Брожение: энергетическая сторона брожения
Собственно энергетической стороной процессов брожения является их окислительная часть , поскольку реакции, ведущие к выделению энергии, - это реакции окисления. Существует несколько исключений из этого правила: некоторые анаэробы часть энергии при сбраживании субстрата получают также в результате его расщепления.
Примитивность процессов брожения заключается в том, что из субстрата в результате его анаэробного преобразования извлекается лишь незначительная доля той химической энергии, которая в нем содержится. Продукты, образующиеся в процессе брожения, все еще содержат в себе значительное количество энергии, заключавшейся в исходном субстрате. Чтобы четче представить разницу в энергетическом выходе процессов брожения и дыхания , приведем данные по изменению уровней стандартной свободной энергии для процессов гомоферментативного молочнокислого брожения и дыхания при одинаковом исходном энергетическом субстрате (глюкоза):
С6Н12О6 переходит при брожении в 2С3Н6О3; дельта G0' = -196,65 кДж/моль;
С6Н12О6 + 6О2 переходит при дыхании в 6СО2 + 6Н2О; дельта G0' = 2870,22 кДж/моль.
В процессе гомоферментативного молочнокислого брожения синтезируются 2 молекулы АТФ на 1 молекулу сброженной глюкозы; в процессе дыхания при полном окислении молекулы глюкозы образуется 38 молекул АТФ. В обоих случаях эффективность запасания выделяющейся энергии в макроэргических связях АТФ приблизительно одинакова.
При брожении некоторые реакции на пути анаэробного преобразования субстрата связаны с наиболее примитивным типом фосфорилирования - субстратным фосфорилированием . К синтезу АТФ по механизму субстратного фосфорилирования ведут катаболические реакции , которые в зависимости от своей химической природы могут быть разделены на два типа. Большинство относится к окислительно-восстановительным реакциям. Богатые энергией соединения возникают в процессе брожения на этапах анаэробного окисления. Например, окисление фосфоглицеринового альдегида (ФГА) , катализируемое ФГА-дегидрогеназой, приводит к образованию богатого энергией метаболита - 1,3-дифосфоглицериновой кислоты (1,3-ФГК) . Анаэробное окисление пировиноградной или альфа-кетоглутаровой кислот приводит к образованию высокоэнергетических метаболитов - ацетил-KoA или сукцинил-KoA соответственно. (Символ KoA обозначает фермент, связанный с ацильной группой (R-CO-S-KoA), KoA-SH - находящийся в свободном состоянии).
Второй тип реакций связан с расщеплением субстратов или промежуточных продуктов, образующихся из них. Катализируются эти реакции ферментами, относящимися к классу лиаз . Например, у гетероферментативных молочнокислых бактерий высокоэнергетический ацетилфосфат образуется из ксилулозо-5-фосфата в реакции, катализируемой фосфокетолазой:
ксилулозо-5-фосфат + Фн приводит к ФГА + ацетилфосфат + Н2О.
К реакциям подобного типа относится также расщепление цитруллина , приводящее к синтезу карбамоилфосфата - соединения с макроэргической фосфатной связью:
цитруллин + Фн приводит к карбамоилфосфат + орнитин.
Богатые энергией соединения, образующиеся в реакциях рассмотренных выше типов, представляют в большинстве случаев ангидриды фосфорной кислоты или тиоэфиры органических кислот. Последние используются для синтеза АТФ через ферментативную стадию образования соответствующих ацилфосфатов:
ацил-КоA + Фн приводит к ацилфосфат + КоA-SH.
Из других высокоэнергетических соединений важное место в энергетике процессов брожения принадлежит фосфоенолпировиноградной кислоте (ФЕП) . Эти соединения характеризуются тем, что свободная энергия, освобождающаяся при их гидролизе, находится в области значений от -35 до -88 кДж/моль и с помощью соответствующих ферментов может быть перенесена на молекулы АДФ .
Несмотря на большое число углеродных субстратов, доступных для сбраживания, количество реакций, приводящих непосредственно к синтезу АТФ при брожениях, сравнительно невелико. Наиболее распространены следующие из них:
(1) ацетилфосфат + АДФ приводит к ацетат + АТФ;
(2) 1,3-фосфоглицериновая кислота + АДФ приводит к 3-фосфоглицериновая кислота-+АТФ;
(3) фосфоенолпировиноградная кислота + АДФ приводит к пировиноградная кислота + АТФ.
Другие реакции субстратного фосфорилирования ограничены какими- либо специфическими видами брожения. Например, сбраживание некоторых пиримидинов и аргинина , осуществляемое отдельными видами бактерий из рода Streptococcus , приводит к образованию карбамоилфосфата , фосфатная группа которого переносится на АДФ в реакции, катализируемой карбаматкиназой:
карбамоилфосфат + АДФ приводит к карбамат + АТФ.
Один вид клостридиев ( С.cylindrosporum ), сбраживающий пурины , способен образовывать формиат и тетрагидрофолат (ТГФК) из формилтетрагидрофолиевой кислоты в реакции, сопровождающейся фосфорилированием АДФ:
формил-ТГФК + АДФ + Фн приводит к формиат + ТГФК + АТФ.
Для этого вида указанная реакция служит основным путем получения АТФ.
Все реакции субстратного фосфорилирования локализованы в цитозоле клетки. Это указывает на простоту химических механизмов, лежащих в основе субстратного фосфорилирования.
