БРОДІННЯ: ІСТОРІЯ, ПРОЦЕС, ТИПИ, ПРИКЛАДИ - БІОЛОГІЯ - 2025

Бродіння являє собою хімічний процес , при якому один або більше органічних сполук , деградують до більш простих з'єднань в в відсутність кисню (анаеробно). Він здійснюється багатьма типами клітин для отримання енергії у вигляді АТФ.

Сьогодні організми, здатні «бродити» молекули за відсутності кисню, є дуже важливими на промисловому рівні, оскільки їх використовують для виробництва етанолу, молочної кислоти та інших комерційно важливих продуктів, які використовують для виготовлення вина, пива, сиру та йогурту. тощо.

Хліб та пиво, два продукти алкогольного бродіння дріжджів (Зображення PublicDomainImages на www.pixabay.com)

Слово «бродіння» походить від латинського слова fervere, що означає «кип'ятити» і було придумано, натякаючи на булькання, що спостерігається в перших ферментованих напоях, дуже схоже за зовнішнім виглядом на кипіння гарячої рідини.

Сьогодні, як запропонував Гей-Люссак у 1810 році, це загальний термін, що використовується для позначення анаеробного розпаду глюкози чи інших органічних поживних речовин з метою отримання енергії у формі АТФ.

Оскільки перші живі істоти, що з'явилися на землі, ймовірно, жили в атмосфері без кисню, анаеробний розпад глюкози - це, мабуть, найдавніший метаболічний спосіб отримання живих істот для отримання енергії з органічних молекул.

Історія бродіння

Знання людини про феномен бродіння є настільки ж старим, як і землеробство, оскільки тисячами років людина сприяла перетворенню подрібненого солодкого виноградного соку у шипуче вино або перетворення пшеничного тіста на хліб. .

Однак для перших суспільств перетворення цих «основних» елементів у ферментовану їжу вважалося своєрідною «таємницею» чи «чудодійною» подією, оскільки не було відомо, що це спричинило.

Прогрес наукової думки та винахід перших мікроскопів, безперечно, створили важливий прецедент у галузі мікробіології та, завдяки цьому, дозволили розгадати «таємницю» ферментації.

Експерименти Лавуазьє та Гей-Люссака

Графічний портрет Антуана Лавуазьє (Джерело: Х. Руссо (графічний дизайнер), Е.Томас (гравер) Августин Шаламмель, Бажання Лакруа через Wikimedia Commons)

Французький вчений Лавуазьє в кінці 1700-х років показав, що в процесі перетворення цукрів на алкоголь і вуглекислий газ (як це відбувається під час виробництва вина) маса споживаних субстратів така ж, як і у продуктів. синтезований.

Пізніше, у 1810 році, Гей-Люссак узагальнив ці твердження у такій хімічній реакції:

C6H12O6 (глюкоза) → 2CO2 (вуглекислий газ) + 2C2H6O (етанол)

Однак протягом багатьох років стверджувалося, що ці хімічні зміни, які спостерігаються під час бродіння, були продуктом молекулярних коливань, що випромінюються розкладається речовиною, тобто мертвими клітинами.

Простіше кажучи: всі дослідники були впевнені, що бродіння є вторинним наслідком загибелі якогось організму, а не необхідним процесом для живої істоти.

Дріжджі в дії

Луї Пастер у своїй лабораторії. Через Wikimedia Commons

Пізніше Луї Пастер у 1857 році ознаменував народження мікробіологічної хімії, коли він асоціював бродіння з мікроорганізмами, такими як дріжджі, з яких цей термін пов'язувався з ідеєю існування живих клітин, з виробництвом газів і деякі органічні сполуки.

Пізніше, у 1920 р. Було виявлено, що за відсутності кисню деякі м'язові екстракти ссавців каталізували утворення лактату з глюкози, і що багато сполук, що утворюються під час бродіння зерна, також виробляються м'язовими клітинами.

Завдяки цьому відкриттю ферментація була узагальнена як форма утилізації глюкози, а не як ексклюзивний процес для дріжджів та бактерій.

Багато пізніших досліджень значно вдосконалили знання, пов'язані з феноменом бродіння, оскільки з'ясовані метаболічні шляхи та залучені ферменти, що дозволило використовувати їх для різних промислових цілей.

Загальний процес бродіння

Як ми вже говорили, ферментація - це хімічний процес, який передбачає анаеробну трансформацію (без кисню) органічного субстрату в простіші органічні сполуки, які не можуть метаболізуватися «за течією» ферментативними системами без втручання кисню.

