. У процесі третього етапу органічні речовини, що утворилися в ході другого етапу при безкисневому розщепленні і містять великі запаси хімічної енергії, окислюються до кінцевих продуктів СО2 і Н2О. Цей процес, як і і гліколіз, є багатостадійним, але відбувається над цитоплазмі, а мітохондріях. Внаслідок клітинного дихання при розпаді двох молекул молочної кислоти синтезуються 36 молекул АТФ:

2С3Н6О3 + 6О2 + 36АДФ + 36Н3РО4 → 6СО2 + 42Н2О + 36АТФ.

Таким чином, сумарно енергетичний обмін клітини у разі розпаду глюкози можна так:

С6Н12О6 + 6О2 + 38АДФ + 38Н3РО4 → 6СО2 + 44Н2О + 38АТФ.

3. Які етапи виділяють у енергетичному обміні?

Відповідь. І етап, підготовчий

Складні органічні сполуки розпадаються на прості під впливом травних ферментів, у своїй виділяється лише теплова енергія.

Білки → амінокислоти

Жири → гліцерин та жирні кислоти

Крохмаль → глюкоза

II етап, гліколіз (безкисневий)

Здійснюється у цитоплазмі, з мембранами не пов'язаний. У ньому беруть участь ферменти; розщепленню піддається глюкоза. 60% енергії розсіюється як тепла, а 40% - використовується для синтезу АТФ. Кисень не бере участі.

III етап, клітинне дихання (кисневий)

Здійснюється в мітохондріях, пов'язаний з матриксом мітохондрій та внутрішньою мембраною. У ньому беруть участь ферменти, кисень. Розщепленню піддається молочна кислота. СО2 виділяється з мітохондрій у навколишнє середовище. Атом водню входить у ланцюг реакцій, кінцевий результат яких - синтез АТФ.

Відповідь. Всі прояви життя аеробів потребують витрати енергії, поповнення якої відбувається в клітинному диханні – складному процесі, до якого залучено багато ферментних систем.

Тим часом, його можна представити як ряд послідовних реакцій окислення - відновлення, при яких електрони від'єднуються від молекули будь-якої поживної речовини і переносяться спочатку на первинний акцептор, потім на вторинний і далі до кінцевого. У цьому енергія потоку електронів накопичується в макроергічних хімічних зв'язках (переважно, фосфатних зв'язках універсального джерела енергії – АТФ). Більшість організмів кінцевим акцептором електронів служить кисень, який, реагуючи з електронами і іонами водню, утворює молекулу води. Без кисню обходяться лише анаероби, що покривають свої енергетичні потреби з допомогою бродіння. До анаеробів належать багато бактерій, війкові інфузорії, деякі черв'яки та кілька видів молюсків. Ці організми як кінцевий акцептор електронів використовують етиловий або бутиловий спирт, гліцерин та ін.

Перевага кисневого, тобто аеробного типу енергетичного обміну над анаеробним очевидна: кількість енергії, що виділяється при окисленні поживної речовини киснем, у кілька разів вище, ніж при його окисленні, наприклад, піровиноградною кислотою (відбувається за такого поширеного типу бродіння, як гліколіз). Таким чином, завдяки високій окисній здатності кисню, аероби ефективніше використовують поживні речовини, що споживаються, ніж анаероби. Разом з тим, аеробні організми можуть існувати лише в середовищі, що містить вільний молекулярний кисень. Інакше вони гинуть.

При спиртовому бродінні крім основних продуктів - спирту і СО 2 з цукрів виникає безліч інших, так званих вторинних продуктів бродіння. З 100 г З 6 Н 12 Про 6 утворюється 48,4 г етилового спирту, 46,6 г діоксиду вуглецю, 3,3 г гліцерину, 0,5 г бурштинової кислоти та 1,2 г суміші молочної кислоти, ацетальдегіду, ацетоїну та інших органічних сполук.

Поряд із цим дріжджові клітини в період розмноження та логарифмічного зростання споживають із виноградного сусла амінокислоти, необхідні для побудови власних білків. У цьому утворюються побічні продукти бродіння, переважно вищі спирти.

