БРОЖЕНИЕ

БРОЖЕНИЕ — совокупность процессов ферментативного превращения углеводов, осуществляемых в анаэробных условиях. Б.— это внутренний окислительно-восстановительный процесс, с помощью к-рого многие организмы получают хим. энергию из глюкозы и других веществ в отсутствие молекулярного кислорода. Б. принято рассматривать как простейшую форму биол, механизма, обеспечивающего получение энергии из питательных веществ.

Роль конечного продукта при Б. играет обычно какая-нибудь органическая молекула, образующаяся в ходе самого процесса Б. (спирт, молочная к-та, масляная к-та и др.). Хим. природа этих продуктов зависит в первую очередь от вида микроорганизма, осуществляющего анаэробное превращение углеводов. Большое значение имеют и условия протекания Б., в зависимости от которых один и тот же микроорганизм осуществляет Б. не только с различной скоростью, но и с образованием различных продуктов.

Продукты, образующиеся в ходе Б., частично используются самими микроорганизмами в процессе их жизнедеятельности (развитие, рост, накопление общей биомассы). Хим. преобразования исходного субстрата, происходящие в ходе Б., сопровождаются использованием нек-рой части содержащейся в нем хим. (свободной) энергии для удовлетворения потребности организма в энергии и ее аккумуляции в виде богатых энергией (высокоэргических) соединений, важнейшим представителем которых является аденозинтрифосфорная кислота (см.). Т. о., Б. представляет собой один из видов энергетического обмена, особенностью к-рого является низкий коэффициент использования свободной энергии, содержащейся в молекулах органического вещества, подвергающегося Б. Низкая энергетическая эффективность обусловлена тем, что в процессе Б. не используется свободный кислород.

Начало интенсивного изучения Б. связано с описанием дрожжевых клеток [Каньяр-Латур (В. С. Cagniard-Latour) во Франции и Т. Шванн в Германии, 1836—1838]. В числе ученых, изучавших его, следует назвать Л. Пастера и 10. Либиха. Пастер, назвавший Б. «жизнью без кислорода», считал, что оно может вызываться только живыми дрожжевыми клетками. В противоположность ему Либих рассматривал сбраживание сахара как сложную хим. реакцию, не требующую участия живых организмов. Длительный спор по этому вопросу, имеющему не только чисто научное, но и философское значение, получил окончательное решение в результате работ М. М. Манассеиной (1871) и в особенности Э. Бухнера (1897), показавших способность бесклеточного дрожжевого сока вызывать алкогольное брожение. Т. о., было доказано, что Б. является ферментативным процессом, протекающим и без участия живых клеток.

Дальнейшее исследование природы Б. показало, что в процессах Б. принимают участие целые ферментные системы, объединяемые ранее под общим названием «зимазы» (см. Ферменты). Параллельно шло выяснение хим. природы продуктов, образующихся при Б.

Выдающуюся роль в решении этих сложных задач сыграли исследования русских и советских ученых (А. Н. Лебедев, Л. А. Иванов, В. И. Палладии, С. П. Костычев, Я. О. Парнас и др.), а также и зарубежных [Харден (A. Harden), К. Нейберг, О. Мейергоф, Г. Эмбден и др.]. В частности, А. Н. Лебедев предложил новый, более простой способ получения бесклеточных ферментных препаратов из дрожжей путем аутолиза (самопереваривание). Фундаментальное значение для выяснения химизма Б. имело открытие Л. А. Иванова, показавшего (1905), что при спиртовом Б. распаду подвергается не свободная молекула сахара, а соединение последней с фосфорной к-той (фосфорилированная молекула сахара). Последующие исследования не только подтвердили выводы Л. А. Иванова, но и позволили убедиться в том, что реакциям фосфорилирования при Б. принадлежит ключевая роль (см. Гликолиз).

В зависимости от природы конечного продукта, образующегося в ходе процесса, различают несколько типов Б.

Спиртовое брожение

Спиртовое брожение осуществляется так наз. дрожжеподобными организмами (Monilia, Oidium и др.), а также нек-рыми из плесневых грибков (напр., мукоровыми).

Спирт способны продуцировать и клетки высших растений, если они находятся в среде, лишенной кислорода. В этих условиях окислительный обмен растений осуществляется по пути, близкому к спиртовому Б. Наконец, в некоторых тканях высших растений (напр., клетки точек роста, или так наз. меристемы) образование спирта наблюдается и в условиях полной обеспеченности кислородом. Такого рода процессы называют аэробной ферментацией, к-рая по своей хим. природе также приближается к спиртовому Б.

