Спиртовое брожение (схема Эмбден-Мейергофа)

Спиртовое брожение очень сложный процесс, при изучении которого постепенно выяснилось, что он протекает как цепь реакций, связанных фосфорилирующим механизмом.

В первой фазе брожения (стадия фосфорилирования) образуются разные фосфаты гексоз. Последний из них (фруктозо-1,6-дифосфат) распадается на два триозофосфата: дигидроксиаце- тонфосфат и глицеральдегид-3-фосфат. Глицеральдегид-3-фосфат дегидрогенизируется при вмешательстве никотинамидаденинди- нуклеотида (НАД) и одновременно фосфорилируется в 1,3-фосфорглицериновую кислоту, которая последующей дегидрогенизацией и дефосфорилизацией переходит в пировиноградную кислоту. Кислота в свою очередь декарбоксилируется в углекислый газ и ацетальдегид, который в последней фазе восстанавливается в спирт (этанол). Весь ход спиртового брожения виден по приведенной по Де Клерку (6) схеме, которая составлена на основе имеющихся данных, относящихся к изучению этого сложного процесса.

Сбраживаемость сахаров различна и зависит от вида сахара и от свойств дрожжей. Сначала считали, что прямо сбраживаются только так называемые зимогексозы, т. е. глюкоза, фруктоза, маноза и условно (после приспособления) также галактоза, при этом все только в оптической D-форме. Олигосахариды считались сбраживаемыми только после расщепления на гексозы соответствующими ферментами. Например, низовые пивоваренные дрожжи содержат инвертазу (сахарозу, β-фруктозидазу-β-D- фруктофуранозид фруктогидролазу, ЕК 3.2.1.26), катализирующую расщепление сахарозы на глюкозу и фруктозу, далее мальтозу (α-глюкозидазу-α-D-глюкозид глюкогидролазу, ЕК 3.2.1.21), которая катализирует расщепление мальтозы на две молекулы глюкозы и, наконец, мелибиазу (α-галактозидазу-α-D-галактозид галактогидролазу, ЕК 3. 2. 1. 23), которая при одновременном присутствии сахарозы расщепляет трисахарид на все три его составляющие, т. е. галактозу, глюкозу и фруктозу. У верховых дрожжей мелибиаза отсутствует и поэтому они расщепляют рафинозу на мелибиозу и фруктозу, так что сбраживают только ее фруктозный компонент (1/3).

В последнее время с помощью хроматографического метода подтвердилось существование трансфераз, способных переносить гексозные единицы с одной молекулы дисахарида или трисахарида на другую, или также внутри молекулы с одной связи на другую. Так, под действием трансглюкозидазы может образоваться например, из сахарозы трисахарид фруктозо-фруктозо-глюкоза или фруктозо-глюкозо-фруктоза. Образовавшиеся таким образом сахара под действием трансфераз расщепляются (сбраживаются) непосредственно ферментами брожения. Сбраживаемость сахаров зависит также от проницаемости клеточной оболочки дрожжей. Известно, что внутрь дрожжей проникают ди- и трисахариды, а высшие сахара и декстрины никогда.

Согласно суммарному уравнению брожения из 100 г глюкозы теоретически получается 51,1 г спирта (этанола) и 48,9 г углекислого газа. Практически выход всегда ниже и соответствует в среднем 48,6% этанола и 46,4% углекислого газа. Около 2% глюкозы дрожжи ассимилируют и остаток приблизительно 3% переходит в побочные продукты, т. е. ацетилдегид, глицерин, уксусную и молочную кислоту.

Цикл лимонной кислоты

В начале брожения сусло всегда содержит определенное количество растворенного кислорода воздуха, в присутствии которого дрожжи «дышат». Тем самым изменяется первоначальная схема анаэробного метаболизма. Восстановление ацетилдегида замедляется, так что начинается скапливаться пировиноградная кислота, незначительный излишек которой аэробно декарбонизируется в цикле лимонной кислоты, или в трикарбоксиловом цикле, называемом также по имени его открывателя циклом Кребса.