У сучасній схемі спиртового бродіння налічується 10-12 фаз біохімічних перетворень гексоз під впливом комплексу ферментів дріжджів. У спрощеному вигляді можна виділити три етапи спиртового бродіння.

Iетап - фосфорилювання та розпад гексоз.На цьому етапі протікає кілька реакцій, внаслідок яких гексоза перетворюється на тріозофосфат:

АТФ → АДФ

Головну роль передачі енергії в біохімічних реакціях грають АТФ (аденозинтрифосфат) і АДФ (аденозиндифосфат). Вони входять до складу ферментів, акумулюють велику кількість енергії, необхідної для здійснення життєвих процесів, і являють собою аденозин – складову частину нуклеїнових кислот – із залишками фосфорної кислоти. Спочатку утворюється аденілова кислота (монофосфат аденозину, або аденозинмонофосфат - АМФ):

Якщо позначити аденозин літерою А, то будова АТФ може бути представлена ​​у такому вигляді:

А-О-Р-О ~ Р - О ~ Р- ВІН

Значком з ~ позначені так звані макроергічні фосфатні зв'язки, надзвичайно багаті на енергію, що виділяється при відщепленні залишків фосфорної кислоти. Передача енергії з АТФ на АДФ може бути подана наступною схемою:

Енергія, що виділяється, використовується дріжджовими клітинами для забезпечення життєвих функцій, зокрема їх розмноження. Першим актом виділення енергії є утворення фосфорних ефірів гексоз - фосфорилювання їх. Приєднання до гексоз залишку фосфорної кислоти від АТФ відбувається під дією ферменту фосфогексокінази, що поставляється дріжджами (молекулу фосфату позначимо буквою Р):

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

Як видно з наведеної схеми, фосфорилювання відбувається двічі, причому фосфорний ефір глюкози під дією ферменту ізомерази оборотно перетворюється на фосфорний ефір фруктози, що має симетричне фуранове кільце. Симетричне розташування залишків фосфорної кислоти по кінцях молекули фруктози полегшує її подальший розрив саме в середині. Розпад гексоз на дві тріози каталізує фермент альдолаза; в результаті розпаду утворюється нерівноважна суміш 3-фосфогліцеринового альдегіду і фосфодіоксіацетону:

Фосфогліцериновий альдегід (3,5 %) Фосфодіоксі-ацетон (96,5 %)

У подальших реакціях бере участь лише 3-фосфогліцериновий альдегід, вміст якого постійно поповнюється під дією ферменту ізомерази на молекули фосфодіоксіацетону.

ІІ етап спиртового бродіння- Утворення піровиноградної кислоти. На другому етапі тріозофосфат у вигляді 3-фосфогліцеринового альдегіду під дією окисного ферменту дегідрогенази окислюється у фосфогліцеринову кислоту, а вона за участю відповідних ферментів (фосфогліцеромази та енолази) і системи ЛДФ - АТФ перетворюється на

Спочатку кожна молекула 3-фосфогліцеринового альдегіду приєднує ще один залишок фосфорної кислоти (за рахунок молекули неорганічного фосфору) і утворюється 1,3-дифосфогліцериновий альдегід. Потім в анаеробних умовах відбувається його окислення в 1,3-дифосфогліцеринову кислоту:

Активною групою дегідрогенази є кофермент складної органічної будови НАД (нікотинамідаденіндінуклеотид), що фіксує своїм нікотинамідним ядром два атоми водню:

НАД+ + 2Н+ + НАД Н2

НАД окислений НАД відновлений

Окислюючи субстрат, кофермент НАД стає володарем вільних іонів водню, що надає йому відновлювального потенціалу. Тому бродяче сусло завжди характеризується високою здатністю, що відновлює, що має велике практичне значення у виноробстві: знижується рН середовища, відновлюються тимчасово окислені речовини, гинуть патогенні мікроорганізми.

У заключній фазі II етапу спиртового бродіння фермент фосфотрансферазу двічі каталізує перенесення залишку фосфорної кислоти, а фосфогліцеромутазу переміщає його від 3-го вуглецевого атома до 2-го, відкриваючи можливість ферменту енолазі утворити піровиноградну кислоту:

1,3-Дифосогліцериновая кислота 2-Фосфоггліцериновая кислота Пировиноградна кислота

У зв'язку з тим, що з однієї молекули двічі фосфорильованої гексози (витрачено 2 АТФ) виходять дві молекули двічі фосфорильованих тріоз (утворено 4 АТФ), чистим енергетичним балансом ферментативного розпаду цукрів є утворення 2 АТФ. Ця енергія забезпечує життєві функції дріжджів і викликає підвищення температури середовища.

Всі реакції, що передують утворенню піровиноградної кислоти, властиві як анаеробному зброджуванню цукрів, так і дихання найпростіших організмів та рослин. ІІІ етап має відношення тільки до спиртового бродіння.

IIIетап спиртового бродіння – утворення етилового спирту.На заключному етапі спиртового бродіння піровиноградна кислота під дією ферменту декарбоксилази декарбоксилюється з утворенням ацетальдегіду та діоксиду вуглецю, а за участю ферменту алкогольдегідрогенази та коферменту НАД-Н2 відбувається відновлення ацетальдегіду в етиловий спирт:

Пировиноградна кислота Ацетилальдегід Етиловий спирт

Якщо в суслі, що бродить, є надлишок вільної сірчистої кислоти, то частина ацетальдегіду зв'язується в альдегідсернисту сполуку: у кожному літрі сусла 100 мг Н2SO3 пов'язують 66 мг СН3СОН.

Згодом за наявності кисню ця нестійка сполука розпадається, і у виноматеріалі виявляють вільний ацетальдегід, що особливо небажано для шампанських та столових виноматеріалів.

У стислому вигляді анаеробне перетворення гексози на етиловий спирт може бути представлено наступною схемою:

Як видно із схеми спиртового бродіння, спершу утворюються фосфорні ефіри гексозу. При цьому молекули глюкози та фруктози під дією ферменту гексокенази приєднують залишок фосфорної кислоти від аденозиттрифосфату (АТФ), при цьому утворюється глюкоза-6-фосфат та аденозитдифосфат (АДФ).

Глюкоза-6-фосфат під дією ферменту ізомерази перетворюється на фруктозу-6-фосфат, що приєднує ще один залишок фосфорної кислоти з АТФ і утворює фруктозу-1,6-дифосфат. Ця реакція каталізується фосфофруктокіназою. Утворенням цієї хімічної сполуки закінчується перша підготовча стадія анаеробного розпаду цукрів.

В результаті цих реакцій молекула цукру переходить в оксиформу, набуває більшої лабільності і стає більш здатною до ферментативних перетворень.

Під впливом ферменту альдолази фруктоза-1,6-дифосфат розщеплюється на гліцеринальдегідофосфорну та діоксиацетонофосфорну кислоти, здатні перетворюватися одна на одну під дією ферменту тріозофосфатизомерази. Подальшому перетворенню піддається фосфогліцериновий альдегід, якого утворюється приблизно 3% порівняно з 97% фосфодіоксиацетону. Фосфодіоксіацетон, у міру використання фосфогліцеринового альдегіду, перетворюється під дією ізомерази фосфотріоз на 3-фосфогліцериновий альдегід.

На другій стадії 3-фосфогліцериновий альдегід приєднує ще один залишок фосфорної кислоти (за рахунок неорганічного фосфору) з утворенням 1, 3-дифосфогліцеринового альдегіду, який дегідрується під дією тріозофосфатдегідрогенази і дає 1, 3-дифосфо. Водень, у разі, переноситься на окислену форму коферменту НАД. 1, 3-дифосфогліцеринова кислота, віддаючи АДФ (під дією ферменту фосфогліцераткенази) один залишок фосфорної кислоти, перетворюється на 3-фосфогліцеринову кислоту, яка під дією ферменту фосфогліцероматази перетворюється на 2-фосфогліцеринову кислоту. Остання, під дією фосфопіруватгідратази, перетворюється на фосфоенолпіровіноградну кислоту. Далі, за участю ферменту піруваткенази, фосфоенолпіровиноградна кислота передає залишок фосфорної кислоти молекулі АДФ, внаслідок чого утворюється молекула АТФ і молекула енолпіровиноградної кислоти перетворюється на піровиноградну кислоту.

Третя стадія спиртового бродіння характеризується розщепленням піровиноградної кислоти під дією ферменту піруватдекарбоксилази на діоксид вуглецю та оцтовий альдегід, який під дією ферменту алкогольдегідрогенази (коферментом її є НАД) відновлюється в етиловий спирт.

Сумарне рівняння спиртового бродіння може бути подане так:

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

Таким чином, при бродінні відбувається перетворення однієї молекули глюкози на дві молекули етанолу і дві молекули діоксиду вуглецю.

Але вказаний хід бродіння не єдиний. Якщо, наприклад, в субстраті немає ферменту піруватдекарбоксилази, то не відбувається розщеплення піровиноградної кислоти до оцтового альдегіду і відновлення безпосередньо піддається піровиноградна кислота, перетворюючись на молочну кислоту в присутності лактатдегідрогенази.

У виноробстві бродіння глюкози та фруктози відбувається у присутності бісульфіту натрію. Оцтовий альдегід, що утворюється при декарбоксилювання піровиноградної кислоти, видаляється в результаті зв'язування бісульфітом. Місце оцтового альдегіду займають діоксиацетонфосфат і 3-фосфогліцериновий альдегід, вони одержують водень від відновлених хімічних сполук, утворюючи гліцерофосфат, який перетворюється внаслідок дефосфорилювання на гліцерин. Це друга форма бродіння Нейбергом. За цією схемою спиртового бродіння відбувається накопичення гліцерину та оцтового альдегіду у вигляді бісульфітної похідної.

Речовини, що утворюються при бродінні.

В даний час в продуктах бродіння знайдено близько 50 вищих спиртів, які мають різноманітні запахи і суттєво впливають на аромат та букет вина. У найбільших кількостях при бродінні утворюються ізоаміловий, ізобутиловий та N-пропіловий спирти. У мускатних ігристих і столових напівсолодких винах, одержуваних шляхом так званого біологічного азотопониження, велику кількість(до 100 мг/дм3) знайдено ароматичні вищі спирти β-фенілетанол (ФЕС), тирозол, терпеновий спирт фарнезол, що володіють ароматом троянди, конвалії, квітів липи. Їхня присутність у невеликій кількості бажана. Крім того, при витримці вина вищі спирти вступають в етерифікацію з леткими кислотами і утворюють складні ефіри, що надають провину сприятливих ефірних тонів зрілості букета.

Надалі було доведено, що основна маса аліфатичних вищих спиртів утворюється з піровиноградної кислоти шляхом переамінування та безпосереднього біосинтезу за участю амінокислот та ацетальдегіду. Але найбільш цінні ароматичні вищі спирти утворюються лише з відповідних амінокислот ароматичного ряду, наприклад:

Освіта вищих спиртів у вині залежить багатьох чинників. У нормальних умовах накопичується в середньому 250 мг/дм3. При повільному тривалому бродінні кількість вищих спиртів зростає, у разі підвищення температури бродіння до 30 °З - зменшується. В умовах потокового безперервно бродіння розмноження дріжджів дуже обмежене і вищих спиртів утворюється менше, ніж при періодичному способі бродіння.

При зменшенні кількості дріжджових клітин в результаті охолодження, відстоювання і грубої фільтрації сусла, що забродить, відбувається повільне накопичення біомаси дріжджів і одночасно зростає кількість вищих спиртів, перш за все ароматичного ряду.

Підвищена кількість вищих спиртів небажана для білих сухих, шампанських і коньячних виноматеріалів, проте надає різноманіття відтінків в ароматі і смаку червоним столовим, ігристим і міцним винам.

Спиртове бродіння виноградного сусла пов'язане також з утворенням високомолекулярних альдегідів та кетонів, летких та жирних кислот та їх ефірів, що мають значення у формуванні букету та смаку вина.

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, т. е. у реакціях розщеплення органічних речовин, у клітині. Залежно від специфіки організму та умов його проживання дисиміляція може проходити у два чи три етапи. Які етапи виділяють у енергетичному обміні? 1-підготовчий; заключ. в розпаді великих органічних молекул до більш простих: полісах.-моносах., ліпіди-глиц. і жир. кислоти, білки-а.к. Розщеплення відбувається у ПС. Енергії виділяється мало, при цьому вона розсіюється як тепла. З'єднання, що утворюються (моносах., жир. кислоти, а. до. 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.піровиноградної 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 хім.енергії, окислюються до кінцевих продуктів СО2 та 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 енергетичного обміну у аеробів і анаеробів? Більшість жив.істот, що живуть Землі, ставляться до аеробам, тобто. використовують у процесах ОВ О2 з довкілля. У аеробів енерг.обмін відбувається в 3 етапи: подготов., бескислор.і кисень. Внаслідок цього орган.вещ-ва розпадаються до найпростіших неорган.соединений. У організмів, що мешкають в безкисному середовищі і не потребують кисню, - анаеробів, а також у аеробів при нестачі кисню асиміляція відбувається в два етапи: підготовчий і 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)

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 фосфорилювання. Бродіння відбувається в анаеробних умовах. Примітивність бродіння пояснюється тим, що при бродінні відбувається розщеплення субстрату в повному обсязі, а утворені в ході бродіння речовини (спирти, органічні кислоти і т.д.) 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 в умовах анаеробіозу в центрі знаходиться 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 одну 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
Сталася освіта 3-ФГК. Тепер можна підбити деякі підсумки. Клітина цьому етапі " повернула " свої енергетичні витрати: 2 молекули АТФ були витрачені і 2 молекули АТФ синтезувалися на 1 молекулу глюкози. На цьому ж етапі реакції окислення 3-ФГА до 1,3-ФГК і утворення АТФ має місце перше субстратне фосфорилювання. Енергія звільняється і запасається в макроергічних фосфатних зв'язках АТФ в 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 в 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 окислювально-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 баланс процесу: С6+2АТФ=2С3+4 АТФ+2НАДФ∙Н2

ГОМОФЕРМЕНТАТИВНЕ МОЛОЧНО-КИСНЕ БРОДЖЕННЯ

Здійснюється молочнокислими бактеріями. Які розщеплюють вуглеводи гліколітичним шляхом з останнім утворенням з пірувату молочної кислоти. У ГФМК-бактерій проблема донорно-акцепторного 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. Всі 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 дихальної 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 - тріозофосфатізомераза; Ф6 - фофоза; - 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. За 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, харчовий тракт людини та 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 є 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 широко 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 (кульці із соку агави), але в основі бродіння лежить не гліколіз, а шлях Ентнера – Дудорова чи 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 карбоксилюванням, яке призводить до виникнення нового акцептора водню — ЩУК. Відновлення піровиноградної кислоти пропіонову у пропіоновокислих бактерій протікає наступним чином. Пировиноградна кислота карбоксилюється в реакції, що каталізується біотинзалежним ферментом, у якого біотин виконує функцію переносника CO2. Донором CO2-групи служить 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 B12.

Енергетичний баланс на 1 молекулу глюкози утворюється 2 молекули пропіонової кислоти та 4 молекули АТФ.
Бактерії р. Propionibacterium - це Г+ палички, неспороутворюючі, 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-дегідрогеназа; 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 на ряду з олійною кислотою та ацетатом можуть бути: етанол, ацетон, бутиловий спирт, ізопропіловий спирт.

АЦЕТОНОБУТИЛОВЕ БРОДЖЕННЯ

При ацетонобутиловому бродінні продуценти в молодому віці (логарифмічна фаза росту) 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 в 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).

1. Чи можуть фото- та хемосинтезуючі організмиотримувати енергію завдяки окислення органіки? Звісно, ​​можуть. Для рослин і хемосинтетиків характерне окислення, адже їм потрібна енергія! Однак автотрофи окислятимуть ті речовини, які вони самі синтезували.

2. Навіщо аеробним організмам кисень? Яка роль біологічного окиснення? Кисень є кінцевим акцептором електронів, які приходять з вищих енергетичних рівнівокислюваних речовин. У ході цього процесу електрони вивільняють значну кількість енергії, та роль окислення саме в цьому! Окислення - це втрата електронів чи атома водню, відновлення - їх приєднання.

