С процессом
дыхания, его химическими реакциями
связано одно из удивительных
свойств микробов — способность
испускать видимый свет — люминесцировать.
Известно, что
ряд живых организмов, в том
числе бактерии, могут испускать
видимый свет. Люминесценция, вызываемая
микроорганизмами, известна уже
в течение столетий. Скопление
люминесцирующих бактерий, находящихся
в симбиозе с мелкими морскими
животными, иногда приводит к
свечению моря; с люминесценцией
встречались также при росте
некоторых бактерий на мясе
и т. д.
К основным
компонентам, взаимодействие между
которыми приводит к испусканию
света, относятся восстановленные
формы ФМН или НАД, молекулярный
кислород, фермент люцифераза и
окисляемое соединение — люциферин.
Предполагается, что восстановленные
НАД или ФМН реагируют с
люциферазой, кислородом и люциферином,
в результате чего электроны
в некоторых молекулах переходят
в возбужденное состояние и
возвращение этих электронов
на основной уровень сопровождается
испусканием света. Люминесценцию
у микробов рассматривают как
«расточительный процесс», так как
при этом энергетическая эффективность
дыхания снижается.
Брожение
Жизнь микробов
возможна и без доступа кислорода
воздуха. Энергия, необходимая
для жизнедеятельности организма,
в этих условиях образуется
в результате процессов брожения.
Наиболее распространены виды
брожений, в процессе которых
происходит распад органических
веществ (преимущественно Сахаров)
под влиянием микроорганизмов,
представляющий совокупность окислительно-восстановительных
реакций. Брожения никогда не
приводят к полному окислению
органических веществ. Многие
характерные формы брожения протекают
без участия кислорода воздуха
— анаэробно.
Поскольку свободный
кислород, имеющийся на нашей
планете, образовался в результате
фотосинтеза, возникшего на более
поздних этапах развития жизни
на Земле, совершенно очевидно,
что анаэробный способ извлечения
энергии — брожение — более
древний, чем процесс дыхания.
Брожение известно
людям с незапамятных времен.
Тысячелетиями человек пользовался
спиртовым брожением при изготовлении
вина. Еще раньше было известно
о молочнокислом брожении. Люди
употребляли в пищу молочные
продукты, готовили сыры. При этом
они не подозревали, что эти
процессы происходят с помощью
микроорганизмов. Термин «брожение»
был введен голландским алхимиком
Ван Хельмонтом в XVII в. для
процессов, идущих с выделением
газов (fermentatio — кипение). Затем
в XIX в. основоположник современной
микробиологии Луи Пастер показал,
что брожение является результатом
жизнедеятельности микробов, и установил,
что различные брожения вызываются
разными микроорганизмами.
Спиртовое брожение
Спиртовое брожение
— это процесс окисления углеводов,
в результате которого образуются
этиловый спирт, углекислота и
выделяется энергия.
Сбраживание cахаров
известно с глубокой древности.
В течение столетий пивовары
и виноделы использовали способность
некоторых дрожжей вызывать спиртовое
брожение, в результате которого
сахара превращаются в спирт.
Брожение производят
главным образом дрожжи, а также
некоторые бактерии и грибы.
В различных странах для получения
спирта используют различные
микроорганизмы. Например, в Европе
используют в основном дрожжи
из рода Saccharomyces, в Южной Америке
— бактерии Pseudomonas lindneri, в Азии
— мукоровые грибы.
Сбраживаться
могут лишь углеводы, и притом
весьма избирательно. Дрожжи сбраживают
только некоторые 6-углеродные
сахара (глюкозу, фруктозу, маннозу).
Схематично спиртовое
брожение может быть изображено
уравнением
С6Н12О6 -> 2С2Н5ОН
+ 2С02 + 23,5 • 104 дж
глюкоза этиловый
спирт углекислота энергия
Процесс спиртового
брожения — многоступенчатый, состоящий
из цепи химических реакций.
Превращения глюкозы до образования
пи-ровиноградной кислоты происходят
так же, как и при дыхании.
