Анаэробное окисление углеводов

Основным источником энергии для клеток животных, растений и многих бактерий, является окисление глюкозы, протекающее в две стадии: анаэробную и аэробную.

Анаэробная стадия окисления глюкозы в клетках человека и животных получила название гликолиз. Гликолиз является первым, а в анаэробных условиях основным процессом катаболизма глюкозы, освобождающаяся при этом энергия аккумулируется в молекулах АТФ. Гликолиз протекает в цитоплазме, состоит из 10 реакций и условно делится на три фазы.

Первая – активирование глюкозы (пусковая реакция) и подготовка к расщеплению на две фосфотриозы; расщепление фруктозо-1,6-дифосфата и изомеризация дигидроксиацетонфосфата в глицеральдегид-3-фосфат.

Глюкоза

АТФ

АДФ ^{гексокиназа}

глюкозо – 6 – фосфат

^{гексозофосфатизомераза}

фруктозо – 6 – фосфат

АТФ _{фосфофруктокиназа}

АДФ

фруктозо- 1,6 –дифосфат

альдолаза

дигидроксиацетонфосфат ^{триозофосфат-} глицеральдегид–3–фосфат

^{изомераза}

(2) глицеральдегид-3-фосфат

2 НАД⁺ 2 НАД× Н₂

2 Ф_{н глицеральдегидфосфат-}

^{дегидрогеназа}

(2) 1,3 – дифосфоглицериновая кислота

2АДФ

^{фосфоглицераткиназа}

2 АТФ

(2) 3 – фосфоглицериновая кислота

^{фосфоглицеромутаза}

(2) 2 – фосфоглицериновая кислота

_{енолаза}

2 Н₂О

(2) фосфоенолпировиноградная кислота

2 АДФ

_{пируваткиназа}

2 АТФ

(2) пировиноградная кислота

Рис. 4. Схема гликолиза

В рамках помещены исходные субстраты и конечные продукты гликолиза. Цифрами в скобках обозначено число молекул

Вторая – окисление двух молекул глицеральдегид-3-фосфата до двух молекул пирувата и аккумуляция освобождающейся энергии в сопряженном процессе субстратного фосфорилирования АДФ с образованием АТФ.

Третья – в анаэробных условиях, для поддержания процесса, НАД⁺ выполняет роль кофермента-переносчика пары водорода от глицеральдегид-3-фосфата на пируват, обеспечивая клетку энергией.

Значение гликолиза особенно велико для тканей с ограниченным доступом кислорода и испытывающих периодически резкое возрастание потребления АТФ.

Гликолиз может начинаться либо с фосфорилирования глюкозы, либо с фосфоролиза гликогена (или крахмала в растениях). В скелетных мышцах оба пути выражены в равной степени, а в мышце сердца и головном мозге преобладает фосфорилирование глюкозы.

Брожение – это окисление органических веществ, в том числе и углеводов, различными микроорганизмами в анаэробных условиях с целью получения энергии. Брожение происходит в окружающей среде, в пищевых продуктах. В отраслях пищевой промышленности чаще всего используется молочнокислое и спиртовое брожение. В данных видах брожения окислению подвергается глюкоза, и их химизм до образования пировиноградной кислоты совпадает с гликолизом.

Молочнокислое брожение – это процесс получения энергии молочнокислыми бактериями. По характеру различают два вида молочнокислого брожения: гомоферментативное и гетероферментативное, которые осуществляются соответствующими группами молочнокислых бактерий. Гомоферментативные (однотипнобродящие бактерии), в процессе брожения образуют в основном молочную кислоту и очень мало побочных продуктов. Они окисляют углеводы молока по пути гликолиза в анаэробных условиях, где пируват служит акцептором водорода от НАД·Н₂ и восстанавливается в конечный продукт брожения – лактат. Суммарное уравнение этого типа брожения можно записать так:

С₆Н₁₂О₆ → 2СН₃―СНОН―СООН + 2АТФ.

Лактат, накапливаясь до рН 4,8-4,6, вызывает скисание молока. Этот процесс лежит в основе квашения капусты, огурцов, помидор и других продуктов растительного происхождения, силосования кормов для животных. Образующийся лактат предотвращает развитие гнилостных бактерий, плесневых грибов, т.е. служит консервантом.

Гетероферментативные бактерии (разнотипнобродящие) – наряду с молочной кислотой образуют значительное количество других веществ: этанола, СО₂, уксусной кислоты. Окисление углеводов молока гетероферментативными молочнокислыми бактериями осуществляется своеобразной ферментативной системой в которой нет фермента альдолазы, но есть ферменты пентозофосфатного цикла и других типов брожения. После фосфорилирования гексоза окисляется дегидрогеназой и декарбоксилируется, превращаясь в пентозофосфат. Последний расщепляется на глицеральдегид-3-фосфат и ацетилфосфат. Глицеральдегид-3-фосфат, как и у гомоферментативных молочнокислых бактерий, окисляется до пирувата, который затем восстанавливается в лактат, а НАД·Н₂ окисляется в НАД⁺. Ацетилфосфат дефосфорилируется и превращается в ацетат (уксусную кислоту), частично восстанавливается (через уксусный альдегид) в этанол. Таким образом, конечными акцепторами водорода в этом типе брожения служат пируват и уксусный альдегид.