Спиртовое брожение выражается суммарным уравнением реакции: C₆H₁₂O₆ = 2CO₂ + 2C₂H₅OH.

Из него следует, что при полном сбраживании 1 моля гексозы образуются 2 моля углекислого газа и 2 моля этилового спирта. Количество реализуемой в ходе этого процесса свободной энергии должно теоретически составлять 56 ккал на 1 моль сброженной гексозы, что составляет лишь незначительную часть того выхода энергии, который имеет место при нормальном аэробном дыхании (см. Анаэробы) необходимо затратить по крайней мере в 10 раз большее количество сахаров, чем аэробным организмам.

Суммарное уравнение спиртового Б. не учитывает, что, помимо этилового спирта и углекислого газа, в ходе Б. образуются в незначительных количествах и некоторые другие соединения. К ним относятся сивушные масла (см.). В числе продуктов спиртового Б. обнаруживают также ацетальдегид, янтарную к-ту и ряд других соединений, придающих специфический аромат и вкус вину, пиву и другим спиртным напиткам.

При спиртовом Б. используются молекулы сахаров различной степени сложности. Легче всего дрожжи сбраживают глюкозу и фруктозу, значительно хуже маннозу и особенно галактозу. Сахароза и мальтоза сбраживаются только после предварительного гидролиза. Лактозу способны сбраживать только особые виды дрожжей, содержащие фермент, гидролизующий этот дисахарид с образованием глюкозы и галактозы.

При наличии в среде кислорода энергообмен дрожжей осуществляется по пути нормального аэробного превращения, позволяющего тратить сахар гораздо более экономно. Сберегающее сахар влияние кислорода было впервые обнаружено Л. Пастером, в связи с чем оно стало именоваться эффектом Пастера.

Первые этапы превращений, к-рым подвергается глюкоза при спиртовом Б., состоят в активации молекулы сахара. Активация осуществляется постепенно, через ряд последовательно сменяющих друг друга отдельных реакций. Первым шагом повышения реакционной способности молекулы глюкозы является образование ее фосфорного эфира. Источником фосфорной к-ты становится молекула аденозинтрифосфата (АТФ), к-рая, отдавая эту группу, превращается в аденозиндифосфат (АДФ). Перенос остатка фосфата от АТФ на глюкозу осуществляется при участии фермента гексокиназы (см.).

Этот этап связан с затратой энергии одной макроэргической связи молекулы АТФ.

Следующий этап состоит в изомеризации молекулы глюкозо-6-фос-фата и превращении ее во фруктозо-6-фосфат. Процесс осуществляет фермент глюкозофосфатизомераза [КФ 5. 3. 1. 9], который найден как в дрожжах, так и во многих других микроорганизмах и в тканях большого числа различных видов растений и животных. Активирование фруктозо-6-фосфата достигается путем присоединения к молекуле еще одного остатка фосфорной к-ты и образования фруктозо-1,6-дифосфата.

Источником фосфата и энергии, необходимой для этой реакции, также служит молекула АТФ. Реакция катализируется ферментом фосфофруктокиназой [К Ф 2. 7. 1. 11]. Последующим этапом является образование из молекулы фруктозо-1,6-дифосфата двух фосфотриоз — диоксиацетонфосфата и глицеральдегидфосфата (ГАФ). Фермент, катализирующий эту реакцию, называется альдолазой (см.).

В связи с особенностями ферментных систем, участвующих в спиртовом Б., из двух названных фосфотриоз в дальнейших превращениях участвует лишь ГАФ, что должно было бы повлечь за собой потерю для процесса Б. половины исходной молекулы глюкозы. Однако потеря эта предотвращается благодаря присутствию в клетке специфического фермента — фосфотриозоизомеразы, катализирующего обратимую реакцию: диоксиацетонфосфат <-> глицеральдегидфосфат. Тем самым обеспечивается возможность использования молекулы сахара полностью.

Окисление ГАФ катализируется глицеральдегидфосфатдегидрогеназой (ГАФД) и приводит к образованию богатого энергией соединения — 1,3-дифосфоглицерата (1,3 ДФГ). Общее уравнение реакции может быть представлено в следующем виде:

Реакция протекает в несколько этапов: одна из SH групп ГАФД участвует в присоединении НАД⁺ и образовании комплекса — .

