Маслянокислое и ацетонобутиловое брожение
Маслянокислое брожение проходит в строго анаэробных условиях и осуществляют его многие облигатно-анаэробные бактерии рода Clostridium, но типичными представителями являются С. butyricum и C. pasteurianum. В основе маслянокислого брожения, осуществляемого этими бактериями, лежит сбраживание углеводов по гликолитическому пути до пировиноградной кислоты, которая далее подвергается декарбоксилированию с образованием ацетил-КоА. Реакция катализируется ферментом пируват:ферредоксин-оксидоредуктазой и является ключевой в маслянокислом брожении. Основной продукт брожения – масляная кислота образуется в результате конденсации двух молекул ацетил-КоА. Превращения ацетил-КоА в масляную кислоту сопряжены с процессами восстановления, в которых в качестве доноров водорода используются молекулы НАДН, образующиеся ранее в процессе гликолиза. Кроме того, одна из молекул ацетил-КоА, присоединяя неорганический фосфат, может подвергаться фосфорилированию, превращаясь в ацетилфосфат и далее в ацетат, что сопровождается синтезом АТФ в процессе субстратного фосфорилирования. Это третья молекула АТФ, которая синтезируется при маслянокислом брожении (две другие молекулы АТФ образуются при расщеплении глюкозы по гликолитическому пути) (рис. 23).
Определение энергетического выхода маслянокислого брожения и установление его уравнения затруднено из-за лабильности процесса, состоящего из двух основных ответвлений, одного – окислительного, ведущего к образованию ацетата и АТФ, другого – восстановительного, функция которого – акцептирование водорода, образующегося в процессе гликолиза. Количественное соотношение между обоими ответвлениями зависит от многих внешних факторов (состав среды, стадия роста бактерий и др.). Расчеты показали, что в целом на 1 молекулу сбраживаемой глюкозы в маслянокислом брожении образуется 3,3 молекулы АТФ. Это наиболее высокий энергетический выход брожения, т. е. получения энергии за счет субстратного фосфорилирования.
ГЛЮКОЗА
гликолиз
АЦЕТИЛ-КоА фосфотрансаце- КоА˜SH тилаза тиолаза
ацетат Н2О кротоназа НАД+ бутирил-КоА-дегидрогеназа КоА-трансфераза
БУТИРАТ
Рис. 23. Схема маслянокислого брожения у Clostridium butyricum |
ГЛЮКО
2 АТФ + 2 пирУВАТ
+ 2 НАДН
2 КоА˜SH
2 СО2
Фн
АЦЕТИЛ-КоА
ацетилфосфат
ацетоацетил-КоА
АДФ
β-оксибутирил-КоА-
ацетаткиназа
НАД+ дегидрогеназа
АТФ β-Оксибутирил-КоА
КРОТОНИЛ-КоА
БУТИРИЛ-КоА
Некоторые клостридии (С. acetobutylicum, С. bejerinckii, С. cellobioparum и др.) при сбраживании углеводов наряду с кислотами накапливают в среде нейтральные продукты (бутиловый, изопропиловый, этиловый спирты, ацетон). Особенно много нейтральных продуктов образуется культурой С. acetobutylicum, что дало основания в свое время выделить как вариант маслянокислого брожения ацетонобутиловое брожение (рис. 24).
ПИРУВАТ
НАДН
АЦЕТИЛ-КоА
НАД+
Ф6
КоА-SH АЦЕТАЛЬДЕГИД
НАДН
АЦЕТОАЦЕТИЛ-КоА
Ацетат
НАД+
Ф7
Ф3
Ацетил-КоА
β-ОКСИБУТИРИЛ-КоА
АЦЕТОАЦЕТАТ
КРОТОНИЛ-КоА
Ф4
СО2
БУТИРИЛ-КоА
НАДН
Ф1
Ф5
НАДН
НАД+
КоА-SH
НАД+
БУТИРАЛЬДЕГИД
НАДН
Ф2
НАД+
БУТИРАТ
АЦЕТОН
ИЗОПРОПИЛОВЫЙ СПИРТ
ЭТАНОЛ
БУТАНОЛ
Рис. 24. Образование нейтральных продуктов при ацетонобутиловом брожении: Ф1 – бутиральдегиддегидрогеназа; Ф2 – бутанолдегидрогеназа; Ф3 – КоА-трансфераза; Ф4 – ацетоацетатдекарбоксилаза; Ф5 – изопропанолдегидрогеназа; Ф6 – ацетальдегиддегидрогеназа; Ф7 - алкогольдегидрогеназа |
Установлено, что ацетонобутиловое брожение имеет двухфазный характер. В течение первой фазы наблюдается активный рост бактерий, в среде идет накопление преимущественно органических кислот (масляной и уксусной). Во второй фазе брожения снижается рН среды, рост бактерий замедляется, преобладает синтез нейтральных продуктов – ацетона, бутанола и этанола. Бутанол образуется из бутирил-КоА, предшественника масляной кислоты, в результате двух последовательных ферментативных реакций. Первая из них приводит к образованию масляного альдегида (бутиральдегида), который восстанавливается с помощью НАДН в бутанол. Путь, ведущий к образованию ацетона, начинается с переноса от ацетоацетил-КоА кофермента А на ацетат. Декарбоксилирование ацетоуксусной кислоты приводит к образованию ацетона. Получение этанола происходит в результате двухступенчатого восстановления ацетил-КоА.
Двухфазность ацетонобутилового брожения связана с рН среды. Когда кислотность среды в результате накопления органических кислот возрастает до рН 4,5 и более, происходит интенсивное образование нейтральных продуктов, что предупреждает дальнейшее подкисление среды, неблагоприятное для бактерий.
Бактерии рода Clostridium, осуществляющие маслянокислое и ацетонобутиловое брожение, находят практическое применение. Их используют в производстве масляной кислоты, необходимой для парфюмерной промышленности, а также для получения в промышленном масштабе ацетона и бутанола. Для производства этих продуктов используют картофель, зерно, мелассу и другое сырье, содержащее углеводы.
Маслянокислые бактерии нередко причиняют вред, вызывая порчу продуктов – прогоркание масла, сметаны, квашеных овощей, силоса, а также при недостаточной стерилизации – порчу консервированных грибных и мясных продуктов. Кроме того, многие клостридии патогенны и вызывают заболевания человека и животных.