Він здійснюється різними ферментами і зазвичай спостерігається в мікроорганізмах, таких як цвіль, дріжджі або бактерії, які виробляють низку вторинних продуктів, які людина використовує в комерційних цілях протягом багатьох століть.

У хімічних реакціях, що відбуваються під час бродіння, ферменти (білки, здатні прискорювати різні хімічні реакції) гідролізують їх субстрати та розщеплюють або «перетравлюють» їх, даючи простіші молекули та більше засвоюваних поживних речовин, метаболічно кажучи.

Варто згадати, що бродіння не є винятковим процесом мікроорганізмів, оскільки воно може відбуватися в деяких клітинах тварин (наприклад, м’язових клітинах) та в деяких рослинних клітинах за певних умов.

Які субстрати можна зброджувати?

На початку наукових досліджень, пов'язаних із бродінням, вважалося, що основними молекулами цього процесу є вуглеводи.

Однак незабаром було зрозуміло, що багато органічні кислоти (включаючи амінокислоти), білки, жири та інші сполуки є ферментованими субстратами для різних типів мікроорганізмів, оскільки вони можуть функціонувати як джерело їжі та енергії для них.

Важливо уточнити, що анаеробний метаболізм не дає такої ж кількості енергії, як аеробний метаболізм, оскільки субстрати, як правило, не можуть бути повністю окислені, тому не вся можлива енергія видобувається з них.

Отже, анаеробні мікроорганізми, як правило, споживають значно більшу кількість субстратів для того, щоб витягти ту саму енергію, яку аналогічний мікроорганізм витягав би в аеробних умовах (за наявності кисню).

Що таке бродіння?

Коли дихання не може відбутися, або через відсутність зовнішнього акцептора електронів, або через деякий дефект у клітинному дихальному ланцюзі, ферментація - це катаболічний шлях, який використовується для отримання енергії з глюкози або інших джерел вуглецю.

Наприклад, у випадку глюкози, її часткове окислення здійснюється гликолітичним шляхом, по якому утворюються піруват, АТФ і НАДГ (ці продукти змінюються залежно від енергетичного субстрату).

В аеробних умовах піруват додатково окислюється, коли він потрапляє в цикл Кребса, і продукти цього циклу потрапляють в ланцюг транспорту електронів. NAD + також регенерується під час цих процесів, що дозволяє підтримувати безперервність гліколітичного шляху.

Коли немає кисню, тобто в анаеробіозі, піруват, одержуваний в результаті окислювальних реакцій (або інших органічних сполук, що утворюються), зазнає відновлення. Це зменшення дозволяє регенерувати NAD +, важливу подію процесу бродіння.

Відновлення пірувату (або іншого окислювального продукту) означає початок синтезу відходів, які можуть бути спиртами, газами або органічними кислотами, які виводяться в позаклітинне середовище.

Скільки енергії виробляється?

У той час як повне окислення одного моля глюкози до вуглекислого газу (СО2) та води в аеробних умовах генерує 38 молей АТФ, ферментація виробляє від 1 до 3 молей АТФ на кожен моль спожитого глюкози.

Види бродіння

Існують різні типи бродіння, багато разів визначаються не лише кінцевими продуктами процесу, а й енергетичними субстратами, які використовуються як «паливо». Багато з них буде визначено, зокрема, в промисловому контексті.

Як зауваження читачеві, напевно, розумно спочатку переглянути деякі аспекти енергетичного обміну, особливо стосовно катаболізму вуглеводів (гліколіз), циклу Кребса та ланцюга транспорту електронів (дихання), щоб зрозуміти цю тему з більша глибина.

Можна назвати 5 видів бродіння:

- Алкогольне бродіння

- молочнокислого або молочнокислого бродіння

- пропіонового бродіння

- Заквашування масляного масла

- Змішана кислотна ферментація

Алкогольне бродіння

Коли йдеться про цей тип бродіння, зазвичай розуміють, що це має відношення до виробництва етанолу (CH3CH2OH або C2H6O), який є типом алкоголю (серед яких алкогольні напої, такі як вино та пиво, наприклад) .

Промислово кажучи, основним мікроорганізмом, який використовує людина для отримання алкогольних напоїв, є дріжджоподібний грибок, що належить до виду Saccharomyces cerevisiae.

Алкогольне бродіння (Джерело: Автором оригінальної версії є користувач: Norro. / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0) через Wikimedia Commons)

Дріжджі - це фактично аеробні організми, які можуть зростати як факультативні анаероби, тобто, якщо цього вимагають умови, вони змінюють метаболізм і пристосовуються до відсутності кисню для життя.

