Брожения. Типы жизни, основанные на субстратном фосфорилировании

Сбраживаемые субстраты и образующиеся продукты
Круг сбраживаемых субстратов очень широк: углеводы, спирты, органические кислоты, аминокислоты, пурины, пиримидины, реже углеводороды.
Продукты брожения: молочная, уксусная, масляная, пропионовая, муравьиновая и другие кислоты; этиловый, пропиловый, изопропиловый, бутиловый и другие спирты; ацетон, СО2 и Н2.

Энергетическая характеристика брожения
Неполное окисление – энергетический выход невелик;
Часть энергии аккумулируется в виде АТФ, который синтезируется в ходе окисления (субстратное фосфорилирование); Реакции, ведущие к синтезу АТФ делят на два типа:
Окислительно-восстановительные реакции (гликолиз)
Расщепление субстратов или промежуточных продуктов. Например:

Энергетическая характеристика брожения
Ксилулозо-5-ф + Н3РО4 → 3-ФГА + ацетилфосфат + Н2О
ксилулозо-5-фосфатлиаза
СН3-СО~РО4¯ + АДФ → СН3СООН + АТФ
Ацетилфосфат
Цитруллин + Н3РО4 → орнитин + Н2N-CO~ РО4¯
цитруллинлиаза карбамоилфосфат
Н2N-CO~ РО4¯ + АДФ → Н2N-COОН + АТФ
карбомат
Особенностью прокариотов является использование тиоэфиров для синтеза АТФ через стадию образования ацетил- или ацилфосфатов.

Главные реакции синтеза субстратного АТФ
Ацетилфосфаткиназа
1. СН3-СО~РО4¯ + АДФ → СН3СООН + АТФ
Ацетилфосфат уксусная кислота
1,3-дифосфоглицераткиназа
2. 1,3-дифосфоглицерат + АДФ → 3-фосфоглицерат + АТФ
пируваткиназа
3. Фосфоенолпируват + АДФ → пируват + АТФ

Другие реакции, встречающиеся в специфических видах брожения
Например, сбраживание пиримидинов и аргинина р.Streptococcus:
Н2N-CO~ РО4¯ + АДФ → Н2N-COОН + АТФ
карбамоилфосфат карбомат
Один из видов р. Clostridium:
НСО~ТГФК + АДФ + Н3РО4 → НСООН + АТФ + ТГФК
формилтетрагидрофолат муравьиновая
кислота
Все процессы субстратного фосфорилирования локализованы в цитоплазме.

Особенности акцептирования электронов
Природа акцептирования электронов определяет: степень окисления субстрата; количество выделяемой энергии; характер образующихся продуктов.
Акцепторы обязательно эндогенного происхождения: пировиноградная кислота; уксусный альдегид; бутиловый альдегид и другие.
Низкий энергетический выход – большое количество окисляемого субстрата, большое количество образующихся продуктов.
Накопление продуктов брожения в среде – снижение скорости роста и гибель.

Гомоферментативное молочнокислое брожение
Основной путь окисления – гликолиз (путь Эмбдена-Мейергофа-Парнаса).
Основной окисляемый субстрат – глюкоза. Дисахариды: лактоза, мальтоза и другие гидролизуются. Моносахара превращаются в глюкозу.
Лактоза + Н2О → глюкоза + галактоза
β-галактозидаза
Галактоза + Н3РО4 → галактозо-1-фосфат
галактозо-1-фосфат + УДФ-глюкоза →глюкозо-1-фосфат + УДФ-галактоза↔УДФ-глюкоза

Гомоферментативное молочнокислое брожение
2. Мальтоза. Имеют фермент, расщепляющий мальтозу с одновременным фосфорилированием без затраты АТФ: мальтофосфорилаза
Мальтоза + Н3РО4 → глюкозо-1-фосфат + глюкоза
3. Полисахариды расщепляются также без дополнительных затрат энергии с последовательным отщеплением глюкозо-1-фосфата.
Синтез АТФ идет в 1,3-дифосфоглицератфосфаткиназной и пируваткиназной реакциях.
Акцептор электронов: пировиноградная кислота:
СН3-СО-СООН + НАДН + Н+ ↔ СН3-СНОН-СООН + НАД+
Лактатдегидрогеназа бактерий, осуществляющих МКБ, обладает высоким сродством к пирувату.

Бактерии, осуществляющие гомоферментативное МКБ
Стрептококки из родов: Streptococcus, Pediococcus
Лактобактерии из родов: Lactobacillus, Lactobacterium Лактатдегидрогеназа у разных видов содержится в виде оптических изомеров, поэтому продуцируется D- или L-молочная кислота.
Бактерии аэротолерантные анаэробы, в клетках присутствует большое количество флавинзависимых оксигеназ, продуцирующих Н2О2. Каталазы нет, перекись накапливается в клетках и генерирует супероксид, который нейтрализуется Mn2+ (30 mM). Также для защиты от кислорода используются метаболиты: насыщенные жирные кислоты; липиды; аминокислоты; нуклеотиды.

Бактерии, осуществляющие гомоферментативное МКБ
Конструктивный метаболизм: слабое развитие биосинтетических путей. Растут на богатой органикой средах - сапротрофы: молоке, молочных продуктах, животных и растительных остатках, в ЖКТ и слизистых оболочках животных.
Используются для получения различных молочнокислых продуктов, солений, квашений и силоса.
Скисание сливок для получения сливочного масла: Str. Lactic. Образуют ацетоин и диацетил. Субстрат – лимонная кислота.
цитратлиаза
Цитрат → уксусная + щавелевоуксусная кислота

Бактерии, осуществляющие гомоферментативное МКБ
оксалоацетатдекарбоксилаза
НООС-СН2-СО-СООН → СН3-СО-СООН + СО2
Оксалоацетат пируват
Метаболизм ПВК идет двумя путями:
Восстановление до молочной кислоты
Декарбоксилирование с участием КоА в ацетил-КоА
СН3-СО-СООН + КоА-SH → CO2 + CH3-CO~S-KoA
CH3-CO~S-KoA + CH3-CO~S-KoA → CH3-CO-CO-CH3 + 2KoA
диацетил
CH3-CO-CO-CH3 + НАДН + Н+ → СН3-СНОН-СО-СН3 + НАД+
ацетоин
Биохимический смысл – дополнительные пути регенерации НАД+ без закисления среды.

Бактерии, осуществляющие гомоферментативное МКБ
Лактобактерии
Стрептококки

Гетероферментативное молочнокислое брожение
Начальный этап: реакции ПФ пути окисления глюкозы:
Г-6-Ф-дегидрогеназа
Глюкозо-6-фосфат + НАДФ+→ 6-фосфоглюколактон + НАДФН + Н+
лактоназа
6-фосфоглюлактон + Н2О →6-фосфоглюконовая кислота
6-фосфоглюконатДГ
6-фосфоглюконат + НАДФ+ →рибулозо-5-фосфат + СО2 + НАДФН + Н+

Гетероферментативное молочнокислое брожение
эпимераза
Рибулозо-5-фосфат ↔ ксилулозо-5-фосфат
Преимущества: Восстановление НАДФ+; образование пентоз для синтеза нуклеотидов.
Использование пути с энергетической целью: появление фермента – фосфопентокетолазы:
Ксилулозо-5-фосфат + Н3РО4 → СН3-СО~РО4¯ + 3-ФГА
гликолиз
Пути превращения ацетил-фосфата:
СН3-СО~РО4¯ + АДФ → СН3СООН + АТФ
СН3-СО~РО4¯ + НАДН + Н+ → СН3СОН + НАД+ + Н3РО4
СН3СОН + НАДН + Н+ →СН3-СН2-ОН + НАД+
Молочная кислота

Гетероферментативное молочнокислое брожение
Конечные продукты брожения: этиловый спирт, молочная кислота, углекислый газ, уксусная кислота.
Если брожение идет с образованием уксусной кислоты: 1 молекула глюкозы – 2 АТФ (3-1);
Если до этанола: 1 молекула глюкозы – 1 АТФ (2-1).
Бактерии, осуществляющие гетероферментативное МКБ: род Lactobacterium. Подразделяют на 2 подрода: Betabacterium; Streptobacterium.
Подрод Betabacterium – облигатные, не имеют ферментов – альдолазы и триозофосфат-изомеразы.
Подрод Streptobacterium – факультативные, формируют цепочки.

Пентозофосфатный цикл
Окислительный ПФП в дальнейшем замыкается в цикл и служит у многих бактерий для синтеза сахаров. Система включает два основных фермента: транскетолазу и трансальдолазу и производит гексозы:
Рибулозо-5-фосфат С3 С6
+С2 С3
Рибозо-5-фосфат С7 С4 С6
+С2
Ксилулозо-5-фосфат С3 С6

Трансальдолазные и транскетолазные реакции
ТА
Ксилулозо-5-фосфат + рибозо-5-фосфат →3-ФГА + седогептулозо-7-фосфат
ТК
3-ФГА + седогептулозо-7-фосфат → эритрозо-4-фосфат + фруктозо-6-фосфат
ТА
Эритрозо-4-фосфат + ксилулозо-5-фосфат → 3-ФГА + фруктозо-6-фосфат

Путь Энтнера-Дудорова
Модификация ПФП расщепления глюкозы:
дегидратаза
6-фосфоглюконовая кислота → 2-кето-3-дезокси-фосфоглюконовая кислота + Н2О
лиаза
2-кето-3-дезоксиглюконовая к-та → ПВК + 3-ФГА
3-ФГА → гликолиз
ПВК → ацетил-КоА
Результат пути: 1 молекула АТФ (2-1); НАДН и НАДФН
Бактерии: широкий круг, грам(-), факультативные аэробы: p. Azotobacter, Pseudomonas, Alcaligens, Rhizobium, Spirillum, Xantomonas, Thiobacillus