Презентация на тему: Брожения. Типы жизни, основанные на субстратном фосфорилировании

Брожения. Типы жизни, основанные на субстратном фосфорилировании А. Общая характеристика процессов броженияБрожение – это процесс неполного окисления с переносом электронов и протонов на эндогенный конечный акцептор и субстратным синтезом АТФ

Сбраживаемые субстраты и образующиеся продукты Круг сбраживаемых субстратов очень широк: углеводы, спирты, органические кислоты, аминокислоты, пурины, пиримидины, реже углеводороды.Продукты брожения: молочная, уксусная, масляная, пропионовая, муравьиновая и другие кислоты; этиловый, пропиловый, изопропиловый, бутиловый и другие спирты; ацетон, СО2 и Н2.

Энергетическая характеристика брожения Неполное окисление – энергетический выход невелик;Часть энергии аккумулируется в виде АТФ, который синтезируется в ходе окисления (субстратное фосфорилирование); Реакции, ведущие к синтезу АТФ делят на два типа:Окислительно-восстановительные реакции (гликолиз)Расщепление субстратов или промежуточных продуктов. Например:

Энергетическая характеристика брожения Ксилулозо-5-ф + Н3РО4 → 3-ФГА + ацетилфосфат + Н2О ксилулозо-5-фосфатлиазаСН3-СО~РО4¯ + АДФ → СН3СООН + АТФАцетилфосфат Цитруллин + Н3РО4 → орнитин + Н2N-CO~ РО4¯ цитруллинлиаза карбамоилфосфатН2N-CO~ РО4¯ + АДФ → Н2N-COОН + АТФ карбоматОсобенностью прокариотов является использование тиоэфиров для синтеза АТФ через стадию образования ацетил- или ацилфосфатов.

Главные реакции синтеза субстратного АТФ Ацетилфосфаткиназа1. СН3-СО~РО4¯ + АДФ → СН3СООН + АТФ Ацетилфосфат уксусная кислота 1,3-дифосфоглицераткиназа2. 1,3-дифосфоглицерат + АДФ → 3-фосфоглицерат + АТФ пируваткиназа3. Фосфоенолпируват + АДФ → пируват + АТФ

Другие реакции, встречающиеся в специфических видах брожения Например, сбраживание пиримидинов и аргинина р.Streptococcus: Н2N-CO~ РО4¯ + АДФ → Н2N-COОН + АТФ карбамоилфосфат карбоматОдин из видов р. Clostridium: НСО~ТГФК + АДФ + Н3РО4 → НСООН + АТФ + ТГФК формилтетрагидрофолат муравьиновая кислотаВсе процессы субстратного фосфорилирования локализованы в цитоплазме.

Особенности акцептирования электронов Природа акцептирования электронов определяет: степень окисления субстрата; количество выделяемой энергии; характер образующихся продуктов.Акцепторы обязательно эндогенного происхождения: пировиноградная кислота; уксусный альдегид; бутиловый альдегид и другие.Низкий энергетический выход – большое количество окисляемого субстрата, большое количество образующихся продуктов.Накопление продуктов брожения в среде – снижение скорости роста и гибель.

Гомоферментативное молочнокислое брожение Основной путь окисления – гликолиз (путь Эмбдена-Мейергофа-Парнаса).Основной окисляемый субстрат – глюкоза. Дисахариды: лактоза, мальтоза и другие гидролизуются. Моносахара превращаются в глюкозу. Лактоза + Н2О → глюкоза + галактоза β-галактозидазаГалактоза + Н3РО4 → галактозо-1-фосфат галактозо-1-фосфат + УДФ-глюкоза →глюкозо-1-фосфат + УДФ-галактоза↔УДФ-глюкоза

Гомоферментативное молочнокислое брожение 2. Мальтоза. Имеют фермент, расщепляющий мальтозу с одновременным фосфорилированием без затраты АТФ: мальтофосфорилазаМальтоза + Н3РО4 → глюкозо-1-фосфат + глюкоза3. Полисахариды расщепляются также без дополнительных затрат энергии с последовательным отщеплением глюкозо-1-фосфата.Синтез АТФ идет в 1,3-дифосфоглицератфосфаткиназной и пируваткиназной реакциях.Акцептор электронов: пировиноградная кислота:СН3-СО-СООН + НАДН + Н+ ↔ СН3-СНОН-СООН + НАД+Лактатдегидрогеназа бактерий, осуществляющих МКБ, обладает высоким сродством к пирувату.

Бактерии, осуществляющие гомоферментативное МКБ Стрептококки из родов: Streptococcus, PediococcusЛактобактерии из родов: Lactobacillus, Lactobacterium Лактатдегидрогеназа у разных видов содержится в виде оптических изомеров, поэтому продуцируется D- или L-молочная кислота. Бактерии аэротолерантные анаэробы, в клетках присутствует большое количество флавинзависимых оксигеназ, продуцирующих Н2О2. Каталазы нет, перекись накапливается в клетках и генерирует супероксид, который нейтрализуется Mn2+ (30 mM). Также для защиты от кислорода используются метаболиты: насыщенные жирные кислоты; липиды; аминокислоты; нуклеотиды.

