Микробиология - Гусев М.В.
Скачать (прямая ссылка):
Некоторые клостридии (С. acetobutylicum, С. bejerinckii, С. cello-bioparum и др.) при сбраживании Сахаров наряду с кислотами образуют нейтральные продукты (бутиловый, изопропиловый, этиловый' спирты, ацетон). Особенно много нейтральных продуктов образуется; культурой С. aceiobutylicum, что дало основание в свое время выделить как вариант маслянокислого брожения ацетоно-бутиловое брожение. У клостридиев, осуществляющих ацетоно-бутиловое брожение, образование масляной кислоты происходит на первом этапе брожения-
Пируват
НАД H2 НАД+
CH
НАД •H2 ч у CH3CO-S-KoA НАД + *Уфб Ао*тил-КоА
CH3-CHO/VKoA-SH Ацетальдегид
CH3-CO—CH2-CO-S-KoA Ацетоацетид-КоА
Ацетат Ацетил -К о А
CH4
? -О ксибутирил-КоА
Кротонил-КоА
-CO-CH2-COOH Ацетоуксусная
"CO2 CH3-CO—CH3
Ацетон
CH3-CH2—CH2-CO-S-KoA НАД •H2 —^ S Бутирил-КоА
НАД + ~^/$1
KoA-SH CH3-CH2-CH2-CHO Масляный альдегид НАД •H2—ч /
ф L-НАД H21, 5 L*-НАД +
CH3-CHOH-CH3
Масляная кислота
Изопропиловый спирт
НАД
CH3-CH2-CH2-CH2OH
Бутиловый спирт
Рис. 65. Образование нейтральных продуктов при маслянокислом брожении:
O1 _ бутирилальдегиддегидрогеназа; Ф2 — бутанолдегидрогеназа;. ф3 _ КоА-трансфераза; Ф4 — ацетоацетатдекарбоксилаза; Ф5 — изо-пропанолдегидрогеназа; Фб — ацетальдегиддегидрогеназа; Ф7 — алкоголь дегидрогена за
206
TIo мере подкисления среды индуцируется синтез ферментов, приводящих к накоплению нейтральных продуктов, в первую очередь я-бутанола и ацетона. я-Бутанол образуется из бутирил-КоА, предшественника масляной кислоты, в результате двух последовательных ферментативных реакций (рис. 65). Первая из них заключается в отщеплении кофермента А и одновременном гидрировании, приводящем к образованию масляного альдегида. Последующее его восстановление с помощью НАД • H2 приводит к появлению я-бутанола. Путь, ведущий к образованию ацетона, начинается от ацетоацетил-КоА с переноса от последнего кофермента А на ацетат. Декарбоксилирование ацетоуксусной кислоты приводит к образованию ацетона. Образование этанола происходит в результате двухступенчатого восстановления ацетил-КоА.
Физиологический смысл дополнительных ферментативных этапов у С. acetobutylicum, ведущих к накоплению в среде я-бутанола, этанола и ацетона, заключается в образовании конечных продуктов нейтрального характера. Первоначально нейтральный pH среды вследствие накопления масляной и уксусной кислот быстро падает. Некоторые клостридии выработали механизм борьбы с нарастающей кислот--ностью, который начинает функционировать при низком pH среды и приводит к появлению перечисленных выше нейтральных продуктов. 'Одновременно происходит понижение общей кислотности среды, что также свидетельствует об активном противодействии этих бактерий •неблагоприятным условиям среды.
Изучение физиологии группы клостридиев, осуществляющих аце-тоно-бутиловое брожение, привело к открытию В. Н. Шапошниковым (1884—1968) явления двухфазности этого брожения, которое позднее ?было обнаружено в большинстве типов брожений, характеризующихся сложным набором конечных продуктов. В основе явления двухфазности лежит тесная связь между конструктивными и энергетическими процессами. Вначале, когда имеет место активный рост культуры, сопровождающийся интенсивными биосинтетическими процессами, происходит значительный отток образующегося при брожении восстановителя для конструктивных целей. Это сопровождается преобладающим синтезом более окисленных конечных продуктов брожения (I фаза). При затухании роста и переходе культуры в стационарное состояние уменьшается потребность в восстановителе для конструктивных целей. Это приводит к большему его использованию в энергетических процессах и, следовательно, к образованию более восстановленных конечных продуктов брожения (II фаза). Таким образом, масштабы конструктивного метаболизма определяют характер и направление энергетических процессов.
Как можно оценить возникшую у маслянокислых бактерий последовательность ферментативных реакций, ведущих к синтезу масляной ,кислоты, а также дополнительные ферментативные этапы, ведущие к синтезу я-бутанола и ацетона? На пути от ацетил-КоА до масляной ,кислоты в двух точках имеет место акцептирование водорода с НАД•H2. Синтез я-бутанола из бутирил-КоА связан еще с двумя восстановительными этапами. Итак, образование я-бутанола вызвано не только противодействием нарастающей кислотности. Этот дополнительно развившийся участок пути весьма эффективен в качестве ферментативных преобразований, связанных с утилизацией возникающих в процессе брожения молекул НАД •H2.
Рассмотрим под этим же углом зрения путь, ведущий к синтезу
207
ацетона. Метаболизирование части ацетоацетил-КоА через ацетоук-сусную кислоту в ацетон приводит к определенной потере потенциальных акцепторов водорода, которые могли бы на пути к образованию масляной кислоты или я-бутанола присоединить соответствующее количество водорода с НАД • H2. Однако этот путь является более коротким путем образования нейтральных продуктов, что, вероятно, для бактерий в определенных условиях выгодно. Кроме того, попыткой как-то компенсировать этот недостаток можно объяснить возникновение у некоторых видов клостридиев способности ферментативно восстанавливать ацетон в изопропанол с использованием водорода с
