: Главная arrow Клетка и ее структура arrow Образование этанола дрожжами  

Образование этанола дрожжами

Печать E-mail
 

 

В изучении описанных выше путей обмена важную роль сыграли ра­боты, проведенные на дрожжах. Еще Гей-Люссак (в 1815 г.) дал уравне­ние, описывающее превращение глюкозы в этанол в той форме, как это принято и теперь:

С6Н1206   ->  2С02   +   2С2Н5ОН

Нормальное сбраживание глюкозы дрожжами. Сбраживание глюкозы до этанола и С02 дрожжами (Saccharomyces cerevisiae) осуществляется по фруктозобисфосфатному пути. Превращение пирувата в этанол про­исходит в два этапа. Сначала пируват декарбоксилируется пируватде-карбоксилазой (а) при участии тиаминпирофосфата до ацетальдегида, а затем ацетальдегид восстанавливается алкогольдегидрогеназой (б) в этанол при участии NADH2:

Переносится при этом водород, образующийся при дегидрировании триозофосфата; окислительно-восстановительный баланс, таким обра­зом, сохраняется.

История исследования дрожжевого брожения. Нет смысла останавли­ваться здесь на курьезно звучащих в наше время спорах о природе бро­жения-о том, является ли образование спирта из сахара результатом «химического контактного действия» или же результатом деятельности живых существ. Л. Пастер окончательно разрешил вопрос о причинах брожения и установил, что дрожжи в аэробных условиях образуют из определенного количества сахара примерно в 20 раз больше клеточного вещества, чем в анаэробных. Он открыл также, что кислород подавляет брожение. Этот эффект, получивший название эффекта Пастера, прио­брел с тех пор известность как один из классических примеров регуля­ции обмена веществ.

В 1896-1897 годах Бухнер и Хан обнаружили, что если к соку, полу­ченному при растирании прессованных пивных дрожжей с кварцевым песком и кизельгуром, добавить сахар, то начинается брожение с обра­зованием пены. Так впервые сложный биохимический процесс удалось осуществить вне клетки. В 1906 году Гарден и Ионг, тоже работавшие с дрожжевым соком, установили, что для сбраживания глюкозы нужен неорганический фосфат, который включается в фруктозо-1,6-бисфосфат. Сбраживание глюкозы дрожжевым соком происходит согласно уравне­нию Гардена-Йонга:

Формы брожения, открытые Нейбергом. Открытия Карла Нейберга и разработанные им оригинальные методы имеют не только историчес­кое значение. Этот исследователь показал, что дрожжи способны сбра­живать помимо глюкозы также и пируват. В качестве промежуточного продукта при сбраживании пирувата образуется ацетальдегид; это можно доказать, связывая альдегид бисульфитом (который для дрожжей практически нетоксичен). Если к дрожжам, сбраживающим глюкозу, прибавить бисульфит, будет происходить следующая реакция:

СН3-СНО   +   NaHS03   -*  СН3-СНОН-S03Na

При этом появится новый продукт брожения-глицерол-и одновре­менно снизится выход этанола и С02.

Брожение в присутствии бисульфита стали использовать в промыш­ленности при производстве глицерола. Эта технология основана на том, что ацетальдегид связывается и поэтому не может служить акцептором водорода. Вместо ацетальдегида роль такого акцептора принимает на себя дигидроксиацетонфосфат; он восстанавливается до глицерол-3-фос-фата и дефосфорилируется с образованием глицерола. Брожение можно представить так:

Глюкоза   +   Бисульфит  ->

->   Глицерол   +   Ацетальдегидсульфит   +   С02

Это модифицированное дрожжевое брожение известно как вторая форма брожения по Нейбергу. Принцип перехватывания одного из мета­болитов - метод ловушки- стал впоследствии общим биохимическим методом.

При добавлении к бродящему раствору NaHC03 или Na2HP04 то­же образуется глицерол, так как ацетальдегид превращается в результа­те реакции дисмутации в этанол и уксусную кислоту и поэтому не мо­жет быть использован в качестве акцептора водорода. Это третья форма брожения по Нейбергу:

2 Глюкоза   +   Н20  -»

-> Этанол  +   Ацетат  +   2 Глицерол  +   2С02

Нормальное дрожжевое брожение Нейберг назвал первой формой брожения. Он считал, что образующийсяпри небиологическом разложе­нии фруктозы 2-оксопропаноль (метилглиоксаль, СН3-СО-СНО) также является промежуточным продуктом сбраживания глюкозы.