Культуры гетероферментативных молочнокислых бактерий используют в производстве кефира, кумыса, курунги, мацони и других продуктов.

Спиртовое брожение осуществляется клетками дрожжевых грибов для получения энергии в анаэробных условиях. Большинство дрожжей сбраживает моносахариды, а именно глюкозу по пути гликолиза до образования пирувата. В анаэробных условиях, фермент дрожжей пируватдекарбоксилаза, превращает пируват в уксусный альдегид. Последний восстанавливается ферментом алкогольдегидрогеназой в этанол с окислением НАД·Н₂:

_{пируватдекарбоксилаза} О

2 СН₃―СО―СООН 2 СН₃С + 2 СО₂

^{пируват альдегид} Н

О _{алкогольдегидрогеназа}

2 СН₃ ―С + 2 НАД×Н₂ 2 СН₃―СН₂ОН + 2 НАД⁺.

Н ^ЭТАНОЛ

Суммарное уравнение спиртового брожения:

С₆Н₁₂О₆ → 2 С₂Н₅ОН + 2 СО₂ + 2 АТФ.

Пропионовокислые бактерии сбраживают углеводы до пропионовой, уксусной кислот и углекислого газа. Одна молекула пирувата окисляется до уксусной кислоты и СО₂ и две молекулы пирувата превращаются в пропионовую кислоту.

Уксуснокислые бактериии окисляют этанол и другие спирты до уксусной кислоты: + О₂

СН₃-СН₂ОН СН₃-СООН + Н₂О

Этанол Ацетат

Есть микроорганизмы осуществляющие маслянокислое, лимоннокислое и другие виды брожения. Многие брожения используются в пищевых технологиях и не менее важную роль они выполняют в природе.

Анаэробную стадию окисления глюкозы наиболее удобно изучать на спиртовом брожении, которое протекает по пути гликолиза. Процесс состоит из 12 реакций.

ХОД РАБОТЫ. В ступку вносят 0,5-1 г дрожжей и растирают до однородной массы добавляя раствор с массовой долей сахарозы или глюкозы 5 %. Содержимое из ступки переносят в трубку Эйнгорна (рис.5), смывая несколько раз ступку и пестик 3-4 мл раствором сахаров так, чтобы запаянное колено было полностью заполнено смесью.

Трубку помещают в термостат при 37-38 °С на 2-3 часа. Интенсивность брожения учитывают каждые 15-30 мин по объему СО₂, который собирается в запаянном колене (в см³). Если брожение протекает интенсивно, то после каждого замера запаянное колено трубки Эйнгорна повторно заполняют той же бродящей смесью (смесь перемещают из расширенной части трубки в запаянное колено). После 4-5 замеров строят график интенсивности брожения. По оси ординат откладывают объем СО₂, по оси абсцисс – время замера (30, 60, 90, 120 и 150 мин от начала термостатирования).

ОБНАРУЖЕНИЕ ЭТАНОЛА. По окончании работы, отфильтровывают через складчатый фильтр 3-5 мл бродящей смеси в пробирку, добавляют 3-5 капель раствора Люголя и по каплям 10 % раствор гидроксида натрия до обесцвечивания раствора. После этого пробирку с раствором нагревают на кипящей водяной бане. В зависимости от количества образовавшегося этанола через 3-5 мин появляется запах хлороформа.

С₂Н₅ОН + 4 I₂ + 6 NaOH СНI + 5NaI + HCOONa + 5 H₂O

Этанол Иодоформ

ОБНАРУЖЕНИЕ УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА. После последнего замера проделывают качественную реакцию на СО₂. Для чего в бродильный прибор (не перемещая в нем смесь) приливают до краев раствор с массовой долей гидроксида натрия 10 %, закрывают отверстие большим пальцем и содержимое хорошо перемешивают. При взаимодействии СО₂ со щелочью объем смеси уменьшается, создается вакуум и палец присасывается к отверстию.

РЕАКТИВЫ. Дрожжи; растворы с массовыми долями: сахарозы или глюкозы 5 %, гидроксида натрия 10 %, раствор Люголя.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ.

1. Биологическое окисление и его роль.

2. Стадии окисления глюкозы в клетках, место их локализации.

3. Характеристика анаэробной стадии окисления глюкозы.

4. Роль анаэробной стадии окисления глюкозы для животных, человека, растений и микроорганизмов.

5. Характеристика гомоферментативного молочнокислого брожения и его роли.

6. Характеристика гетероферментативного молочнокислого брожения и его роли.

7. Характеристика спиртового брожения и его роли.

8. Характеристика уксуснокислого брожения и его роли.

9. Характеристика химизма пропионовокислого брожения и его роли.

10. Использование брожения в пищевой промышленности.

11. Роль брожения в живой природе.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: