Основное энергетическое значение
для пропионовокислых бактерий
имеют так называемые ключевые
реакции пропионовокислого брожения.
Под пропионовокислым брожением
подразумевают биохимический процесс превращения бактериями
сахара, молочную кислоту и ее солей в
пропионовую кислоту. В этом брожении,
кроме пропионовой кислоты, образуются
и такие продукты, как уксусная кислота,
углекислый газ, янтарная кислота, ацетоин,
диацетил, другие летучие ароматические
соединения - диметилсульфид, ацетальдегид,
пропионовый альдегид, этанол и пропанол.
Химизм данного брожения подобен типичному
молочнокислому брожению с той разницей,
что образовавшаяся молочная кислота
в этом брожении не конечный продукт, а
промежуточный. От других типов брожения
пропионовокислое отличается высоким
выходом АТФ, участием некоторых уникальных
ферментов и реакций.
Пропионовокислым бактериям
свойственен бродильный тип метаболизма:
они расщепляют сахара по пути
Эмбдена – Мейергоффа до пропионата, ацетата,
СО2 и сукцината. Химизм пропионовокислого
брожения хорошо изучен и описан.
В пропионовокислом брожении
мы имеем дело с карбоксилированием
пирувата, приводящим к возникновению
нового акцептора водорода —
ЩУК. Восстановление пировиноградной кислоты в пропионовую
у пропионовокислых бактерий протекает
следующим образом. Пировиноградная кислота
карбоксилируется в реакции, катализируемой
биотинзависимым ферментом, у которого
биотин выполняет функцию переносчика
CO2. Донором CO2 - группы служит метилмалонил - КоА. В
результате реакции транскарбоксилирования
образуются ЩУК и пропионил - КоА:
Ключевую реакцию брожения - превращение
а – метилмалонил - КоА в сукцинил - КоА
катализирует кофермент В12 (Ado Cbl).
Когда сбраживаемым субстратом
является лактат, он сначала окисляется
в пируват. Часть пирувата далее
окисляется до ацетил-КоА и
СО2, причем превращение ацетил-КоА в ацетат
сопровождается образованием АТФ. Получение
в процессе брожения окисленных продуктов,
ацетата и СО2 уравновешивается сопутствующим восстановлением
пирувата до пропионата.
Пировиноградная кислота - обязательное
промежуточное соединение в брожении.
Пируват может быть превращен
в пропионат несколькими путями:
1). пируват →акрилат→пропионат;
2). пируват→лактат→пропионат;
3). пируват + С 1 →сукцинат →метилмалонат
→пропионат.
Первые две возможности у
пропионовых бактерий не реализуются, и образование пропионата
происходит из дикарбоновой кислоты по
третьему пути.
Сначала лактат окисляется
до пирувата при участии флавопротеида
в качестве акцептора водорода,
затем в реакции транскарбоксилирования
образуется оксалоацетат. Донором
СО2 служит (S) - метилмалонил - КоА, а переносчиком
СО2 - биотин. Под действием малатдегидрогеназы
и фумаразы образуется фумарат, который
восстанавливается до сукцината в реакции,
катализирующей фумаратредуктазой. Эта
реакция сопряжена с синтезом АТР путем
фосфорилирования, сопряженного с переносом
электронов. Далее в КоА - трансферазной
реакции образуется сукцинал - КоА. Затем
под действием метилмалонил – КоА - мутазы,
содержащей кофермент В12, осуществляется перегруппировка, ведущая
к образованию (R)-метилмалонил - КоА, который,
однако, не является субстратом для транскарбоксилазы.
Скорее всего, (S) - стереоизомер образуется
при действии специфической рацемазы.
В зтом случае в реакции транскарбоксилирования
синтезируется пропионил - КоА, и в результате
последующего переноса КоА на сукцинат
образуется пропионат.
В процессе сбраживания лактата в пропионат потребляется одна молекула
NADH2. Она образуется при окислении лактата
до ацетата в соответствии с суммарным
уравнением реакций брожения:
Лактат + NADH2 + ADP + Pi → Пропионат
+ NAD + ATP.
Реакции, ведущие к образованию
пропионовой кислоты у пропионовокислых бактерий, могут
быть представлены следующей последовательностью:
Пируват + метилмалонил - КоА (а) ↔ оксалоацетат + пропионил -
КоА
Оксалоацетат + пропионил - КоА
Сукцинат + пропионил - КоА (+ КоА - трансфераза) ↔ сукцинил-КоА
+ пропионат
Сукцинил-КоА ↔ (+ метилмалонилизомеразая) ↔ метилмалонил
- КоА
Метилмалонил - КоА (в) ↔ (+ метилмалонилрацемаза) ↔
метилмалонил - КоА(а)
Суммарно: пируват + 4H+ → пропионат.
Превращение оксалоацетата
в сукцинат происходит в результате
работы ферментов ЦТК: малатдегидрогеназы, фумаразы
и сукцинатдегидрогеназы. Уксусная кислота
образуется в результате окислительного
декарбоксилирования пирувата:
Пируват + HAD+ + КоА(+ пируватдегидрогеназа) ↔ ацетил - КоА+
Н+ + НADH + CO2,
Ацетил - КоА + Фн (+фосфотрансацетилаза) ↔ ацетил-Ф
+ КоА, ацетил-Ф + АDФ (+ацетилкиназа) ↔ ацетат
+ АТФ.
Итак, разобранный выше поток
реакций приводит к синтезу
пропионовой кислоты. Однако пропионовокислое
брожение — более сложный процесс,
поскольку наряду с пропионовой
кислотой в качестве продуктов брожения образуются
уксусная, янтарная кислоты и CO2 (см. рис. 4):
Рис. 4. Пути образования янтарной,
уксусной кислот и CO2 пропионовыми бактериями: Ф1 — ФЕП-карбокситрансфосфорилаза;
Ф2 — пируватдегидрогеназа; Ф3 — фосфотрансацетилаза;
Ф4 — ацетаткиназа
Кроме основных продуктов
в разных количествах в культуральной
жидкости пропионовых бактерий
обнаружены молочная, муравьиная, изовалериановая
кислоты, этиловый и пропиловый
спирты, уксусный и пропионовый
альдегиды, ацетоин, диацетил. Состав конечных продуктов брожения
зависит от культуры бактерий, состава
среды и условий культивирования. Это
касается как видов накапливаемых продуктов,
так и количественных соотношений между
ними.
Соотношение продуктов брожения
может быть разное и в значительной степени зависит от
степени окисленности источника углерода.
При росте на среде с глицерином, например,
отношение пропионовая: уксусная 2:1, с
лактатом 1:1,5 и пируватом 1:2. С другой стороны,
при культивировании пропионовокислых
бактерий в строго анаэробных условиях
соотношение между количествами кислот
отклоняется в обратную сторону; именно
в этом случае на одну молекулу уксусной
всегда образуется 3 молекулы пропионовой.
Также большое влияние имеет значение
концентрации ионов водорода. При увеличении
концентрации ионов водорода в среде изменяется
соотношение основных продуктов брожения:
образование уксусной кислоты увеличивается,
а пропионовой заметно уменьшается. Соотношение
пропионовой и уксусной кислот зависит
от состава и свойств среды и внешних условий
существования микроорганизмов. В сырах
в период максимального развития культуры
пропионовых бактерий (первая фаза) в основном
образуются относительно окисленные соединения
(уксусная кислота), в период спада развития
– преимущественно более восстановленные
(вторая фаза). Но при замедлении развития
культуры P. shermanii (замена пептона аммонийными
солями) уксусная кислота превалирует
перед пропионовой, однако и в этом случае
отношение пропионовой кислоты к уксусной
возрастает. Этот пример служит доказательством
связи продуцирования кислот с составом
среды. Отношение пропионовой кислоты
к уксусной зависит также от вида бактерий.
В среде с глюкозой и дрожжевым автолизатом
пропионовокислые бактерии рода P. thonii
продуцируют указанные кислоты в отношении
5:1, для P. rubrum это отношение равно 3:1 и для
P. shermanii – 2:1. Для культур P. shermanii (9 штаммов)
отношения пропионовой кислоты к уксусной
колеблется от 1,4 до 2,8.
Между количеством организмов
и количеством образующихся кислот
нет прямой связи. Изменение состава карбоновых
кислот в питательной среде (соли молочной,
пировиноградной и янтарной кислот) значительно
влияет на продуцирование пропионовой
и уксусной кислот культурами P. shermanii.
Отношение пропионовой кислоты к уксусной
изменяется, с лактатом оно равно 1,83 (17,55:9,55),
с пируватом – 0,64 (8,20:12,75) и янтарной кислотой
– 2,0 (3,30:1,50). В присутствии лактозы продуцирование
пропионовой кислоты происходит более
энергично, чем в присутствии глюкозы.
При сбраживании культурами P.jensenii пировиноградной
кислоты более окисленной, чем молочная,
также наблюдается, что соотношение пропионовой
и уксусной кислот смещается в сторону
более окисленной уксусной. Соотношение
кислот зависит от состава закваски. Так,
при использовании закваски с двумя культурами
– L. helveticum и Str. thermophilus это соотношение
ниже, чем при использовании одной L.helveticum.
Таким образом, уникальность
пропионовокислого брожения обусловлена:
1) участием ФЕП – карбоксилтрансфосфорилазы
фермента, не обнаруженного у других организмов, синтезирующих
пропионат; благодаря наличию этого фермента,
брожение, осуществляемое пропионово-кислыми
бактериями, работает как циклический
процесс.
