Брожения. Типы жизни, основанные на субстратном фосфорилировании

Брожения. Типы жизни, основанные на субстратном фосфорилировании А. Общая характеристика процессов брожения Брожение – это процесс неполного окисления с переносом электронов и протонов на эндогенный конечный акцептор и субстратным синтезом АТФ

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

Путь Энтнера-Дудорова У анаэробов встречается редко. Zymomonas mobilis. Происходит от ЦХ-содержащих аэробов. Встречается также у некоторых представителей р. Clostridium. Происхождение пути: ответвление от ПФП как скорейший путь образования ацетил-КоА для его дальнейшего окисления в цикле трикарбоновых кислот.