Маслянокислое брожение: общие сведения
Маслянокислое брожение - еще один вариант решения донор- акцепторной проблемы на базе гликолитически образованного пирувата . Новое в маслянокислом брожении - возникновение реакций конденсации типа (С2 + С2 приводит к С4), в результате чего образуется С4-акцепторная кислота. Судьба этой кисдоты различна и определяется необходимостью акцептирования водорода с НАД*Н2 , освобождающегося в процессе брожения , а это, в свою очередь, тесно связано с оттоком водорода на конструктивные процессы. В качестве конечных С4-продуктов в процессе брожения возникают соединения различной степени восстановленности. Характерным С4-продуктом брожения является масляная кислота . Осуществляют такой тип брожения многие бактерии относящиеся к роду Clostridium .
Типичными представителями клостридиев, осуществляющи маслянокислое брожение, являются Сlostridium butyricum и Сlostridium pasteurianum . Они сбраживают сахара с образованием масляной и уксусной кислот, СО2 и Н2 ( рис. 57 ). Превращение глюкозы до пирувата осуществляется по гликолитическому пути . Следующая реакция - разложение пирувата до ацетил-КоA и СО2, сопровождающееся образованием восстановленного ферредоксина (Фд) . Реакция катализируется ферментом пируват:ферредоксин-оксидоредуктазой и является ключевой в маслянокислом брожении. Особенности реакции - участие в ней белков, содержащих негемовое железо и кислотолабильную серу ( FeS-белки ). Кислотолабильной она названа потому, что при кислотной обработке белка происходит ее выделение в виде H2S.
Образующийся в реакции восстановленный ферредоксин поставляет электроны для восстановления N2, протонов (Н+), СО2 и НАДФ+ , а последующее превращение ацетил-КоA приводит к синтезу АТФ в реакции субстратного фосфорилирования .
Путь, ведущий к синтезу масляной кислоты , начинается с реакции конденсации двух молекул ацетил-КоА ( рис. 57 ). Образовавшийся ацетоацетил-КоA восстанавливается в бета-оксибутирил-КоA . Источником электронов в этой реакции и дальше на пути синтеза масляной кислоты служат молекулы НАД*Н2 , образующиеся при окислении 3-ФГА в 1,3-ФГК ( рис. 53 ).
Дальнейшее превращение заключается в отщеплении от молекулы бета-оксибутирил-КоA молекулы воды, что приводит к образованию соединения с двойной углеродной связью. Кротонил-КоA ферментативно восстанавливается в бутирил-КоA . Масляная кислота образуется в реакции переноса кофермента A с молекулы бутирил-КоA на ацетат . Эта реакция более "выгодна" для клетки, так как не приводит к потере энергии (в отличие от реакции простого гидролиза). Образующийся в реакции ацетил- КоA возвращается в метаболический поток и может быть использован для синтеза АТФ (реакция 7 на рис. 57 ) или же вновь участвовать в последовательности реакций, ведущих к синтезу масляной кислоты (реакции 2-6, там же).
Разобранный выше путь, завершающийся синтезом масляной кислоты, не связан с получением клеткой энергии, поскольку ни на одном из этапов не происходит образования АТФ. Единственное назначение метаболических превращений ацетил-КоA по этому пути - акцептирование электронов, переносимых на НАД+ в процессе гликолитического метаболизирования глюкозы: две молекулы НАД*Н2 образуются на этапе гликолиза, и на двух этапах превращений ацетил-КоA до масляной кислоты происходит по требление водорода с НАД*Н2.
В связи с этим особо важное значение приобретает превращение ацетил-КоA, ведущее к синтезу ацетата , поскольку именно с этим путем связано дополнительное получение клостридиями энергии в процессе маслянокислого брожения. Процесс включает несколько ферментативных реакций ( рис. 57 ). Сначала имеет место окислительное декарбоксилирование пировинограднои кислоты , катализируемое пируват: ферредоксин- оксидоредуктазой. Далее с помощью гидрогеназы происходит выделение молекулярного водорода с восстановленного ферредоксина.
Ацетил-КоA превращается в ацетилфосфат, а затем в ацетат, при этом синтезируется молекула АТФ. Две последние реакции аналогичны тем, которые происходят при образовании уксусной кислоты в пропионовокислом брожении (см. рис. 56 ).
Основным источником выделяемых при брожении газообразных продуктов (СО2 и Н2) служит реакция окислительного декарбоксилирования пирувата. У клостридиев описаны и другие пути образования молекулярного водорода. В частности, НАД*Н2 , возникающий на гликолитическом пути, может восстанавливать ферредоксин в реакции, катализируемой НАД*Н2: ферредоксин-оксидоредуктазой, а с восстановленного ферредоксина Н2 выделяется при участии гидрогеназы. Как видно, природа нашла различные пути для избавления от избытка восстановительных эквивалентов и для регенерирования и последующего возвращения в клеточный метаболизм промежуточных переносчиков водорода.
Выведение уравнения маслянокислого брожения и определение его энергетического выхода затруднительно из-за лабильности процесса, состоящего из двух основных ответвлений: одного - окислительного, ведущего к образованию ацетата и АТФ, другого - восстановительного, функция которого - акцептирование водорода, образовавшегося в процессе гликолиза. Количественное соотношение между обоими ответвлениями зависит от многих внешних факторов (состав среды, стадия роста и др.).
Расчеты показали, что в целом на 1 моль сбраживаемой глюкозы в маслянокислом брожении образуется 3,3 моля АТФ . Это наиболее высокий энергетический выход брожения, т.е. получения энергии за счет субстратного фосфорилирования .