3. У чому різниця горіння та біологічного окислення? Внаслідок горіння вся енергія повністю виділяється у вигляді тепла. Але при окисленні все складніше: лише 45 відсотків енергії також виділяється у вигляді тепла і витрачається для підтримки нормальної температури тіла. Але 55 відсотків - у вигляді енергії АТФта інших біологічних акумуляторів. Отже, більша частина енергії все ж таки йде на створення високоенергетичних зв'язків.

Етапи енергетичного обміну

1. Підготовчий етапхарактеризується розщепленням полімерів до мономерів(полісахариди перетворюються на глюкозу, білки на амінокислоти), жирів до гліцерину та жирних кислот. На цьому етапі виділяється деяка кількість енергії у вигляді тепла. Процес протікає в клітині лізосомах, на рівні організму - в травній системі . Саме тому після початку процесу травлення температура тіла підвищується.

2. Гліколіз, або безкисневий етап- відбувається неповне окиснення глюкози.

3. Кисневий етап- Остаточне розщеплення глюкози.

Гліколіз

1. Гліколізйде у цитоплазмі. Глюкоза С 6 H 12 Про 6 розщеплюється до ПВК (піровиноградної кислоти) 3 H 4 Про 3 - на дві тривуглецеві молекули ПВК. Тут беруть участь 9 різних ферментів.

1) При цьому у двох молекул ПВК на 4 атоми водню менше, ніж у глюкози С 6 H 12 О 6 , С 3 H 4 О 3 - ПВК (2 молекули - С 6 H 8 O 6).

2) Куди витрачаються 4 атоми водню?За рахунок 2 атомів відновлюються 2 атоми НАД+ у два НАДH. За рахунок інших 2 атомів водню ПВК зможе перетворитися на молочну кислоту С 3 H 6 Про 3 .

3) А за рахунок енергії електронів, перенесених з високих енергетичних рівнів глюкози на нижчий рівень НАД+, синтезуються 2 молекули АТФз АДФ та фосфорної кислоти.

4) Частина енергії витрачається у вигляді тепла.

2. Якщо кисень у клітині відсутня, чи його мало, то 2 молекули ПВК відновлюються з допомогою двох НАДH до молочної кислоти: 2С 3 H 4 Про 3 + 2НАДH + 2H+ = 2С 3 H 6 Про 3 (молочна кислота) + 2HАД+. Присутність молочної кислоти є причиною болю в м'язах при навантаженнях та нестачі кисню. Після активного навантаження кислота відправляється в печінку, де від неї відщеплюється водень, тобто вона знову перетворюється на ПВК. Ця ПВК може піти у мітохондрії для повного розщеплення та утворення АТФ. Частина АТФ витрачається на те, щоб перетворити більшу частину ПВК знову на глюкозу шляхом звернення гліколізу. Глюкоза з кров'ю піде в м'язи і зберігатиметься у вигляді глікогену.

3. В результаті безкисневого окислення глюкозистворюється всього 2 молекули АТФ.

4. Якщо в клітці вже є, або починає до неї надходити кисень, ПВК вже не може відновитися до молочної кислоти, а відправляється в мітохондрії, де йде її повне окислення до СO 2 іH 2 Про.

Бродіння

1. Бродіння- це анаеробний (безкисневий) метаболічний розпад молекул різних поживних речовин, наприклад, глюкози.

2. Спиртове, молочнокисле, маслянокисле, ускуснокисле бродіння йде в анаеробних умовах у цитоплазмі. Насправді, як процес бродіння відповідає гліколізу.

3. Спиртове бродіння специфічне для дріжджів, деяких грибів, рослин, бактерій, які у безкисневих умовах переходять на бродіння.

4. Для вирішення завдань важливо знати, що у кожному випадку при бродінні з глюкози виділяється 2 АТФ, спирт, або кислоти- олійна, оцтова, молочна. При спиртовому (і маслянокислому) бродінні з глюкози виділяються як спирт, АТФ, а й вуглекислий газ.

Кисневий етап енергетичного обмінувключає дві стадії.

1. Цикл трикарбонових кислот (цикл Кребса).

2. Окисне фосфорилювання.