Спиртовое брожение: общие сведения
Наиболее простой способ решения донор-акцепторной проблемы реализуется в виде молочнокислого брожения у группы гомоферментативных молочнокислых бактерий . Дальнейшие поиски на путях эволюции привели к формированию других метаболических возможностей для решения этой проблемы. Одна из них заключается в том, что из пировиноградной кислоты в результате ее окислительного декарбоксилирования образуется ацетальдегид , который становится конечным акцептором водорода. В итоге из 1 молекулы гексозы образуются 2 молекулы этилового спирта и 2 молекулы углекислоты . Процесс получил название спиртового брожения. Спиртовое брожение распространено среди прокариотных (различные облигатно и факультативно анаэробные эубактерии ) и эукариотных ( дрожжи ) форм. В анаэробных условиях у высших растений также отмечено накопление этилового спирта .
Процесс спиртового брожения, осуществляемый дрожжами, до последней реакции идет по тому же пути, что и процесс молочнокислого брожения , но последняя реакция заменена двумя другими ферментативными реакциями. Сначала пируват с помощью пируватдекарбоксилазы, ключевого фермента спиртового брожения, декарбоксилируется до ацетальдегида и СО2 :
СН3-СО-СООН переходит в СН3-СОН + СО2.
Особенность реакции заключается в ее полной необратимости.
Образовавшийся ацетальдегид восстанавливается до этанола с участием НАД+-зависимой алкогольдегидрогеназы:
СН3-СОН + НАД*Н2 переходит в СН3-СН2ОН + НАД+.
Донором водорода служат 3-ФГА (как и в случае молочнокислого брожения).
Процесс спиртового брожения суммарно можно выразить следующим уравнением:
С6Н12О6 + 2Фн + 2АДФ переходит в 2СН3-СН2ОН + 2СО2 + 2АТФ + 2Н2О.
Как видно из уравнения, с точки зрения энергетического выхода оба процесса ( гомоферментативное молочнокислое и спиртовое брожение) одинаковы. В обоих случаях сбраживание 1 молекулы глюкозы приводит к образованию 2 молекул АТФ . Процессы различаются природой конечных акцепторов электронов. Кроме того, если при гомоферментативном молочнокислом брожении образовавшаяся молочная кислота в целом по степени окисленности-восстановленности не отличается от молекулы гексозы (имеет место лишь внутримолекулярное перераспределение окисленности и восстановленности отдельных углеродных атомов, входящих в ее молекулу), то в случае спиртового брожения происходит межмолекулярное размежевание на восстановленные (этиловый спирт) и окисленные (СО2) молекулы.
Спиртовое брожение, осуществляемое дрожжами , интересно тем, что на нем впервые были сделаны открытия, имеющие принципиальное значение. Именно при изучении спиртового брожения Л.Пастер доказал, что оно является процессом, связанным с жизнедеятельностью определенных микроорганизмов - дрожжей. Л.Пастер открыл, что в условиях свободного доступа кислорода воздуха процесс спиртового брожения ингибируется и активируется дыхание. Это явление получило название "эффекта Пастера". Эффект Пастера есть результат определенного взаимодействия между различными энергетическими путями, существующими у дрожжей. Одним из проявлений такого взаимодействия является конкуренция за АДФ и неорганический фосфат между процессами субстратного фосфорилирования гликолитического пути и окислительного фосфорилирования в дыхательной цепи .
В 1897 г. братья Г. и Э.Бухнеры (H.Buchner, E.Buchner) опубликовали первое сообщение о возможности осуществления спиртового брожения вне клетки. Оказалось, что бесклеточные экстракты дрожжей превращают углеводы в этанол. Это послужило отправным пунктом для детального изучения химизма процесса. Впервые было показано включение неорганического фосфора в этот процесс и роль фосфорилированных соединений (Л.А.Иванов, 1905; A.Harden, W.Young, 1905). Установлена природа отдельных реакций, катализирующих их ферментов, промежуточных продуктов метаболизма, коферментов, энергетических взаимопревращений. В 1933 г. Г.Эмбден и О.Мейергоф предложили полную схему спиртового брожения. Наконец, работы К.Нойберга (К.Neuberg) по изучению механизма спиртового брожения привели к установлению еще одной важной особенности метаболизма низших форм жизни - его чрезвычайной гибкости.
К.Нойберг обнаружил, что в зависимости от условий процесс спиртового брожения может идти с образованием продуктов, которые в норме не образуются. Если к дрожжам, сбраживающим глюкозу , добавить бисульфит , то основным продуктом брожения будет глицерин . Оказалось, что бисульфит образует комплекс с ацетальдегидом , и последний не может больше функционировать как акцептор электронов ( рис. 110 ).
Следствием этого является передача электронов от НАД*Н2 на фосфодиоксиацетон, восстановление его до 3-фосфоглицерина и дефосфорилирование последнего, приводящее к образованию глицерина. Кроме глицерина в среде происходит накопление ацетальдегида (в комплексе с бисульфитом), этанола и СО2, но образование последних двух продуктов заметно подавлено. Когда брожение идет в присутствии бисульфита, энергетический выход процесса в два раза меньше по сравнению с нормальным спиртовым брожением, поскольку одна триоза не подвергается окислению, а восстанавливается до молекулы глицерина.
Спиртовое брожение протекает обычно при рН 3-6. Если его проводить в щелочной среде, например в присутствии NaHCO3, также происходит накопление в сбраживаемом растворе глицерина. Оказалось, что в щелочных условиях ацетальдегид не может акцептировать электроны, поскольку в этих условиях он участвует в реакции дисмутации с образованием уксусной кислоты и этилового спирта. Акцептором электронов, как и в предыдущем случае, служит фосфодиоксиацетон. Процесс брожения в щелочной среде можно представить в виде следующего уравнения:
2С6H12O6 перехолит в 2С3Н8О3 + СН3-СООН + СН3-СН2ОН + 2СО2, где С6H12O6 - глюкоза, С3Н8О3 - глицерин, СН3-СООН - уксусная кислота и СН3- СН2ОН - этиловый спирт.
