Основы биохимии Том 2 - А. Ленинджер 1985

Биоэнергетика и метаболизм
Гликолиз - центральный путь катаболизма глюкозы
Спиртовое брожение отличается от гликолиза только на последних этапах

У дрожжей и у других микроорганизмов, сбраживающих глюкозу не до лактата, а до этанола и СО₂, путь ферментативного расщепления глюкозы совпадает с описанным выше для анаэробного гликолиза на всем протяжении, за исключением этапа, катализируемого лактатдегидрогеназой. В дрожжевых клетках, которые не содержат фермента, аналогичного лактатдегидрогеназе мышечной ткани, этот этап заменен двумя другими реакциями (рис. 15-17). В первой из них продукт расщепления глюкозы пируват теряет свою карбоксильную группу под действием пируватдекарбоксилазы. Эта реакция представляет собой простое декарбоксилирование; реального окисления пирувата при этом не происходит.

Рис. 15-17. Конечные этапы спиртового брожения.

В клетке эта реакция необратима. Для проявления каталитической активности пируватдекарбоксилазе требуется Mg²⁺. С молекулой этого фермента прочно связан кофермент тиаминпирофосфат (о его функции в качестве переносчика ацетальдегидных групп мы уже говорили в разд. 10.4).

На последнем этапе спиртового брожения ацетальдегид восстанавливается до этанола за счет NADH, образовавшегося при окислении глицеральдегид-3-фосфата; эта реакция катализируется алкогольдегидрогеназой:

Таким образом, конечными продуктами спиртового брожения являются этанол и СО₂, а не лактат. Суммарное уравнение спиртового брожения имеет вид

Отметим, что суммарное отношение атомов водорода к атомам углерода не изменяется, когда молекула D-глюкозы (Н/С = 12/6 = 2) сбраживается до двух молекул этанола и двух молекул СО₂ (Н/С = 12/6 = 2). И вообще при всех анаэробных брожениях отношение Н/С в исходных веществах и в продуктах оказывается одинаковым.

Пируватдекарбоксилаза содержится в клетках пивных дрожжей и других микроорганизмов, осуществляющих спиртовое брожение. В животных тканях этот фермент отсутствует. Лишены пируват - декарбоксилазы также организмы, осуществляющие молочнокислое брожение, например молочнокислые бактерии.

Биохимия спиртового брожения лишь недавно изучена настолько хорошо, чтобы можно было представить этот процесс в виде ряда последовательных ферментативных реакций. Что же касается виноделия и пивоварения, то это весьма древние искусства, освоенные людьми за сотни лет до того, как родилась сама наука химия. Более того, сами старинные рецепты приготовления пива и вина сыграли в свое время важную роль, послужив ключом к некоторым фундаментальным открытиям на заре развития биологии и биохимии. Так, в 1856 г. Луи Пастер впервые убедительно показал, что сбраживание сахара в спирт вызывается микроорганизмами, а не какими-то магическими влияниями. Французские виноделы пригласили Пастера для того, чтобы он помог им выяснить, почему в иные годы вино не удается и превращается в уксус. Пастер в своих экспериментах, ставших классическими, показал, что в стерильных растворах глюкозы брожения не происходит, тогда как в растворах, соприкасающихся с непрофильтрованным воздухом, брожение идет, и причина этого заключается в том, что в раствор попадают из воздуха споры дрожжей и других микроорганизмов. Из налета на гроздьях свежесрезанного винограда Пастер выделил культуры дрожжей и доказал, что именно дрожжи ответственны за брожение, происходящее в cоке, отжатом из раздавленного винограда. Он выяснил также, что превращение спирта в уксусную кислоту вызывается другими видами микроорганизмов - уксуснокислыми бактериями; эти аэробные организмы окисляют этанол с образованием уксусной кислоты. При пивоварении, которое также принадлежит к числу древнейших искусств, помимо реакций спиртового брожения протекает еще и ряд других ферментативных процессов (дополнение 15-2).

Дополнение 15-2. Пивоварение

Пиво изготовляется спиртовым брожением углеводов, содержащихся в зерне (обычно для пива берут ячмень) Эти углеводы, представлены главным образом полисахаридами и недоступны действию гликолитических ферментов дрожжей, сбраживающих только дисахариды и моносахариды. Поэтому из ячменя сначала готовят солод. Для этого ячмень проращивают, чтобы в семенах образовались ферменты, необходимые для расщепления полисахаридов клеточных стенок, а также крахмала и прочих запасных полисахаридов. В определенный момент дальнейшее проращивание подавляют нагреванием. Полученный таким путем продукт, солод, содержит среди прочих ферментов а-амилазу и мальтазу, которые расщепляют крахмал до мальтозы, глюкозы и других простых сахаров. Присутствуют в солоде также ферменты, специфически расщепляющие ß-связи целлюлозы и других полисахаридов клеточных стенок семенных оболочек ячменя. Эти оболочки должны быть разрушены, для того чтобы ot-амилаза могла подействовать на крахмал, содержащийся в зерне.

Следующий этап - это приготовление из солода пивного сусла, которое и служит питательной средой для дрожжевых клеток, осуществляющих спиртовое брожение. Для получения сусла солод дробят и смешивают с водой (затирают). Это дает возможность ферментам, образовавшимся в процессе приготовления солода, подействовать на полисахариды зерна и расщепить их до мальтозы, глюкозы и прочих простых сахаров, растворимых в водной среде. После завершения такого ферментативного осахаривания затор фильтруют и жидкое сусло кипятят с хмелем для ароматизации. Затем сусло охлаждают и аэрируют.

В подготовленное таким образом сусло добавляют дрожжевые клетки. В аэробном сусле дрожжи растут и размножаются очень быстро, извлекая необходимую им энергию из некоторых присутствующих в сусле сахаров. На этой стадии спирт не образуется, потому что дрожжи, располагая достаточным количеством кислорода, окисляют образовавшийся в процессе гликолиза пируват через цикл лимонной кислоты до СО₂ и Н₂О. Аэробный метаболизм дрожжей обусловливает очень быстрый рост клеток, регулируется же этот метаболизм добавлением нужного количества кислорода. После исчерпания всего растворенного кислорода в чане с суслом дрожжевые клетки как факультативные анаэробы (разд. 13.1) переключаются на анаэробное использование сахаров. Начиная с этого момента дрожжи сбраживают содержащиеся в сусле сахара с образованием этанола и СО₂. Процесс брожения регулируется концентрацией образовавшегося этанола, а также величиной pH и количеством несброженного сахара. В определенный момент брожение останавливают, удаляют дрожжи, и молодое, или зеленое, пиво поступает на дображивание. Светлое пиво, которое стало теперь очень популярным, содержит меньше сахара и алкоголя, чем обычное, однако по своему аромату оно не отличается от обычных сортов.

На последних этапах процесса пивоварения регулируется количество пены, которую образует пиво и которая обусловлена присутствием в пиве растворенных белков. Обычно это свойство пива зависит от действия протеолитических ферментов, появляющихся в процессе приготовления солода. Если эти ферменты действуют на белки пива слишком долго, то пиво будет мало пениться; если же они, напротив, действуют недостаточно долго, то пиво в холодном состоянии не будет прозрачным. Иногда для получения нужного количества пены к пиву добавляют протеолитические ферменты из других источников. Важную роль в определении аромата пива играет диметилсульфид, присутствующий в пиве в следовых количествах. В высокой концентрации это вещество имеет очень неприятный вкус, однако при полном его отсутствии легкое пиво кажется пресным и безвкусным. Диметилсульфид образуется под действием ферментов, появляющихся в процессе приготовления солода; концентрацию его приходится очень тщательно контролировать.

Мы видим, таким образом, что многие важные стороны процесса пивоварения еще не до конца ясны биохимику и здесь по-прежнему главную роль играет мастерство пивовара. Быть может, это и хорошо, что древнее искусство продолжает оставаться искусством!