2) особым способом образования
пропионата, которое сопряжено с
восстановлением фумарата до сукцината и окислением
пирувата до ацетата и СО2; транспорт электронов,
сопровождающий эти реакции, сопряжен
с окислительным фосфорилированием и
синтезом АТФ;
3) высокий выход АТФ, превышающий
выход АТФ в других известных
брожениях. 1,5 М глюкозы могут дать пропионовокислым
бактериям около 6 М АТФ.
Энергетическая эффективность
пропионовокислого брожения связана
также с выработкой пропионовыми
бактериями новых метаболических
способностей: реакций транскарбоксилирования
и перегруппировки, участия в процессе КоА-производных. Образование
дикарбоновой кислоты из пировиноградной
с использованием механизма транскарбоксилирования
вместо прямого карбоксилирования пирувата
позволяет избежать дополнительных энергетических
затрат на этом этапе брожения. Все это
вместе взятое позволяет рассматривать
пропионовокислое брожение как более
совершенный из рассмотренных до сих пор
способов получения энергии в анаэробных
условиях.
Маслянокислое брожение. Возбудители
маслянокислого брожения.
Маслянокислое брожение - анаэробное окисление органических
веществ маслянокислыми бактериями в
масляную кислоту.
Химизм процесса:
С6H12О6 > СНзСН2СН2СООН + 2 С02 + 2Н2 +Е
глюкоза масляная кислота
Возбудители маслянокислого брожения
Маслянокислые бактерии относятся к
роду Clostridium. Это крупные, подвижные грамположительные
палочки, образующие устойчивые споры,
при образовании которых клетка приобретает
форму веретена или теннисной ракетки,
облигатные (строгие) анаэробы.
Маслянокислые бактерии широко распространены
в природе. Обитают там, где много органических
веществ и нет доступа воздуха - в иловых
отложениях водоемов, навозе, почве и т.д.
Эти бактерии могут сбраживать многие
углеводы, в т. ч. (крахмал, гликоген, пектиновые
вещества, целлюлозу), спирты (этиловый,
маннит, глицерин) и аминокислоты. По характеру
используемых субстратов маслянокислые
бактерии делятся на две группы: сахаролитические
клостридии, которые сбраживают в основном
углеводы (Ctostridium butyricum) и протеопитические
клостридии, которые разлагают белки и
пептоны до аминокислот и затем их сбраживают
(Clostridium sporogenes, Clostridium subterminalis, Clostridium perfringens,
Clostridium botulinum).
Практическое значение маслянокислого
брожения. Маслянокислое брожение используется
в промышленности для получения масляной кислоты (продуцент
Clostridium butyricum). Хотя масляная кислота обладает
резким, неприятным запахом прогорклого
масла, ее эфиры отличаются приятным ароматом:
метиловый эфир имеет яблочный запах,
этиловый - грушевый, амиловый - ананасный.
Эфиры масляной кислоты используют в кондитерской,
безалкогольной, парфюмерной промышленности.
Маслянокислые бактерии участвуют в
круговороте веществ в природе. С другой
стороны, маслянокислые бактерии могут
вызвать массовую гибель картофеля и овощей,
вспучивание сыров, порчу консервов, прогоркание
масла и маргарина, увлажненной муки и
других продуктов, чем наносят большой
урон народному хозяйству. Борьба с маслянокислыми
бактериями затруднена из-за высокой устойчивости
спор.
3. Микрофлора бумаги, картона,
древесины. Способы защиты от микробной
деградации.
Бумага - материал, состоящий преимущественно
из продуктов переработки растительного
сырья, в первую очередь целлюлозы, содержит
в своем составе проклеивающие вещества,
минеральные наполнители, химические и натуральные волокна, пигменты
и красители. Масса 1 м2 бумаги может достигать
250 г. Бумагу, имеющую массу одного квадратного
метра площади более 250 г, называют картоном.
Основным сырьем для производства
бумаги и картона является
древесина хвойных и лиственных пород. Растительное сырье
перерабатывают в волокнистые полуфабрикаты
- древесную массу и целлюлозу. Кроме древесной
массы и целлюлозы в производстве бумаги
и картона широко применяют вторичное
сырье - макулатуру и тряпичную полумассу.
Производство бумаги и картона начинается со
смешивания в определенной пропорции
(композиции) волокнистых полуфабрикатов.
Смесь измельчают и размалывают в воде
с помощью специальной аппаратуры, превращая
ее в бумажную массу.
Для придания бумаге пониженной
впитывающей способности и пригодности для
письма в бумажную массу вводят проклеивающие
вещества (растительные и животные клеи,
жидкое стекло, синтетические вещества
и др.), а для улучшения структуры поверхности,
белизны и других потребительских свойств
- наполнители (каолин, тальк, гипс, мел
и др.).
Завершают приготовление бумажной
массы очисткой ее от грубых
частиц минерального или органического
происхождения, после чего бумажную
массу в строго установленной
концентрации подают на движущуюся
плоскую сетку бумагоделательной машины. Бумажные волокна
оседают на сетке и образуют бумажное
полотно, а вода отфильтровывается и стекает.