Эти реакции происходят без
участия кислорода (анаэробно). Далее
пути дыхания и брожения расходятся.
При спиртовом
брожении пировиноградная кислота
превращается в конечном итоге
в спирт и углекислоту. Эти
реакции протекают в две стадии.
Сначала от пирувата отщепляется
С02 и образуется уксусный альдегид;
затем уксусный альдегид присоединяет
водород, восстанавливаясь в этиловый
спирт. Все реакции катализируются
ферментами. В восстановлении альдегида
участвует НАД-H2.
Обычно при
спиртовом брожении, кроме главных
продуктов, образуются побочные.
Они довольно разнообразны, но
присутствуют в небольшом количестве:
амиловый, бутиловый и другие спирты,
смесь которых называется сивушным маслом
— соединение, от которого зависит специфический
аромат вина. Образование побочных веществ
связано с тем, что превращение глюкозы
частично идет другими путями.
Биологический
смысл спиртового брожения заключается
в том, что образуется определенное
количество энергии, которая запасается
в форме АТФ, а затем расходуется
на все жизненно необходимые
процессы клетки.
Молочнокислое брожение.
При молочнокислом
брожении конечным продуктом
является молочная кислота.
С этим брожением
люди знакомы издавна. Сквашивание
молока, приготовление простокваши,
кефира, квашение овощей — результаты
молочнокислого сбраживания сахара
молока или углеводов растений.
Этот вид брожения осуществляется
с помощью молочнокислых бактерий,
которые подразделяются на две
большие группы (в зависимости
от характера брожения): гомоферментативные,
образующие из сахара только
молочную кислоту, и гетероферментативные,
образующие, кроме молочной кислоты,
спирт, уксусную кислоту, углекислый
газ.
Гомоферментативное
молочнокислое брожение вызывают
бактерии рода Lactobacillus и стрептококки.
Они могут сбраживать различные
сахара с 6-ю (гексозы) или
5-ю (пентозы) углеродными атомами,
некоторые кислоты. Однако круг
сбраживаемых ими продуктов ограничен.
У молочнокислых
бактерий нет ферментативного
аппарата для использования кислорода
воздуха. Кислород для них или
безразличен, или угнетает развитие.
Молочнокислое
брожение может быть описано
уравнением
С6Н12О6 -> 2СН3*CНОН*СООН+21,8-104
дж
глюкоза молочная
кислота энергия
Процесс образования
молочной кислоты чрезвычайно
близок к процессу спиртового
брожения. Глюкоза также расщепляется
до пирови-ноградной кислоты.
Но затем ее декарбоксили-рование
(отщепление С02), как при спиртовом
брожении, не происходит, так как
молочнокислые бактерии лишены соответствующих
ферментов. У них активны дегидрогеназы
(НАД). Поэтому пировиноградная кислота
сама (а не уксусный альдегид, как при спиртовом
брожении) принимает водород от восстановленной
формы НАД и превращается в молочную кислоту.
В процессе молочнокислого брожения бактерии
получают энергию, необходимую им для
развития в анаэробных условиях, где использование
других источников энергии затруднено.
Гетероферментативное
молочнокислое брожение — процесс
более сложный, чем гомоферментативное:
сбраживание углеводов приводит
к образованию ряда соединений,
накапливающихся в зависимости
от условий процесса брожения.
Одни бактерии образуют, помимо
молочной кислоты, этиловый спирт
и углекислоту, другие — уксусную
кислоту; некоторые гетероферментативные
молочнокислые бактерии могут
образовывать различные спирты,
глицерин, маннит.
Гетероферментативное
молочнокислое брожение вызывают
бактерии рода Lactobacterium и рода Streptococcus.
Химизм этих брожений изучен
не так хорошо, как спиртового
или гомо-ферментативного молочнокислого
брожения.
Гетероферментативные
бактерии образуют молочную кислоту
иным путем. Последняя стадия
— восстановление пировиноградной
кислоты до молочной — та
же самая, что и в случае
гомоферментативного брожения. Но
сама пировиноградная кислота
образуется при ином расщеплении
глюкозы — гексозомонофосфат-ном.
Выход энергии гораздо меньше,
чем при спиртовом брожении.
Гетероферментативные
бактерии сбраживают ограниченное
число веществ: некоторые гексозы
(причем определенного строения),
пентозы, сахароспирты и кислоты.
Молочнокислое
брожение широко используется
при выработке молочных продуктов:
простокваши, ацидофилина, творога,
сметаны. При производстве кефира,
кумыса наряду с молочнокислым
брожением, вызываемым бактериями,
имеет место и спиртовое брожение,
вызываемое дрожжами. Молочнокислое
брожение происходит на первом
этапе изготовления сыра, затем
молочнокислые бактерии сменяются
пропионовокислыми.
Молочнокислые
бактерии нашли широкое применение
при консервировании плодов и
овощей, в силосовании кормов. Чистое
молочнокислое брожение применяется
для получения молочной кислоты
в промышленных масштабах.
Молочная кислота
находит широкое применение в
производстве кож, красильном
деле, при выработке стиральных
порошков, изготовлении пластмасс,
в фармацевтической промышленности
и во многих других отраслях. Молочная
кислота также нужна в кондитерской промышленности
и для приготовления безалкогольных напитков.
Маслянокислое брожение
Превращение углеводов
с образованием масляной кислоты
было известно давно. Природа
маслянокислого брожения как
результат жизнедеятельности микроорганизмов
была установлена Луи Пасте-ром
в 60-х годах прошлого века.
Возбудителями
брожения являются масля-нокислые
бактерии, получающие энергию для
жизнедеятельности путем сбраживания
углеводов. Они могут сбраживать
разнообразные вещества — углеводы,
спирты и кислоты, способны
разлагать и сбраживать даже
высокомолекулярные углеводы —
крахмал, гликоген, декстрины.
Маслянокислое
брожение в общем виде описывается
уравнением
C6H12О6 -> СН3*CН2*СООН+2С02+2Н2
глюкоза масляная
кислота
При этом брожении
накапливаются различные побочные
продукты. Наряду с масляной кислотой,
углекислым газом и водородом
образуются этиловый спирт, молочная
и уксусная кислоты.
Некоторые маслянокислые
бактерии, кроме того, образуют ацетон,
бутанол и изопропи-ловый спирт.
Брожение начинается
с процесса фосфорили-рования
глюкозы и далее идет по
гликолитиче-скому пути до стадии
образования пировиноградной кислоты.
Затем образуется уксусная кислота,
которая активируется ферментом.
После чего при конденсации
(соединении) из двуугле-родного
соединения получается четырехугле-родная
масляная кислота. Таким образом,
при маслянокислом брожении происходит
не только разложение веществ,
но и синтез.
По данным В.
Н. Шапошникова, в маслянокислом
брожении различаются две фазы.
В первой параллельно с увеличением
биомассы накапливается уксусная
кислота, а масляная кислота
образуется преимущественно во
второй фазе, когда синтез веществ
тела замедляется.
Маслянокислое
брожение происходит в природных
условиях в гигантских масштабах:
на дне болот, в заболоченных
почвах, илах и всех тех местах,
куда ограничен доступ кислорода.
Благодаря деятельности маслянокис-лых
бактерий разлагаются огромные
количества органического вещества.
Спиртовое, гомоферментативное
молочнокислое и маслянокислое
брожения являются основными
типами брожений. Все другие виды
брожений представляют собой
комбинацию этих трех типов.
Так, например, пропионовокислое
брожение, играющее важную роль
при производстве сыров и сопровождающееся
накоплением пропионовой и уксусной
кислот и углекислого газа, мо.жет
рассматриваться как комбинация
гомоферментативного молочнокислого
и спиртового брожений. Брожения
клетчатки и пектиновых веществ
являются разновидностями маслянокислого
брожения.
Итак, три основных
типа брожения органически связаны
между собой — начальные пути
разложения углеводов у них
одинаковы.