Бактерии, осуществляющие гомоферментативное МКБ Конструктивный метаболизм: слабое развитие биосинтетических путей. Растут на богатой органикой средах - сапротрофы: молоке, молочных продуктах, животных и растительных остатках, в ЖКТ и слизистых оболочках животных. Используются для получения различных молочнокислых продуктов, солений, квашений и силоса. Скисание сливок для получения сливочного масла: Str. Lactic. Образуют ацетоин и диацетил. Субстрат – лимонная кислота. цитратлиазаЦитрат → уксусная + щавелевоуксусная кислота

Бактерии, осуществляющие гомоферментативное МКБ оксалоацетатдекарбоксилазаНООС-СН2-СО-СООН → СН3-СО-СООН + СО2 Оксалоацетат пируватМетаболизм ПВК идет двумя путями:Восстановление до молочной кислотыДекарбоксилирование с участием КоА в ацетил-КоАСН3-СО-СООН + КоА-SH → CO2 + CH3-CO~S-KoACH3-CO~S-KoA + CH3-CO~S-KoA → CH3-CO-CO-CH3 + 2KoA диацетилCH3-CO-CO-CH3 + НАДН + Н+ → СН3-СНОН-СО-СН3 + НАД+ ацетоинБиохимический смысл – дополнительные пути регенерации НАД+ без закисления среды.

Бактерии, осуществляющие гомоферментативное МКБ ЛактобактерииСтрептококки

Гетероферментативное молочнокислое брожение Начальный этап: реакции ПФ пути окисления глюкозы: Г-6-Ф-дегидрогеназаГлюкозо-6-фосфат + НАДФ+→ 6-фосфоглюколактон + НАДФН + Н+ лактоназа6-фосфоглюлактон + Н2О →6-фосфоглюконовая кислота 6-фосфоглюконатДГ6-фосфоглюконат + НАДФ+ →рибулозо-5-фосфат + СО2 + НАДФН + Н+

Гетероферментативное молочнокислое брожение эпимеразаРибулозо-5-фосфат ↔ ксилулозо-5-фосфатПреимущества: Восстановление НАДФ+; образование пентоз для синтеза нуклеотидов.Использование пути с энергетической целью: появление фермента – фосфопентокетолазы:Ксилулозо-5-фосфат + Н3РО4 → СН3-СО~РО4¯ + 3-ФГАПути превращения ацетил-фосфата:СН3-СО~РО4¯ + АДФ → СН3СООН + АТФСН3-СО~РО4¯ + НАДН + Н+ → СН3СОН + НАД+ + Н3РО4СН3СОН + НАДН + Н+ →СН3-СН2-ОН + НАД+

Гетероферментативное молочнокислое брожение Конечные продукты брожения: этиловый спирт, молочная кислота, углекислый газ, уксусная кислота.Если брожение идет с образованием уксусной кислоты: 1 молекула глюкозы – 2 АТФ (3-1);Если до этанола: 1 молекула глюкозы – 1 АТФ (2-1).Бактерии, осуществляющие гетероферментативное МКБ: род Lactobacterium. Подразделяют на 2 подрода: Betabacterium; Streptobacterium.Подрод Betabacterium – облигатные, не имеют ферментов – альдолазы и триозофосфат-изомеразы.Подрод Streptobacterium – факультативные, формируют цепочки.

Пентозофосфатный цикл Окислительный ПФП в дальнейшем замыкается в цикл и служит у многих бактерий для синтеза сахаров. Система включает два основных фермента: транскетолазу и трансальдолазу и производит гексозы:Рибулозо-5-фосфат С3 С6 +С2 С3Рибозо-5-фосфат С7 С4 С6 +С2Ксилулозо-5-фосфат С3 С6

Трансальдолазные и транскетолазные реакции ТАКсилулозо-5-фосфат + рибозо-5-фосфат →3-ФГА + седогептулозо-7-фосфат ТК3-ФГА + седогептулозо-7-фосфат → эритрозо-4-фосфат + фруктозо-6-фосфат ТАЭритрозо-4-фосфат + ксилулозо-5-фосфат → 3-ФГА + фруктозо-6-фосфат

Путь Энтнера-Дудорова Модификация ПФП расщепления глюкозы: дегидратаза6-фосфоглюконовая кислота → 2-кето-3-дезокси-фосфоглюконовая кислота + Н2О лиаза 2-кето-3-дезоксиглюконовая к-та → ПВК + 3-ФГА3-ФГА → гликолизПВК → ацетил-КоАРезультат пути: 1 молекула АТФ (2-1); НАДН и НАДФНБактерии: широкий круг, грам(-), факультативные аэробы: p. Azotobacter, Pseudomonas, Alcaligens, Rhizobium, Spirillum, Xantomonas, Thiobacillus

Путь Энтнера-Дудорова У анаэробов встречается редко. Zymomonas mobilis. Происходит от ЦХ-содержащих аэробов. Встречается также у некоторых представителей р. Clostridium.Происхождение пути: ответвление от ПФП как скорейший путь образования ацетил-КоА для его дальнейшего окисления в цикле трикарбоновых кислот.