В реакцию включается следующий комплекс ферментов, катализирующий в присутствии кофермента А образование ацетил-кофермента А из очень небольшого количества пировиноградной кислоты. При его действии на щавелевоуксусную кислоту образуется лимонная кислота, а из нее постепенно кислоты цисаконитовая, L-изолимонная, щавелевоянтарная, α-кетоглутаровая, фумаровая, L-яблочная и, наконец, щавелевоуксусная, которая остается в цикле. Ее реакцией с пировиноградной кислотой начинается новый цикл.

Уже раньше было известно, что при полном исключении дыхания снижается жизнеспособность пивных дрожжей, а тем самым снижаются и их физиологические функции и бродильная активность. Вайнфуртнер приводит, как вывод из новых исследований, сведения о том, что энергия, получаемая при дыхании, физиологически неравноценна энергии, полученной при брожении, поскольку без дыхания дрожжи постепенно утрачивают способность к размножению.

Пентозофосфатный цикл

В последнее время обнаружилось, что при дыхании дрожжей до 30% глюкозы расщепляется прямым окислением в следующем так называемом пентозофосфатном или гексозомонофосфатном цикле по схеме Варбурга, Дикенса и Хорекера. При спиртовом брожении он накладывается на схему Эмбден-Майергофа в стадии глюкозо-6-фосфата, который окисляется в 6-фосфоглюконовую кислоту (через 6-лактон). При декарбоксилации через 6-фосфо-3-кетоглутаровую кислоту образуется рибулозо-5-фосфат. Последняя образует с рибозо-5-фосфатом седогептулозо-7-фосфат и глицеральдегид-3-фосфат, который возвращается в нормальную схему Эмбден-Мейергофа. Седогептулозо-7-фосфат расщепляется в эритрозо-4-фосфат и дигидроксиацетон. В присутствии глицеральдегид-3-фосфата образуется фруктозо-6-фосфат, который начинает следующий цикл.

Одним кольцом пентозофосфатного цикла одна молекула глюкозо-6-фосфата декарбонизуется в рибулозо-5-фосфат. При этом восстанавливаются две молекулы трифосфопиридиннуклеотида (ТПН), который снова должен окисляться кислородом воздуха.

Эффект Пастера

Основные изменения в метаболизме дрожжей, связанном с подачей воздуха в процессе брожения (анаэробный и аэробный процесс), первым заметил Пастер. Он обнаружил, что кислород подавляет брожение (образование спирта), однако ускоряет рост (размножение) дрожжей. Это явление известно как эффект Пастера. При аэробных условиях дрожжи не сбраживают (кроме пивных) сахар в этанол, а образуется только углекислый газ, при этом по сравнению с аэробным гликолизом потребление глюкозы намного меньше. По теории Линена, диапазон расщепления сахара регулирует концентрация неорганического фосфата и аденозиндифосфата (АДФ).

У пивоваренных культурных дрожжей эффект Пастера не наблюдается. С технологической точки зрения наличие эффекта Пастера свидетельствовало бы о нарушении функций пивоваренных дрожжей.

Что вызывает тренды на фондовых и товарных рынках Объяснение теории грузового поезда Первые 17 лет моих рыночных исследований сводились к попыткам вычис­лить, когда этот...

Что способствует осуществлению желаний? Стопроцентная, непоколебимая уверенность в своем...

ЧТО И КАК ПИСАЛИ О МОДЕ В ЖУРНАЛАХ НАЧАЛА XX ВЕКА Первый номер журнала «Аполлон» за 1909 г. начинался, по сути, с программного заявления редакции журнала...

Конфликты в семейной жизни. Как это изменить? Редкий брак и взаимоотношения существуют без конфликтов и напряженности. Через это проходят все...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: