Как уже говорилось выше, получение энергии-необходимая предпосыл­ка для жизнедеятельности клеток. Из трех принципиально возможных способов регенерации АТР (дыхание, брожение и фотосинтез) броже­ние-наиболее простой.

Брожение-это такой метаболический процесс, при котором регене­рируется АТР, а продукты расщепления органического субстрата могут служить одновременно и донорами, и акцепторами водорода. Реакции, приводящие к фосфорилированию ADP, являются реакциями окисле­ния. От окисленного углерода клетка избавляется, выделяя С0₂. От­дельные этапы окисления представляют собой дегидрирование, при ко­тором водород переносится на NAD. Акцепторами водорода, находяще­гося в составе NADH₂, служат промежуточные продукты расщепления субстрата. При регенерации NAD последние восстанавливаются, а про­дукты восстановления выводятся из клетки.

При сбраживании углеводов и ряда других веществ образуются (по отдельности или в смеси) такие продукты, как этанол, лактат, пропио-нат, формиат, бутират, сукцинат, капронат, ацетат, н-бутанол, 2,3-бутан-диол, ацетон, 2-пропанол, С0₂ и Н₂. В зависимости от того, какие про­дукты преобладают или являются особенно характерными, различают спиртовое, молочнокислое, пропионовокислое, муравьинокислое, масля-нокислое и уксуснокислое брожение. Молекулярный кислород в процессах брожения не участвует: «Брожение-это жизнь без воздуха» (Л. Па-стер). Многие микроорганизмы, осуществляющие брожение,-обли-гатные анаэробы, а некоторые-факультативные анаэробы, способные расти как в присутствии кислорода, так и без него; при этом кислород подавляет брожение и оно сменяется дыханием.

Регенерация АТР при брожении. При сбраживании глюкозы микроор­ганизмами образуется от 1 до 4 молей АТР:

Продукты

C*DP)+  Pj                        1-4   С*Т?)

Ввиду большого числа возможных продуктов брожения кажется уди­вительным, что в преобразовании энергии путем фосфорилирования на уровне субстрата участвуют лишь немногие реакции, из которых здесь будут представлены три наиболее важные:

У большинства микроорганизмов, осуществляющих брожение, ис­пользуются только реакции, катализируемые фосфоглщераткиназой (1) или пируваткиназой (2), а необходимые акцепторы водорода образуются при этом из пирувата и ацетилкофермента А. При сбраживании одного моля глюкозы образуется лишь от двух до трех молей АТР, а продук­тами оказываются лактат, этанол, ацетон, бутират, н-бутанол, 2-пропа-нол,  2,3-бутандиол, капронат, ацетат, С0₂ и молекулярный водород.

При использовании ацетаткиназы [реакция (3)] бактерии получают дополнительный АТР. Ацетилфосфат образуется из ацетил-СоА и неор­ганического фосфата с помощью фосфотрансацетилазы:

Ацетил-СоА   +   Р_;  -*  Ацетилфосфат  +   СоА

Кроме того, возможно образование ацетилфосфата из фосфорилиро-ванных Сахаров (ксилулозо-5-фосфата, фруктозо-6-фосфата) при участии фосфокетолазы.

Способность бактерий использовать реакцию, катализируемую аце-таткиназой (3), зависит от того, могут ли они выделять молекулярный водород (Н₂). В случае переноса восстановительных эквивалентов (элек­тронов) на протоны они могут выделяться в виде молекулярного водо­рода; поэтому клетке нет надобности синтезировать акцепторы водоро-

да. Чтобы понять это, нужно остановиться на механизмах высвобожде­ния Н₂.

Анаэробные бактерии окисляют пируват в ацетил-СоА двумя спосо­бами (см. реакции (2) и (3) в начале раздела 7.2.4). В реакции, катализи­руемой пируват : ферредоксин-оксидоредуктазой (эта реакция свойствен­на, в частности, клостридиям), восстанавливается ферредоксин (Fd). Его окислительно-восстановительный потенциал очень низок (Е° = = - 420 мВ), поэтому с помощью специальной гидрогеназы-ферредоксин :Н₂-оксидоредуктазы-может освобождаться газообразный водород:

В реакции, катализируемой пируват: формиат-лиазой (как у энтеробак-терий), наряду с ацетил-СоА образуется также формиат. Он может рас­щепляться гидрогенлиазной системой:

Формиат---- ► н₂ + С0₂

Оба механизма выделения Н₂ имеют между собой то общее, что у предшественников (FdH и формиата) очень низкие окислительно-вос­становительные потенциалы. Поэтому клетке нетрудно избавляться от восстановительных эквивалентов, образующихся при окислении пирува-та в ацетил-СоА.

В отличие от этого водород, образующийся при дегидрировании глицеральдегид-3-фосфата и связанный в форме NADH₂, у большинства анаэробных бактерий передается затем на органические акцепторы. Многие бактерии обладают, однако, способностью высвобождать и эти восстановительные эквиваленты в виде Н₂ благодаря ферменту NADH₂ : ферредоксин-оксидоредуктазе, катализирующему реакцию

NADH₂ + 2 Fd-- ► NAD + 2 FdH

С помощью гидрогеназы от FdH может отделяться Н₂. Так как эти ре­акции связаны с увеличением потенциала Н (от £„' = - 320 мВ для NADH₂ до £„' = - 420 мВ для ферредоксина) и их равновесие неблаго­приятно для выделения Н₂, они протекают только тогда, когда обра­зующийся и выделяющийся молекулярный водород непрерывно уда­ляется. Поэтому организмы, способные к образованию Н₂ из NADH₂, могут воспользоваться этим изящным способом избавления от водоро­да в форме Н₂ только тогда, когда живут вместе с другими видами, не­прерывно потребляющими Н₂. Именно так обычно обстоит дело в при­роде. Такое явление называют межвидовой передачей водорода и говорят об особой форме симбиоза в микробных сообществах.

Бактерии, способные таким образом избавляться от связанного с NAD водорода, выделяя его в виде Н₂, естественно, могут обходиться без превращения ацетил-СоА в акцепторы для NADH₂. Поэтому они

могут превращать ацетил-СоА в ацетилфосфат и регенерировать АТР путем ацетилкиназнои реакции. Выделяют они главным образом ацетат и при сбраживании одного моля глюкозы способны регенерировать до четырех молей АТР (как, например, Ruminococcus albus; см. стр. 299). Роль процессов брожения в балансе природы. Виды, осуществляющие брожение, играют важную роль в природном круговороте веществ. Большая часть целлюлозы, поедаемой растительноядными животными, выводится в непереваренном виде с калом. Когда этот содержащий цел­люлозу детрит попадает в анаэробные слои почвы или донных осадков водоемов, целлюлозу сбраживают разлагающие ее клостридии и неко­торые другие строго анаэробные бактерии. При этом образуются на­званные выше продукты брожения, в том числе почти всегда молеку­лярный водород. Водород находится в начале анаэробной пищевой цепи, главные продукты которой метан и (или) сероводород:

 В осадках пресноводных озер и в рубце жвачных Н₂ превращается метанобразующими бактериями в метан, а в морских анаэробных эко­системах сульфатредуцирующие бактерии превращают Н₂ и сульфат в сероводород.