Як ми обговорювали в попередньому розділі, енергетичні показники в анаеробних умовах значно нижчі, ніж в аеробних, тому зростання відбувається повільніше.

Алкогольне бродіння передбачає перетворення пірувату в етанол, що відбувається в двоетапному процесі: спочатку перетворення пірувату в ацетальдегід, а потім з ацетальдегіду в етанол.

Перша реакція, реакція перетворення пірувату в ацетальдегід, - це декарбоксилювання, коли одна молекула CO2 вивільняється для кожної молекули пірувату і каталізується ферментом піруватом декарбоксилазою, який потребує кофактора, відомого як тіамінпірофосфат або ТЕС.

Отриманий таким чином ацетальдегід редукують до етанолу за допомогою ферменту алкогольдегідрогенази, який використовує одну молекулу NADH2 як кофактор кожної молекули ацетальдегіду, вивільняючи етанол та НАД +.

NAD + може бути повторно використаний для відновлення 3-фосфату гліцеральдегіду на одній із стадій гліколітичного шляху, що дозволяє синтезу АТФ тривати.

На промисловому рівні різні штами S. cerevisiae використовуються для різних цілей, оскільки деякі "спеціалізуються" на виробництві вина, пива, хліба тощо. Тому вони можуть мати певні відмінності в обміні речовин.

Молочнокислого або молочнокислого бродіння

Цей тип бродіння можна розділити на два: гомоферментативний та гетероферментативний. Перший пов'язаний з виробництвом молочної кислоти як єдиного ферментативного продукту відновлення гліколітичного пірувату, а другий передбачає виробництво молочної кислоти та етанолу.

- Гомолактична ферментація

Піруват, що утворюється гліколітичним шляхом, перетворюється безпосередньо в молочну кислоту завдяки ферментативній дії молочнокислої дегідрогенази. У цій реакції, як і у другій реакції спиртового бродіння, молекула НАД + регенерується для окислення гліцеральдегіду 3-фосфату при гліколізі.

На кожну молекулу глюкози, яка споживається, тоді виробляються дві молекули пірувату, тому результат молочної ферментації відповідає двом молекулам молочної кислоти на молекулу глюкози (і двом молекулам НАД +).

Цей тип бродіння є дуже поширеним у певних типах бактерій, які називаються молочнокислими бактеріями і є найпростішим типом ферментації, який існує.

Молочна кислота також може вироблятися деякими м’язовими клітинами, оскільки піруват завдяки дії лактатдегідрогенази (в якій використовується НАДН2) перетворюється на молочну кислоту.

- Гетеролактична ферментація

У цьому виді ферментації дві молекули пірувату, отримані в результаті гліколізу, не використовуються для синтезу молочної кислоти. Натомість для кожної молекули глюкози один піруват перетворюється на молочну кислоту, а інший перетворюється на етанол або оцтову кислоту та СО2.

Бактерії, які метаболізують глюкозу таким чином, відомі як гетероферментативні молочнокислі бактерії.

Вони не виробляють піруват через увесь гліколітичний шлях, а натомість використовують частину пентозофосфатного шляху для отримання 3-фосфату гліцеральдегіду, який потім метаболізується до пірувату гліколітичними ферментами.

Якщо коротко, ці бактерії "розрізають" 5-фосфат ксилулози (синтезується з глюкози) в гліцеральдегід 3-фосфат та ацетилфосфат, використовуючи фермент пентазофосфат-кетолази, що виробляє гліцеральдегід 3-фосфат (GAP) та ацетилфосфат.

GAP потрапляє в гліколітичний шлях і перетворюється в піруват, який потім трансформується в молочну кислоту завдяки ферменту лактатдегідрогенази, тоді як ацетилфосфат може бути знижений до оцтової кислоти або етанолу.

Молочнокислі бактерії дуже важливі для людини, оскільки їх використовують для отримання різних похідних ферментованого молока, серед яких виділяється йогурт.

Вони також відповідають за інші ферментовані продукти, такі як квашена капуста або «квашена капуста», соління та маслиновані оливки.

- пропіонового бродіння

Це здійснюється пропіонібактеріями, здатними виробляти пропіонову кислоту (CH3-CH2-COOH) і мешкати в рубці травоїдних тварин.

Це тип бродіння, при якому бактерії використовують гліколітичний глюкозу для отримання пірувату. Цей піруват карбоксилюється до оксалоацетату, який потім в два етапи зменшується до сукцинації, використовуючи зворотні реакції циклу Кребса.

Потім сукцинат перетворюється на сукциніл-КоА, а це, у свою чергу, в метил малоніл-КоА ферментом метил малоніл мутази, який каталізує внутрішньомолекулярну перебудову сукциніл-КоА. Потім метил малоніл-КоА декарбоксилюють, отримуючи пропіоніл-КоА.

Цей пропіоніл-КоА отримує пропіонову кислоту через реакцію переносу сукцинату CoA, катализируемую CoA-трансферазою. Молочнокислі бактерії та пропіонібактерії використовуються для отримання швейцарського сиру, оскільки пропіонова кислота надає йому особливий аромат.

- Заквашування масляного масла

Заквашування масляного масла. Джерело: Bellwasthow / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)

Її здійснюють спороутворюючі бактерії, які є облігатними анаеробами і, як правило, належать до роду Clostridium. Залежно від виду, ці бактерії також можуть виробляти бутанол, оцтову кислоту, етанол, ізопропанол та ацетон (вуглекислий газ - це завжди продукт).

Ці бактерії розщеплюють глюкозу через гліколітичний шлях і виробляють піруват, який декарбоксилюється, утворюючи ацетил-КоА.

У деяких бактеріях дві молекули ацетил-КоА конденсуються ферментом тіолази, утворюючи ацетоацетил-КоА і вивільняючи CoA. Ацетоацетил-КоА дегідрогенізується ферментом β-гідроксибутирил-КоА дегідрогеназа з утворенням Р-гідроксибутирил-КоА.

Цей останній продукт породжує Кротоніл-КоА завдяки дії ферменту кротонази. Кротоніл-КоА знову відновлюється бутирил-КоА дегідрогеназою, асоційованою з FADH2, утворюючи бутирил-КоА.

Нарешті, бутирил-КоА перетворюється на масляну кислоту, видаляючи частину КоА та додаючи молекулу води. У лужних умовах (високий рівень рН) деякі бактерії можуть перетворювати масляну кислоту в н-бутанол

- Змішана кислотна ферментація

Він поширений у бактерій, відомих як Enterobacteriaceae, які можуть рости з киснем або без нього. Його називають "змішаною кислотою", оскільки в результаті бродіння утворюються різні види органічних кислот і нейтральних сполук.

Коротка схема змішаного кислотного бродіння (Джерело: Оригінальним завантажувачем був NicolasGrandjean у Французькій Вікіпедії. / CC BY-SA (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/) через Wikimedia Commons)

Залежно від виду можуть утворюватися мурашина кислота, оцтова кислота, янтарна кислота, молочна кислота, етанол, СО2, бутандіол тощо.

Також його часто називають бродінням мурашиної кислоти, оскільки в анаеробних умовах деякі бактерії можуть утворювати мурашину кислоту та ацетил-КоА з пірувату під дією ферменту мурашиної кислоти-піруватного ліазу.

Приклади процесів, в яких відбувається бродіння

Існує багато прикладів процесів бродіння та їх продуктів. Деякі з цих прикладів можуть включати:

Йогурт, продукт бродіння (Зображення Imo Flow на веб-сайті www.pixabay.com)

- Саламі (зброджене м'ясо), що утворюється при молочнокислому бродінні молочнокислих бактерій

- Йогурт (кисломолочне), що також виробляється молочнокислими бактеріями

- сир (кисломолочне), що виробляється молочнокислими бактеріями та пропіонібактеріями шляхом молочно-пропіонового бродіння

Сир, продукт бродіння молочнокислих бактерій та пропіонібактерій (Зображення lipefontes0 на сайті www.pixabay.com)

- Хліб (бродіння клейковини з пшеничного тіста), що виробляється дріжджами шляхом алкогольного бродіння

- Вино та пиво (бродіння цукрів у виноградному соку та цукру в зернах), що виробляються дріжджами шляхом алкогольного бродіння

- Кава та какао (бродіння цукрів, присутніх у слизовій плоді), що виробляються молочнокислими бактеріями та дріжджами шляхом молочно-алкогольного бродіння.

Список літератури

1. Ciani, M., Comitini, F., & Mannazzu, I. (2013). Бродіння.
2. Юнкер, Б. (2000). Бродіння. Енциклопедія хімічної технології Кірка-Отмера.
3. Фрутон, Дж. (2006). Бродіння: життєвий чи хімічний процес ?. Бриль.
4. Doelle, HW (1975). Бродіння. Бактеріальний метаболізм, 559-692.
5. Nelson, DL, Lehninger, AL, & Cox, MM (2008). Принципи біохімії Ленінгера. Макміллан.
6. Barnett, JA (2003). Початки мікробіології та біохімії: внесок дріжджових досліджень. Мікробіологія, 149 (3), 557-567.