Сбраживание аминокислот микроорганизмами

Входящие в состав белков 20 аминокислот имеют в среднем ту же степень восстановления, что и углеводы. Поэтому они могут также служить субстратами окислительно-восстановительных процессов брожения. Анаэробные микроорганизмы, способные сбраживать аминокислоты, были открыты в 1930-х гг. Стехиометрию сбраживания аминокислот микроорганизмами впервые описал Л. Стикленд (Stickland) в 1934 г. Он показал, что многие клостридии сбраживают преимущественно смесь аминокислот. Они получают большую часть необходимой им энергии в результате реакций сопряженного окисления и восстановления двух соответствующих аминокислот. Такое сопряженное сбраживание аминокислот носит название реакции Стикленда. Для реакции Стикленда характерно, что одна аминокислота, взятая в отдельности, практически не расщепляется, тогда как соответствующая пара аминокислот сбраживается очень быстро: один из членов этой пары используется в качестве донора электронов, а другой – в качестве акцептора электронов. Например, в паре аланин-глицин: аланин окисляется, а глицин восстанавливается:

СН₃ – СН(NН₂) – СООН + 2Н₂О → СН₃ – СООН +СО₂ + NН₃ +4Н

аланин

2NН₂ – СН₂ – СООН + 4 Н → 2СН₃ – СООН + 2NН₃

глицин

Такой тип брожения присущ пептолитическим клостридиям, таким как C. sporogenes, C. histolyticum, C. botulinum, C. sticklandii и др.

Позже, в 1940-х гг. Г. Баркер (Barker) с сотрудниками выделил клостридии и родственные им неспорообразующие анаэробные бактерии, способные осуществлять брожение в присутствии только одной аминокислоты. Так, Clostridium propionicum в качестве единственного субстрата брожения использует аланин; недавно выделенный вид Eubacterium acidaminophilum – глицин. Как показывает анализ 16S-рРНК, почти все микроорганизмы, способные сбраживать аминокислоты, относятся к клостридиям и родственным им бактериям.

Процесс сбраживания аминокислот состоит из ряда анаэробных окислительно-восстановительных реакций. В процессе брожения участвуют две молекулы аминокислот, из которых одна окисляется, другая восстанавливается. Эта пара может состоять из молекул различных аминокислот или одной и той же аминокислоты. И в окислительной, и в восстановительной ветвях процесса брожения могут участвовать следующие аминокислоты: аланин, цистеин, глицин, метионин, лейцин, фенилаланин, серин, треонин, триптофан, тирозин. Изолейцин и валин используются исключительно как доноры электронов, пролин – только как акцептор электронов. Окислительная ветвь всегда сопряжена с субстратным фосфорилированием, обеспечивающим рост бактерий. Как правило, вначале образуется ацил-КоА, который при участии КоА-трансферазы превращается в ацетил-КоА. Далее при участии ацетилтрансферазы и ацетаткиназы синтезируется АТФ.

R – CО – КоА + Ацетат → R – CОО^- + Ацетил-КоА

В реакциях восстановительной ветви брожения АТФ не образуется. Исключение составляют сбраживание глицина, при котором субстратное фосфорилирование сопряжено с реакциями восстановления, и сбраживание аспартата, превращаемого в фумарат – потенциальный акцептор электронов при анаэробном дыхании. Общая схема сбраживания аминокислот представлена на рис. 34.

Рис. 34. Общая схема сбраживания аминокислот

В результате сбраживания аминокислот образуется аммиак, СО₂, Н₂, спирты и короткоцепочечные жирные кислоты. Последние (короткоцепочечные жирные кислоты) являются продуктами восстановительной ветви брожения и часто имеют тот же углеродный скелет, что и исходные аминокислоты. Например, лейцин восстанавливается до 4-метилвалериановой кислоты, триптофан – до индолпропионата.

При смешанном сбраживании аминокислот могут образовываться пахучие соединения, которые в небольших концентрациях придают продуктам (сырам, винам) приятный аромат. Но интенсивные процессы сбраживания аминокислот пептолитическими клостридиями сопровождаются очень неприятным запахом, что характерно при газовой гангрене, вызываемой бактериями Clostridium septicum, C. perfringens, C. histolyticum и др.