К этому комплексу присоединяется ГАФ, осуществляется его окисление с образованием ацилэнзима:

Затем происходит передача водорода на НАД⁺ :

и транспорт ацила на остаток неорганического фосфата с образованием 1,3-дифосфоглицерата:

Богатая энергией связь остатка фосфорной к-ты в молекуле 1,3 ДФГ обеспечивает возможность образования АТФ и 3-фосфоглицериновой к-ты:

Внутримолекулярное перемещение остатка фосфата при участии фосфоглицеромутазы приводит к образованию 2-фосфоглицериновой к-ты, превращающейся затем в фосфоэнолпировиноградную к-ту. При дефосфорилировании фосфоэнолпировиноградной к-ты и ее превращении в пировиноградную к-ту (пируват) отщепляющийся фосфат переносится на АДФ. Энергия образующихся на данном этапе двух молекул АТФ и представляет собой тот чистый выигрыш в энергии, который клетка приобретает в ходе всей сложной цепи описанных выше процессов. Процессы эти носят универсальный характер и составляют основу не только спиртового, но и многих других видов Б., и в первую очередь гомоферментативного молочнокислого Б., называемого Окисление биологическое) или дыхания.

В анаэробных условиях превращения пирувата могут идти различными путями. Так, в случае спиртового Б. от пирувата при участии фермента декарбоксилазы отщепляется CO2 и образуется уксусный альдегид:

CH₃-CO-COOH → CO₂ + CH₃CHO.

При участии специфического фермента (алкогольдегидрогеназа) уксусный альдегид восстанавливается с образованием конечного продукта спиртового Б.— этилового спирта. Необходимый для этой реакции водород получается от восстановленного кофермента — никотинамидадениндинуклеотида, или НАД-Н. Если каким-либо путем предотвратить восстановление уксусного альдегида (напр., связав его с бисульфитом натрия), то водород НАД-Н может при участии фермента глицерофосфатдегидрогеназы реагировать с фосфотриозами и привести к образованию глицерофосфата, а затем и глицерина.

Одним из побочных продуктов спиртового Б. является ацетоин (ацетилметилкарбинол), CH₃—CO—CHOH—CH₃, образующийся при взаимодействии двух молекул пировиноградной к-ты или пировиноградной к-ты с уксусным альдегидом:

CH₃COCOOH + CH3COH → CH₃COCHOH-CH₃ + CO₂.

Он образуется в ходе так наз. карболигазной реакции, к-рая катализируется ферментами, выделенными из дрожжевых клеток и из высших растений. Образуется ацетоин и при других видах Б. Ацетоин хорошо растворим в воде, спирте, эфире. Следует упомянуть еще об одном из промежуточных продуктов распада углеводов при Б., который также является производным пировиноградной к-ты. Это метилглиоксаль (CH₃COCHO), который по своей химической природе представляет альдегид пирувата. При нагревании с водой или при подщелачивании водных растворов метилглиоксаль превращается в молочную к-ту. Он может быть образован и ферментативным путем — при действии специфического фермента метилглиоксилазы. Эти соединения образуются в очень незначительных количествах.

Молочнокислое брожение

Генетически связано со спиртовым Б. молочнокислое брожение, имеющее очень важное значение. В этом случае Пировиноградная к-та не декарбоксилируется, как при спиртовом Б., а непосредственно восстанавливается с участием специфической лактатдегидрогеназы за счет водорода НАД-Н.

Известны две группы молочнокислых бактерий. В первую из них входят гомоферментативные бактерии, которые образуют только молочную к-ту. Молочнокислые бактерии второй группы (гетероферментативные бактерии) образуют, кроме молочной, еще и уксусную к-ту, а также этиловый спирт (нередко в весьма значительных количествах), углекислый газ, муравьиную к-ту и некоторые другие продукты. Соотношение между этими продуктами зависит от многих условий (температура, pH среды и т. д.). Зачастую это обусловлено совместной деятельностью молочнокислых бактерий с дрожжами. Такого рода совместные «закваски» часто создаются искусственно и широко используются в хлебопечении — при приготовлении ржаного хлеба, в производстве хлебного кваса и ряда молочнокислых продуктов (сыр, кефир, простокваша, кумыс и пр.). Большое применение находит молочнокислое Б. в производстве молочной к-ты, используемой в ряде отраслей пищевой, текстильной и кожевенной промышленности.

Особенно эффективно молочнокислое Б. осуществляют термофильные микробы типа Thermobacterium cereale (ранее называвшиеся Lactobacillus delbrukii). Образуется молочная к-та и как один из продуктов превращений углеводов в мышечной ткани животных в процессе гликолиза.

Маслянокислое брожение

Маслянокислое брожение осуществляется в большинстве случаев облигатными анаэробами, т. е. организмами, способными существовать только в бескислородной среде.

В ходе маслянокислого Б. образуются не только масляная к-та, но в некоторых случаях и весьма значительные количества этилового спирта, молочной н уксусной кислот, а также газообразного водорода и углекислого газа. С помощью маслянокислого Б. осуществляется разложение органических веществ в условиях недостатка или полного отсутствия кислорода (болота, заболоченные места). Большое промышленное значение имеет маслянокислое Б. пектиновых веществ, происходящее при замочке стеблей льна, конопли и получении волокон. Вместе с тем деятельность бактерий, осуществляющих этот вид Б., необходимо предотвращать при приготовлении различного рода пищевых продуктов во избежание ухудшения вкуса и порчи последних (напр., прогоркание сливочного масла, силоса и т. п.).

Спиртовое, молочно- и маслянокислое Б.— основные типы Б.; остальные многочисленные виды Б. представляют собой либо различные их сочетания, либо осуществляются на базе тех или иных продуктов, возникающих в ходе основного вида Б. Так, в результате уксуснокислого брожения происходит окисление этилового спирта при участии кислорода воздуха. Этот вид Б. осуществляется специфическими уксуснокислыми бактериями. Суммарное уравнение уксуснокислого Б.:

CH₃CH₂OH + O₂ = CH₃COOH + H₂O.

По исчерпании запасов спирта бактерии окисляют образованную им уксусную к-ту до углекислого газа и воды.

К Б., осуществляющемуся с участием О₂, относится глюконовокислое брожение — образование глюконовой к-ты из глюкозы:

C₆H₁₂O₆ + H₂O + O₂ → CH₂OH(CHOH)₄COOH + H₂O₂.

Оно вызываемся нек-рыми бактериями и плесневыми грибами. Глюконовая к-та — ценное соединение, широко применяемое в медицине и фарм, промышленности (см. Глюконовая кислота).

Лимоннокислоe брожениe осуществляется нек-рыми представителями плесневых грибков; особенно эффективны отдельные штаммы Aspergillus niger. Исходным продуктом служит Пировиноградная к-та, превращение к-рой идет одновременно в двух направлениях. Часть ее окисляется в уксусную, тогда как другая, присоединяя углекислоту, образует щавелевоуксусную к-ту. При конденсации уксусной и щавелевоуксусной кислот образуется лимонная к-та. Помимо лимонной к-ты, при лимоннокислом Б. образуются бутиловый спирт, ацетон, а также этиловый спирт, углекислый газ и водород.

Бутанолово-ацетоновое брожение осуществляют анаэробные бактерии Clostridium acetobutylicum. Главные продукты, образующиеся в ходе этого вида Б.,— н-бутиловый спирт, ацетон, этиловый спирт, углекислота, водород. Ацетоуксусная к-та (CH₃COCH₂COOH) и образующийся при ее декарбоксилировании ацетон (CH₃COCH₃), а также β-оксимасляная к-та составляют группу так наз. ацетоновых тел (см. Кетоновые тела), которые накапливаются в крови и моче животных при различных патологических состояниях и заболеваниях (диабет, голодание). В нормальных же условиях эти соединения окисляются с образованием безвредных для организма углекислоты и воды.

Высокая экономическая эффективность, чистота получаемых при Б. ценных продуктов лежат в основе все более широкого использования Б. в самых различных отраслях народного хозяйства.

Библиография: Кретович В.Л. Основы биохимии растений, М., 1971; Малер Г. иКордес Ю. Основы биологической химии, пер. с англ., М., 1970; Рубин Б. А. Курс физиологии растений, М., 1971;Рэкер Э. Биоэнергетические механизмы, пер. с англ., М., 1967. библиогр.; Шапошников В. Н. Техническая микробиология, М., 1948; H a s s i d W. Z. Transformation of sugars in plants, Ann. Rev. plant Physiol., v. 18, p. 253, 1967, bibliogr.

Б. А. Рубин.