Отношение дрожжей к кислороду. Сбраживание дрожжами глюко-зы-анаэробный процесс, хотя дрожжи-аэробные организмы. В анаэ­робных условиях брожение идет очень интенсивно, но роста дрожжей почти не происходит. При аэрации брожение ослабевав!, уступая место дыханию. У некоторых дрожжей можно почти полностью подавить брожение усиленной аэрацией (эффект Пастера). Пастер открыл этот эффект более ста лет тому назад, исследуя процессы брожения при изготовлении вина. Это явление свойственно не только дрожжам, но и всем другим факультативно-анаэробным клеткам, включая клетки тканей высших животных.

Баланс превращений глюкозы (на примере типичного опыта с дрож­жами) представлен в табл. 8.1. Аэрация уменьшает потребление глюко-

 

Image

зы, а также образование этанола и С02, но делает возможным рост дрожжей. С энергетической точки зрения эти явления понятны; они ука­зывают на существование у дрожжей чрезвычайно полезного регулятор-ного механизма: в анаэробных условиях образуются только 2 моля АТР на один моль использованной глюкозы, а при дыхании-38 молей АТР. Таким образом, клетка, регулируя превращения субстрата, может получать   максимум   энергии   как   в   тех,   так   и   в   других   условиях.

В третьем столбце табл. 8.1 приводятся результаты опыта, в кото­ром дрожжи инкубировали в аэробных условиях в присутствии 0,4 мМ 2,4-динитрофенола (ДНФ). ДНФ разобщает фосфорилирование и оки­сление в дыхательной цепи: он нарушает сопряжение между переносом электронов и фосфорилированием, после чего дыхание протекает уже без контроля со стороны фосфорилирования. Добавление ДНФ практи­чески выключает фосфорилирование в дыхательной цепи, и водород, отщепляющийся в цикле трикарбоновых кислот, уже не может исполь­зоваться для энергетических целей. Доступным для использования ока­зывается только высокоэнергетический фосфат, образующийся при ра­сщеплении сукцинил-СоА. Результаты опыта показывают, что в присутствии ДНФ потребление глюкозы возрастает до величины, наблюдаемой в анаэробных условиях, что связано с его разобщающим действием.

В реакции Пастера участвует, видимо, несколько регуляторных меха­низмов, действующих в одном направлении. Эффект одного из них про­является на уровне процессов фосфорилирования. В основе его лежит конкуренция за аденозиндифосфат (ADP) и неорганический фосфат (Р;). Для дегидрирования при расщеплении глицеральдегидфосфата необхо­димы ортофосфат и ADP:

Глицеральдегид-3-фосфат   +   NAD   +   ADP   +   Р;  -*

-»  3-фосфоглицерат   +   NADH2   +   ATP

Таким образом, расщепление субстрата (глюкозы) по фруктозобис-фосфатному пути зависит от наличия ADP и неорганического фосфата. В отсутствие ADP и фосфата дегидрирование глицеральдегидфосфата оказывается невозможным. Однако в аэробных условиях с этой реак­цией конкурирует за ADP и фосфат процесс фосфорилирования в дыха­тельной цепи, который тоже приводит к образованию АТР. Вполне ве­роятно, что расщепление глюкозы, а вместе с тем и образование этанола тормозятся в результате снижения внутриклеточной концентра­ции ADP и фосфата. Если же под действием ДНФ процессы окисления в дыхательной цепи и фосфорилирование разобщаются, то ADP и фос­фат снова могут использоваться для дегидрирования глицеральдегид­фосфата, и аэробное потребление глюкозы повышается до уровня, со­ответствующего анаэробным условиям (табл. 8.1).

За реакцию Пастера ответствен еще один регуляторный механизм, а именно аллостерический эффект торможения фермента фосфофрук-токиназы аденозинтрифосфатом. Это торможение будет рассмотрено в разделе 16.2.2.

Объяснение процесса, описанного Гарденом и Ионгом. Отжатый дрож­жевой сок разлагает глюкозу в соответствии с уравнением Гарде-на-Ионга. Накопление фруктозо-1,6-бисфосфата объясняется в этом случае тем, что АТР в нарушенной ферментной системе (в отличие от живой клетки) не может использоваться для энергетических целей и остается в избытке. Дрожжевой сок не содержит фосфатаз, поэтому ADP должен непрерывно регенерироваться за счет фосфорилирования лишней глюкозы или фруктозо-6-фосфата.

Применение дрожжей. Человек использует дрожжи в различных це­лях. Уже в древние времена из множества видов, рас и штаммов были отобраны наиболее подходящие для того или другого процесса. Для производства пива применяются слабо дышащие, преимущественно бродящие формы, относящиеся к так называемым «низовым дрожжам». Для получения спирта и вин и в хлебопечении используются главным образом «верховые дрожжи».

Пекарские дрожжи (Saccharomyces cerevisiae) должны поднимать те­сто в результате образования С02, т.е. осуществлять интенсивное бро­жение. Их выращивают в чанах при сильной аэрации. В качестве побоч­ного продукта при этом всегда образуется этанол. Варьируя степень аэрации и режим добавления сахара, можно изменять относительный выход дрожжей и спирта. При проточном способе непрерывно-прибав­ляют сахар, но так медленно, чтобы он ограничивал рост дрожжей. Это избавляет от образования продуктов брожения - весь сахар использует­ся для роста. Источником азота служит аммоний. Необходимые ро­стовые вещества дрожжи получают из добавляемого пшеничного затора.

Пивные дрожжи по большей части относятся к низовым расам (мюн­хенское, пильзенское пиво), реже к верховым (светлое пиво, эль, портер). В Центральной Европе пиво варят в основном из ячменя, выбирая для

этой цели ячмень с наименьшим содержанием белка и высоким содер­жанием крахмала. Поскольку дрожжи не образуют амилаз и могут сбраживать только сахара, но не крахмал, необходимо сначала обеспе­чить осахаривание крахмала. Для этого используют специфическую амилазу, образующуюся при прорастании зерен ячменя. Зернам дают набухнуть и прорасти; образовавшийся зеленый солод осторожно су­шат при определенной температуре, при которой прерывается только процесс прорастания, а ферменты сохраняются. Просушенный солод размалывают и погружают в чаны с водой. При умеренной температуре крахмал через некоторое время осахаривается, превращаясь в мальтозу. Полученное сусло освобождается от дробины, к нему добавляют хмель, варят, охлаждают и подвергают брожению в бродильных чанах, прибавляя предварительно выращенные дрожжи.

Для получения спирта (этанола) путем брожения используют отходы производства сахара (мелассу) или картофель. Большие количества де­шевого спирта получают также из гидролизатов древесины лиственных пород или из сульфитных щелоков-отходов бумажных фабрик. В ги-дролизатах древесины сбраживаются до этанола только гексозы. Остающиеся после этого пентозы используют для выращивания кор­мовых дрожжей (Endomyces lactis и видов Torula), для которых они слу­жат источником углерода; эти дрожжи, богатые белками, добавляют в корм скоту.

Многие немецкие вина получают в результате спонтанного брожения виноградного сока, вызываемого дрожжами рода Kloeckera. Для по­давления неконтролируемого брожения, вызываемого дикими дрожжа­ми, неоднократно вносят чистые культуры дрожжей или смеси Kloeckera и Saccharomyces, которые подбирают в специальных винодель­ческих районах. Еще большее значение для букета вина имеет, однако, сорт винограда (Рислинг, Сильванер, Мюллер-Тургау, Шейребе, Кернер и др.), а также климатические и почвенные факторы, влияющие на рост виноградной лозы.

Во всех жидкостях, полученных путем дрожжевого брожения, содер­жатся сивушные масла: пропанол, 2-бутанол, 2-метилпропанол, ами­ловый (пентанол) и изоамиловый (триметилбутанол) спирты. Они пред­ставляют собой продукты нормального бродильного метаболизма дрожжей и обнаруживаются не только при их росте в сложных пита­тельных растворах, содержащих аминокислоты. Основными компонен­тами сивушного масла являются побочные продукты обмена изолей-цина, лейцина и валина.

 
« Пред.   След. »