Fermentacija kakva razmjena. razmjena energije

razmjena energije(katabolizam, disimilacija) - skup reakcija cijepanja organskih tvari, praćenih oslobađanjem energije. Energija koja se oslobađa prilikom razgradnje organskih supstanci ćelija ne koristi odmah, već se pohranjuje u obliku ATP-a i drugih visokoenergetskih jedinjenja. ATP je univerzalni izvor energije ćelije. Sinteza ATP-a se dešava u ćelijama svih organizama u procesu fosforilacije – dodavanja neorganskog fosfata u ADP.

At aerobna organizmi (koji žive u okruženju kiseonika) razlikuju tri faze energetskog metabolizma: pripremnu, oksidaciju bez kiseonika i oksidaciju kiseonika; at anaerobni organizmi (koji žive u okruženju bez kisika) i aerobni organizmi s nedostatkom kisika - dvije faze: pripremna, oksidacija bez kisika.

Pripremna faza

Sastoji se od enzimskog razlaganja složenih organskih supstanci do jednostavnih: molekula proteina - do aminokiselina, masti - do glicerola i karboksilnih kiselina, ugljikohidrata - do glukoze, nukleinskih kiselina - do nukleotida. Razgradnju visokomolekularnih organskih jedinjenja vrše ili enzimi gastrointestinalnog trakta ili enzimi lizosoma. Sva oslobođena energija se raspršuje u obliku topline. Nastale male organske molekule mogu se koristiti kao "građevinski materijal" ili se mogu dalje razgraditi.

Anoksična oksidacija ili glikoliza

Ova faza se sastoji u daljem cijepanju organskih supstanci nastalih tokom pripremne faze, odvija se u citoplazmi ćelije i ne treba joj prisustvo kiseonika. Glavni izvor energije u ćeliji je glukoza. Proces nepotpune razgradnje glukoze bez kiseonika - glikoliza.

Gubitak elektrona naziva se oksidacija, stjecanje se naziva redukcija, dok se donor elektrona oksidira, akceptor se reducira.

Treba napomenuti da se biološka oksidacija u stanicama može dogoditi i uz sudjelovanje kisika:

A + O 2 → AO 2,

i bez njegovog učešća, zbog prelaska atoma vodika iz jedne supstance u drugu. Na primjer, tvar "A" se oksidira na račun supstance "B":

AN 2 + B → A + BH 2

ili zbog prijenosa elektrona, na primjer, obojeno željezo se oksidira u trovalentno:

Fe 2+ → Fe 3+ + e -.

Glikoliza je složen proces u više koraka koji uključuje deset reakcija. Tokom ovog procesa dolazi do dehidrogenacije glukoze, koenzim NAD+ (nikotinamid adenin dinukleotid) služi kao akceptor vodonika. Kao rezultat lanca enzimskih reakcija, glukoza se pretvara u dva molekula pirogrožđane kiseline (PVA), dok se formiraju ukupno 2 molekule ATP i reducirani oblik nosača vodika NAD H 2:

C 6 H 12 O 6 + 2ADP + 2H 3 RO 4 + 2NAD + → 2C 3 H 4 O 3 + 2ATP + 2H 2 O + 2NAD H 2.

Dalja sudbina PVC-a zavisi od prisustva kiseonika u ćeliji. Ako nema kiseonika, kvasac i biljke prolaze kroz alkoholnu fermentaciju, u kojoj se prvo formira acetaldehid, a zatim etil alkohol:

C 3 H 4 O 3 → CO 2 + CH 3 SON,
CH 3 SON + NAD H 2 → C 2 H 5 OH + PREKO +.

Kod životinja i nekih bakterija, uz nedostatak kisika, dolazi do fermentacije mliječne kiseline s stvaranjem mliječne kiseline:

C 3 H 4 O 3 + NAD H 2 → C 3 H 6 O 3 + PREKO +.

Kao rezultat glikolize jednog molekula glukoze oslobađa se 200 kJ, od čega se 120 kJ raspršuje u obliku topline, a 80% se pohranjuje u ATP vezama.

Oksidacija kiseonika ili disanje

Sastoji se u potpunom razgradnji pirogrožđane kiseline, javlja se u mitohondrijima i uz obavezno prisustvo kiseonika.

Pirogrožđana kiselina se transportuje do mitohondrija (građa i funkcije mitohondrija - predavanje br. 7). Ovdje se odvija dehidrogenacija (eliminacija vodonika) i dekarboksilacija (eliminacija ugljičnog dioksida) PVC-a uz formiranje acetilne grupe s dva ugljika, koja ulazi u ciklus reakcija koji se naziva reakcije Krebsovog ciklusa. Postoji daljnja oksidacija povezana s dehidrogenacijom i dekarboksilacijom. Kao rezultat, tri molekula CO 2 se uklanjaju iz mitohondrija za svaki uništeni molekul PVC-a; formira se pet parova atoma vodonika povezanih sa nosačima (4NAD H 2, FAD H 2), kao i jedan ATP molekul.

Ukupna reakcija glikolize i uništavanja PVC-a u mitohondrijima na vodik i ugljični dioksid je sljedeća:

C 6 H 12 O 6 + 6H 2 O → 6CO 2 + 4ATP + 12H 2.

Dva ATP molekula nastaju kao rezultat glikolize, dva - u Krebsovom ciklusu; dva para atoma vodika (2NADHH2) nastala su kao rezultat glikolize, deset parova - u Krebsovom ciklusu.

Posljednji korak je oksidacija vodikovih parova uz sudjelovanje kisika u vodu uz istovremenu fosforilaciju ADP-a u ATP. Vodonik se prenosi u tri velika enzimska kompleksa (flavoproteini, koenzimi Q, citohromi) respiratornog lanca koji se nalazi u unutrašnjoj membrani mitohondrija. Elektroni se uzimaju iz vodika, koji se na kraju kombinuju sa kiseonikom u mitohondrijskom matriksu:

O 2 + e - → O 2 -.

Protoni se pumpaju u intermembranski prostor mitohondrija, u "rezervoar protona". Unutrašnja membrana je nepropusna za vodikove ione, s jedne strane je naelektrisana negativno (zbog O 2 -), s druge - pozitivno (zbog H+). Kada razlika potencijala preko unutrašnje membrane dostigne 200 mV, protoni prolaze kroz kanal enzima ATP sintetaze, nastaje ATP, a citokrom oksidaza katalizira redukciju kisika u vodu. Dakle, kao rezultat oksidacije dvanaest parova atoma vodika, formiraju se 34 molekula ATP-a.

Fermentacija se zasniva na glikolitičkom putu razgradnje ugljikohidrata. Postoje: homofermentativna mlečna kiselina (HFM), alkohol, propionska, buterna, acetonobutilna.
Fermentacija je evolucijski najstariji i najprimitivniji način dobivanja energije od strane bakterijske stanice. ATP nastaje kao rezultat oksidacije organskog supstrata mehanizmom fosforilacije supstrata. Fermentacija se odvija u anaerobnim uslovima. Primitivnost fermentacije objašnjava se činjenicom da se supstrat tokom fermentacije ne cijepa u potpunosti, a tvari koje nastaju tokom fermentacije (alkoholi, organske kiseline itd.) sadrže unutrašnje rezerve energije.
Količina energije koja se oslobađa tokom fermentacije je zanemarljiva: 1 g/mol glukoze je ekvivalentan 2-4 molekula ATP-a. Mikroorganizmi fermentirajućeg tipa prisiljeni su da intenzivnije fermentiraju supstrat kako bi se opskrbili energijom. Glavni problem fermentacije je rješenje donorsko-akceptorskih veza. Organski supstrati su donori elektrona, a akceptor elektrona, koji određuje sudbinu fermentacije, je glavni zadatak. Krajnji proizvod fermentacije daje naziv vrsti ovog procesa.

Hemija procesa fermentacije

U procesu fermentacije u uslovima anaerobioze u središtu je problem proizvodnje energije razgradnjom ugljikohidrata. Glavni mehanizam je put glikolitičke degradacije (Embden-Meyerhoff-Parnassus, heksoza-difosfatni put). Ovaj put je najčešći, postoje 2 glikolitička puta koja se javljaju u manjoj mjeri: oksidativni pentozo-fosfatni put (Warburg-Dickens-Horecker), Entner-Dudarov put (KDPG-put).
Treba napomenuti da se svi ovi mehanizmi ne mogu smatrati fermentacijom, jer su u osnovi disanja. Fermentacija počinje kada se proton ili elektron koji se odvoji od supstrata iskoristi i pričvrsti na akceptor.
GLIKOLIZA
Glukoza se pod dejstvom heksaminaze fosforilira na poziciji 6 - pretvara se u glukoza-6-fosfat - metabolički aktivniji oblik glukoze. ATP molekul djeluje kao donor fosfata Glukoza-6-fosfat se izomerizira u fruktozo-6-fosfat. Reakcija je reverzibilna, nivo prisustva 2 supstance u zoni reakcije je isti.Fruktoza-6-fosfat vezuje fosfatnu grupu na prvi C atom i pretvara se u fruktozo-1,6-difosfat. Reakcija se odvija trošenjem energije ATP-a, a katalizira je fruktoza-1,6-difosfat aldolaza (glavni regulatorni enzim glikolize).
Fruktoza-1,6-difosfat se cijepa na 2 fosfotrioze pomoću trioza fosfat izomeraze. Kao rezultat, formiraju se 2 trioze: fosfodioksiaceton i 3-fosgliceraldehid (3-PHA). Ove 2 trioze mogu se izomerizirati jedna u drugu i podvrgnuti transformaciji u piruvat istim mehanizmom. Ovo je faza oporavka (dolazi sa proizvodnjom energije).

glikoliza
Heksokinaza
Glukoza-6-fosfat izomeraza
6-fosfofruktokinaza
Aldolaza
Trioza fosfat izomeraza
Gliceraldehid fosfat dehidrogenaza
Fosfoglicerat kinaza
Fosfogliceromutaza
Enolase
piruvat kinaza
Došlo je do formiranja 3-FGK. Sada možemo izvući neke zaključke. Ćelija je u ovoj fazi "vraćala" svoje troškove energije: potrošena su 2 molekula ATP-a i sintetizirana su 2 molekula ATP-a na 1 molekul glukoze. U istoj fazi dolazi do prve fosforilacije supstrata u reakciji oksidacije 3-PHA do 1,3-PHA i formiranja ATP-a. Energija se oslobađa i pohranjuje u visokoenergetskim fosfatnim vezama ATP-a u procesu preuređenja fermentabilnog supstrata uz učešće enzima. Prva fosforilacija supstrata naziva se i fosforilacija na nivou 3-PHA. Nakon formiranja 3-FHA, fosfatna grupa sa treće pozicije se prenosi na drugu. Nadalje, molekul vode se cijepa od drugog i trećeg atoma ugljika 2-FHA, katalizirano enzimom enolazom, i nastaje fosfoenolpirogrožđana kiselina. Kao rezultat dehidracije molekule 2-FHA, stepen oksidacije njegovog drugog atoma ugljika se povećava, dok se trećeg atoma ugljika smanjuje. Dehidracija 2-FHA molekule, koja dovodi do stvaranja PEP-a, praćena je preraspodjelom energije unutar molekule, uslijed čega se fosfatna veza na drugom atomu ugljika od niskoenergetskog u 2-PHA. molekul se pretvara u visokoenergetski u PEP molekulu. Molekul PEP postaje donor energetski bogate fosfatne grupe, koja se prenosi na ADP pomoću enzima piruvat kinaze. Dakle, u procesu pretvaranja 2-FHA u pirogrožđanu kiselinu, energija se oslobađa i pohranjuje u ATP molekulu. Ovo je druga fosforilacija supstrata. Kao rezultat intramolekularnog redoks procesa, jedan molekul i donira i prihvata elektrone. U procesu fosforilacije drugog supstrata, formira se još jedan ATP molekul; kao rezultat, ukupni energetski dobitak procesa je 2 ATP molekula po 1 molekulu glukoze. Ovo je energetska strana procesa homofermentativne mliječnokiselinske fermentacije. Energetski bilans procesa: S6+2ATP=2S3+4ATP+2NADP∙H2

Homofermentativna mliječna fermentacija

Proizvode ga bakterije mliječne kiseline. Koji razgrađuju ugljikohidrate duž glikolitičkog puta s posljednjim stvaranjem mliječne kiseline iz piruvata. U HPMC-bakterijama problem komunikacije donor-akceptor rješava se na najjednostavniji način – ova vrsta fermentacije se smatra evolucijski najstarijim mehanizmom.
U procesu fermentacije, pirogrožđana kiselina se obnavlja pomoću H + odvojenog od glukoze. H2 se baca na piruvat iz NADP∙H2. Kao rezultat, nastaje mliječna kiselina. Energetski prinos je 2 ATP molekula.
Mliječnokiselinsku fermentaciju sprovode bakterije roda: Streptococcus, Lactobacillus, Leuconostoc.Sve su G+ (su štapići ili koke) ne-spore (Sporolactobacillus formiraju spore). U odnosu na kisik, bakterije mliječne kiseline su aerotolerantne, strogi su anaerobi, ali mogu postojati u atmosferi kisika. Imaju niz enzima koji neutraliziraju toksično djelovanje kisika (enzimi flavina, ne-hem katalaza, superoksid dismutaza). IBC ne mogu disati jer nema respiratornog lanca. Zbog činjenice da je priroda LSD staništa bogata faktorima rasta, oni su u procesu evolucije postali metabolički onesposobljeni i izgubili sposobnost da sintetiziraju faktore rasta u dovoljnim količinama, pa su u procesu uzgoja

Homofermentativna mliječna fermentacija: F1 - heksokinaza; F2 - glukoza fosfat izomeraza; F3 - fosfofruktokinaza; F4 - fruktoza-1,6-difosfat aldolaza; F5 - trioza fosfat izomeraza; F6 - fosfat izomeraza; F8 - fosfogliceromutaza; F9 - enolaza; F10 - piruvat kinaza; F11 - laktat dehidrogenaza (prema Dagley, Nicholson, 1973)

potreban je dodatak vitamina, aminokiselina (povrće, biljni ekstrakti).
LBC mogu koristiti laktozu, koja se pod djelovanjem β-galaktozidaze u prisustvu molekula vode dijeli na D-glukozu i D-galaktozu. Nakon toga, D-galaktoza se fosforilira i transformiše u glukoza-6-fosfat.
LAB - mezofili sa optimalnom temperaturom uzgoja od 37 - 40ºS. Na 15°C većina njih ne raste.
Sposobnost antagonizma nastaje zbog činjenice da se u procesu metabolizma nakupljaju mliječna kiselina i drugi proizvodi, koji inhibiraju rast drugih mikroorganizama. Osim toga, nakupljanje mliječne kiseline u tekućini kulture dovodi do naglog smanjenja pH, što inhibira rast truležnih mikroorganizama, a sami LAB mogu izdržati pH do 2.
KSD su neosetljivi na mnoge antibiotike. To im je omogućilo da se koriste kao proizvođači probiotičkih preparata koji se mogu koristiti kao preparati koji prate antibiotsku terapiju (doprinose obnavljanju crevne mikroflore inhibirane antibioticima).
Ekologija ICD. U prirodi se nalaze tamo gdje ima puno ugljikohidrata: mlijeko, površina biljaka, prehrambeni trakt ljudi i životinja. Ne postoje patogeni oblici.

ALKOHOLNA FERMENTACIJA

Zasnovan je na glikolitičkom putu. U alkoholnoj fermentaciji rješavanje veze donor-akceptor postaje složenije. Prvo, piruvat se dekarboksilira u acetaldehid i CO2 pomoću piruvat dekarboksilaze, ključnog enzima u alkoholnoj fermentaciji:
CH3-CO-COOH ® CH3-COH + CO2 .
Posebnost reakcije je njena potpuna ireverzibilnost. Nastali acetaldehid se redukuje u etanol uz učešće NAD+ zavisne alkohol dehidrogenaze:
CH3-COH + OVER-H2 ® CH3-CH2OH + OVER+
Donator vodonika je 3-PHA (kao u slučaju fermentacije mliječne kiseline).
Proces alkoholne fermentacije može se sumirati sljedećom jednačinom:
C6H12O6 + 2FN + 2ADP ® 2CH3-CH2OH + 2CO2 + 2ATP + 2H2O.
Alkoholna fermentacija je široko rasprostranjen proces proizvodnje energije i kod pro- i kod eukariota. Kod prokariota se javlja i u G+ i G-. Mikroorganizam Zymomonas mobilies (agave juice pulque) je od industrijskog značaja, ali se fermentacija ne zasniva na glikolizi, već na Entner-Doudoroff ili KDPG putu.
Glavni proizvođači alkohola su kvasac (pivarstvo, proizvodnja vina, enzimski preparati, vitamini B, nukleinske kiseline, proteinsko-vitaminski koncentrati, probiotički preparati).

PROPIONSKA FERMENTACIJA

U fermentaciji propionske kiseline bavimo se realizacijom treće mogućnosti pretvorbe piruvata - njegovom karboksilacijom, što dovodi do pojave novog akceptora vodonika - PHA. Redukcija pirogrožđane kiseline u propionsku kiselinu u bakterijama propionske kiseline odvija se na sljedeći način. Pirogrožđana kiselina se karboksilira u reakciji koju katalizira enzim zavisan od biotina u kojem biotin djeluje kao CO2 nosač. Donator CO2 grupe je metilmalonil-CoA. Kao rezultat reakcije transkarboksilacije nastaju NAA i propionil-CoA. Štuka kao rezultat tri enzimska koraka (slično reakcijama 6, 7, 8 ciklusa trikarboksilnih kiselina, pretvara se u jantarnu kiselinu.
Sljedeća reakcija je prijenos CoA grupe s propionil-CoA na jantarnu kiselinu (sukcinat), što rezultira stvaranjem sukcinil-CoA i propionske kiseline.
Nastala propionska kiselina se uklanja iz procesa i akumulira izvan ćelije. Sukcinil-CoA se pretvara u metilmalonil-CoA.
Koenzim metilmalonil-CoA mutaza sadrži vitamin B12.

Energetsku ravnotežu za 1 molekul glukoze čine 2 molekula propionske kiseline i 4 molekula ATP-a.
Propionibacterium bakterije su G+ štapići, koji ne stvaraju spore, nepokretni, razmnožavaju se binarnom fisijom i aerotolerantni su mikroorganizmi. Imaju odbrambeni mehanizam protiv toksičnih efekata kiseonika, a neki mogu da dišu.
Ekologija: nalazi se u mlijeku, crijevima preživara. Industrijski interes: proizvođači B12 i propionske kiseline.

Fermentacija butirne kiseline

Tokom butirne fermentacije, piruvat se dekarboksilira i vezuje za CoA - formira se acetil-CoA. Zatim dolazi do kondenzacije: 2 molekula acetil-CoA kondenziraju se i formiraju C4 jedinjenje aceto-acetil-CoA, koje djeluje kao akceptor za proizvodnju H2.

Putevi konverzije piruvata u maslačnoj fermentaciji koju provodi Clostridium butyricum: F1 - piruvat: feredoksin oksidoreduktaza; F2 - acetil-CoA-transferaza (tiolaza); F3 - (3-hidroksibutiril-CoA-4-dehidrogenaza; ; F5 - butiril-CoA dehidrogenaza; F6 - CoA transferaza; F7 - fosfotransacetilaza; F8 - acetat kinaza; F9 - hidrogenaza; Fdoc - oksidirano; Fd-H2 - redukovani feredoksin; FN - anorganski fosfat

Nadalje, jedinjenje C4 prolazi kroz seriju uzastopnih transformacija da bi se formirala butirna kiselina. Ovaj put redukcije nije povezan s stvaranjem energije i dizajniran je isključivo za korištenje redukcijskog agensa. Paralelno, postoji i druga oksidativna grana koja dovodi do stvaranja octene kiseline iz piruvata, a na tom mjestu dolazi do fosforilacije supstrata, što uzrokuje sintezu ATP-a.
Teško je izračunati energetski bilans, jer smjer reakcija određuju vanjski faktori, kao i hranljivi medij:
1 mol. glukoza→≈3,3 ATP
Maslačnu fermentaciju provode bakterije p. Clostridium - to su G+ štapići, pokretni, spore (endospore d>dcl), isključivo su anaerobne kulture. Kretanje se vrši pomoću peritrihalnih flagela. Kako ćelije stare, gube svoje flagele i nakupljaju granulozu (tvar nalik škrobu). Prema sposobnosti fermentacije supstrat se dijeli na 2 tipa:
saharolitik (razgrađuje šećere, polisaharide, škrob, hitin);
proteolitički (imaju snažan kompleks proteolitičkih enzima, razgrađuju proteine).
Klostridije provode ne samo maslačnu fermentaciju, već i acetonobutil. Proizvodi ove vrste fermentacije uz butirnu kiselinu i acetat mogu biti: etanol, aceton, butil alkohol, izopropil alkohol.

ACETONOBUTILNA FERMENTACIJA

Uz acetonobutilnu fermentaciju, proizvođači u mladoj dobi (logaritamska faza rasta) provode maslačnu fermentaciju. Smanjenjem pH i nakupljanjem kiselih produkata dolazi do induciranja sinteze enzima, što dovodi do akumulacije neutralnih proizvoda (aceton, izopropil, butil, etil alkoholi). Proučavajući proces aceton-butil fermentacije, ruski naučnik Šapošnjikov je pokazao da on prolazi kroz 2 faze i da se 2-fazni proces zasniva na odnosu između konstruktivnog i energetskog metabolizma. Prvu fazu karakteriše aktivan rast kulture i intenzivan konstruktivni metabolizam, pa se u tom periodu javlja odliv redukcionog agensa NAD∙H2 za potrebe biosinteze. Sa slabljenjem rasta kulture i njenim prelaskom u drugu fazu, smanjuje se potreba za konstruktivnim procesima, što dovodi do stvaranja više redukovanih oblika - alkohola.
Praktična primjena Clostridiuma:
proizvodnja maslačne kiseline;
proizvodnja acetona;
proizvodnja butanola.
Bakterije igraju veliku ulogu u prirodi: vrše propadanje, anaerobno raspadanje vlakana i hitina (neke razgrađuju pektinska vlakna). Među Clostridiumima postoje patogeni (uzročnici botulizma - luče izuzetno opasan egzotoksin; uzročnici plinske gangrene; tetanus).

Alkoholna fermentacija je osnova za pripremu bilo kojeg alkoholnog pića. Ovo je najlakši i najpristupačniji način da dobijete etilni alkohol. Druga metoda - hidratacija etilena, je sintetička, rijetko se koristi i samo u proizvodnji votke. Pogledaćemo karakteristike i uslove fermentacije da bismo bolje razumeli kako se šećer pretvara u alkohol. Sa praktične tačke gledišta, ovo znanje će pomoći da se stvori optimalno okruženje za kvasac - da se pravilno stavi kaša, vino ili pivo.

Alkoholna fermentacija Kvasac pretvara glukozu u etil alkohol i ugljični dioksid u anaerobnom okruženju (bez kisika). Jednačina je sljedeća:

C6H12O6 → 2C2H5OH + 2CO2.

Kao rezultat toga, jedan molekul glukoze se pretvara u 2 molekula etil alkohola i 2 molekula ugljičnog dioksida. U tom slučaju se oslobađa energija, što dovodi do blagog povećanja temperature medija. U procesu fermentacije nastaju i fuzelna ulja: butil, amil, izoamil, izobutil i drugi alkoholi, koji su nusproizvodi metabolizma aminokiselina. Siva ulja na mnogo načina formiraju aromu i okus pića, ali većina njih je štetna za ljudski organizam, pa proizvođači pokušavaju pročistiti alkohol od štetnih fuzelnih ulja, ali ostavljaju korisna.

Kvasac- To su jednoćelijske sferne gljive (oko 1500 vrsta), koje se aktivno razvijaju u tečnom ili polutečnom mediju bogatom šećerima: na površini plodova i listova, u nektaru cvijeća, mrtvoj fitomasi, pa čak i zemljištu.

Ćelije kvasca pod mikroskopom

Ovo je jedan od prvih organizama koje je čovjek "ukrotio", uglavnom se kvasac koristi za pečenje kruha i spravljanje alkoholnih pića. Arheolozi su otkrili da su stari Egipćani već 6000 godina pr. e. naučio da pravi pivo, a do 1200. godine p.n.e. e. savladao pečenje hleba sa kvascem.

Naučno proučavanje prirode fermentacije počelo je u 19. veku, prvu hemijsku formulu su predložili J. Gay-Lussac i A. Lavoisier, ali je suština procesa ostala nejasna, pojavile su se dve teorije. Njemački naučnik Justus von Liebig sugerirao je da je fermentacija mehaničke prirode - vibracije molekula živih organizama prenose se na šećer, koji se dijeli na alkohol i ugljični dioksid. Zauzvrat, Louis Pasteur je vjerovao da je osnova procesa fermentacije biološke prirode - kada se postignu određeni uvjeti, kvasac počinje prerađivati šećer u alkohol. Pasteur je uspio empirijski dokazati svoju hipotezu, kasnije su biološku prirodu fermentacije potvrdili i drugi naučnici.

Ruska riječ "kvasac" dolazi od staroslavenskog glagola "drozgati", što znači "gnječiti" ili "mijesiti", postoji jasna veza sa pečenjem kruha. Zauzvrat, engleski naziv za kvasac "kvasac" dolazi od staroengleskih riječi "gist" i "gyst", koje znače "pjena", "ispuštati plin" i "kuhati", što je bliže destilaciji.

Kao sirovina za alkohol koriste se šećer, proizvodi koji sadrže šećer (uglavnom voće i bobice), kao i sirovine koje sadrže škrob: žitarice i krompir. Problem je u tome što kvasac ne može fermentirati škrob, pa ga prvo morate razgraditi na jednostavne šećere, a to radi enzim koji se zove amilaza. Amilaza se nalazi u sladu, proklijalom zrnu, i aktivira se na visokoj temperaturi (obično 60-72°C), a proces pretvaranja škroba u jednostavne šećere naziva se "saharifikacija". Saharifikacija sladom ("vruće") može se zamijeniti uvođenjem sintetičkih enzima, pri čemu sladovinu nije potrebno zagrijavati, pa se metoda naziva "hladna" saharifikacija.

Uslovi fermentacije

Na razvoj kvasca i tok fermentacije utiču sljedeći faktori: koncentracija šećera, temperatura i svjetlost, kiselost sredine i prisustvo elemenata u tragovima, sadržaj alkohola, pristup kiseoniku.

1. Koncentracija šećera. Za većinu rasa kvasca, optimalan sadržaj šećera u sladovini je 10-15%. Pri koncentracijama iznad 20% fermentacija slabi, a na 30-35% gotovo je zagarantovano da će prestati, jer šećer postaje konzervans koji sprječava djelovanje kvasca.

Zanimljivo je da kada je sadržaj šećera u mediju ispod 10%, fermentacija također teče loše, ali prije zaslađivanja sladovine morate zapamtiti maksimalnu koncentraciju alkohola (4. tačka) dobijenu tokom fermentacije.

2. Temperatura i svjetlost. Za većinu sojeva kvasca, optimalna temperatura fermentacije je 20-26°C (pivski kvasac sa donjom fermentacijom zahtijeva 5-10°C). Dozvoljeni raspon je 18-30 °C. Na nižim temperaturama fermentacija se značajno usporava, a na vrijednostima ispod nule proces se zaustavlja i kvasac "zaspi" - pada u suspendiranu animaciju. Za nastavak fermentacije dovoljno je podići temperaturu.

Previsoka temperatura će ubiti kvasac. Prag izdržljivosti zavisi od naprezanja. Općenito, vrijednosti iznad 30-32 °C smatraju se opasnim (posebno za vino i pivo), međutim, postoje zasebne rase alkoholnog kvasca koje mogu izdržati temperaturu sladovine do 60 °C. Ako je kvasac "kuhan", morat ćete dodati novu šaržu sladovini da biste nastavili fermentaciju.

Sam proces fermentacije uzrokuje porast temperature za nekoliko stupnjeva - što je veća zapremina sladovine i što je kvasac aktivniji, zagrijavanje je jače. U praksi se korekcija temperature vrši ako je zapremina veća od 20 litara - dovoljno je da temperatura bude ispod 3-4 stepena od gornje granice.

Posuda se ostavlja na tamnom mestu ili se prekriva debelom krpom. Odsustvo direktne sunčeve svjetlosti izbjegava pregrijavanje i ima pozitivan učinak na rad kvasca - gljive ne vole sunčevu svjetlost.

3. Kiselost životne sredine i prisustvo elemenata u tragovima. Srednja kiselost 4,0-4,5 pH potiče alkoholnu fermentaciju i inhibira razvoj mikroorganizama trećih strana. U alkalnoj sredini oslobađaju se glicerol i octena kiselina. U neutralnoj sladovini fermentacija se odvija normalno, ali se aktivno razvijaju patogene bakterije. Kiselost sladovine se koriguje prije dodavanja kvasca. Često amaterski destilatori povećavaju kiselost limunskom kiselinom ili bilo kojim kiselim sokom, a da bi smanjili mošt, mošt gase kredom ili razblažuju vodom.

Osim šećera i vode, kvascu su potrebne i druge tvari – prvenstveno dušik, fosfor i vitamini. Ove elemente u tragovima kvasac koristi za sintezu aminokiselina koje čine njihov protein, kao i za reprodukciju u početnoj fazi fermentacije. Problem je u tome što kod kuće neće biti moguće precizno odrediti koncentraciju tvari, a prekoračenje dopuštenih vrijednosti može negativno utjecati na okus pića (posebno za vino). Stoga se pretpostavlja da sirovine koje sadrže škrob i voće u početku sadrže potrebnu količinu vitamina, dušika i fosfora. Obično se hrani samo čista šećerna kaša.

4. Sadržaj alkohola. S jedne strane, etilni alkohol je otpadni proizvod kvasca, s druge strane, jak je toksin za gljivice kvasca. Pri koncentraciji alkohola u sladovini od 3-4%, fermentacija se usporava, etanol počinje kočiti razvoj kvasca, kod 7-8% kvasac se više ne razmnožava, a pri 10-14% prestaje prerađivati šećer - fermentacija prestaje . Samo pojedinačni sojevi kultivisanog kvasca, uzgojeni u laboratoriji, tolerantni su na koncentraciju alkohola iznad 14% (neki nastavljaju fermentaciju čak i pri 18% i više). Od 1% šećera u sladovini dobija se oko 0,6% alkohola. To znači da je za dobivanje 12% alkohola potrebna otopina sa sadržajem šećera od 20% (20 × 0,6 = 12).

5. Pristup kiseoniku. U anaerobnom okruženju (bez pristupa kisiku), kvasac je usmjeren na preživljavanje, a ne na reprodukciju. U tom stanju se oslobađa maksimum alkohola, pa je u većini slučajeva potrebno zaštititi sladovinu od pristupa zraka i istovremeno organizirati uklanjanje ugljičnog dioksida iz spremnika kako bi se izbjegao povećani pritisak. Ovaj problem se rješava ugradnjom vodene brtve.

Pri stalnom kontaktu sladovine sa vazduhom postoji opasnost od kiseljenja. Na samom početku, kada je fermentacija aktivna, oslobođeni ugljični dioksid gura zrak s površine sladovine. Ali na kraju, kada fermentacija oslabi i pojavi se sve manje ugljičnog dioksida, zrak ulazi u nepokrivenu posudu sa sladovinom. Pod utjecajem kisika aktiviraju se bakterije octene kiseline koje počinju prerađivati etil alkohol u octenu kiselinu i vodu, što dovodi do kvarenja vina, smanjenja prinosa mjesečine i pojave kiselog okusa u pićima. Stoga je tako važno zatvoriti posudu vodenom brtvom.

Međutim, kvascu je potreban kisik da bi se umnožavao (da bi postigao svoju optimalnu količinu). Obično je dovoljna koncentracija koja je u vodi, ali za ubrzano razmnožavanje kaše, nakon dodavanja kvasca, ostavlja se otvorena nekoliko sati (sa pristupom zraka) i miješa se više puta.

1. Can foto- i hemosintetski organizmi dobiti energiju iz organska oksidacija? Naravno da mogu. Biljke i hemosintetike karakteriše oksidacija, jer im je potrebna energija! Međutim, autotrofi će oksidirati one tvari koje su sami sintetizirali.

2. Zašto aerobni organizmi kiseonik? Koja je uloga biološke oksidacije? Kiseonik je konačan akceptor elektrona koje potiču iz viših energetskih nivoa oksidabilnih supstanci. Tokom ovog procesa elektroni oslobađaju značajnu količinu energije, a uloga oksidacije je upravo u tome! Oksidacija je gubitak elektrona ili atoma vodika, redukcija je njihovo dodavanje.

3. Koja je razlika između sagorijevanja i biološke oksidacije? Kao rezultat sagorijevanja, sva energija se potpuno oslobađa u obliku toplota. Ali s oksidacijom je sve složenije: samo 45 posto energije se također oslobađa u obliku topline i troši se za održavanje normalne tjelesne temperature. Ali 55 posto - u obliku ATP energije i druge biološke baterije. Stoga, većina energije i dalje ide na stvaranje visokoenergetske veze.

Faze energetskog metabolizma

1. Pripremna faza okarakterisan razlaganje polimera na monomere(polisaharidi se pretvaraju u glukozu, proteini u aminokiseline), masti u glicerol i masne kiseline. U ovoj fazi oslobađa se određena količina energije u obliku topline. Proces se odvija u ćeliji lizozomi, na nivou organizma - u probavni sustav. Zato se nakon početka procesa varenja povećava tjelesna temperatura.

2. glikoliza, ili anoksični stadijum- dolazi do nepotpune oksidacije glukoze.

3. stadijum kiseonika- konačna razgradnja glukoze.

glikoliza

1. glikoliza odvija u citoplazmi. Glukoza C 6 H 12 O 6 cepa se na PVC (pirogrožđanu kiselinu) C 3 H 4 O 3 - u dva trougljična PVC molekula. Ovdje je uključeno 9 različitih enzima.

1) Istovremeno, dva molekula PVC-a imaju 4 atoma vodonika manje od glukoze C 6 H 12 O 6, C 3 H 4 O 3 - PVC (2 molekula - C 6 H 8 O 6).

2) Gdje se troše 4 atoma vodika? Zbog 2 atoma 2 NAD+ atoma su reducirana na dva NADH. Zbog druga 2 atoma vodika, PVC se može pretvoriti u mliječna kiselina C 3 H 6 O 3 .

3) I zbog energije elektrona prebačenih sa visokih energetskih nivoa glukoze na niži nivo NAD+, 2 ATP molekula od ADP-a i fosforne kiseline.

4) Dio energije se gubi u obliku toplota.

2. Ako u ćeliji nema kiseonika, ili ga nema dovoljno, tada se 2 molekula PVC-a obnavljaju zbog dva NADH do mlečne kiseline: 2C 3 H 4 O 3 + 2NADH + 2H + \u003d 2C 3 H 6 O 3 (mliječna kiselina) + 2HAD +. Prisustvo mliječne kiseline uzrokuje bolove u mišićima tokom vježbanja i nedostatak kisika. Nakon aktivnog opterećenja, kiselina se šalje u jetru, gdje se od nje odvaja vodonik, odnosno vraća se u PVC. Ovaj PVC može otići u mitohondrije radi potpunog razlaganja i formiranja ATP-a. Dio ATP-a se također koristi za pretvaranje većine PVC-a natrag u glukozu povratnom glikolizom. Glukoza u krvi odlazi u mišiće i skladišti se kao glikogen.

3. Kao rezultat anoksična oksidacija glukoze je kreiran ukupno 2 ATP molekula.

4. Ako ćelija već ima, ili počinje da ulazi u nju kiseonik, PVC se više ne može vratiti u mliječnu kiselinu, već se šalje u mitohondrije, gdje se potpuno oksidacija do CO 2 iH 2 O.

Fermentacija

1. Fermentacija- ovo je anaerobna (bez kisika) metabolička razgradnja molekula različitih nutrijenata, kao što je glukoza.

2. Alkoholna, mlečna, buterna, sirćetna fermentacija se odvija u anaerobnim uslovima u citoplazmi. U suštini kako proces fermentacije odgovara glikolizi.

3. Alkoholna fermentacija je specifična za kvasac, neke gljive, biljke, bakterije, koje u anoksičnim uslovima prelaze na fermentaciju.

4. Za rješavanje problema važno je znati da se u svakom slučaju, tokom fermentacije, glukoza oslobađa iz glukoze 2 ATP, alkohol ili kiseline- ulje, sirće, mleko. Tokom alkoholne (i butirne) fermentacije iz glukoze se oslobađaju ne samo alkohol, ATP, već i ugljični dioksid.

Faza energetskog metabolizma kisika uključuje dvije faze.

1. Ciklus trikarboksilne kiseline (Krebsov ciklus).

2. Oksidativna fosforilacija.

1. Koja je hemijska priroda ATP-a?

Odgovori. Adenozin trifosfat (ATP) je nukleotid koji se sastoji od purinske baze adenina, monosaharida riboze i 3 ostatka fosforne kiseline. U svim živim organizmima djeluje kao univerzalni akumulator i prijenosnik energije. Pod djelovanjem posebnih enzima, terminalne fosfatne grupe se odvajaju uz oslobađanje energije koja ide na mišićnu kontrakciju, sintetičke i druge vitalne procese.

2. Koje hemijske veze se nazivaju makroergijskim?

Odgovori. Veze između ostataka fosforne kiseline nazivaju se makroergijskim, budući da se prilikom njihovog raskidanja oslobađa velika količina energije (četiri puta više nego kada se druge hemijske veze pocepaju).

3. Koje ćelije imaju najviše ATP-a?

Odgovori. Najveći sadržaj ATP-a u ćelijama u kojima su troškovi energije visoki. To su ćelije jetre i prugastih mišića.

Pitanja nakon §22

1. U ćelijama kojih organizama dolazi do alkoholnog vrenja?

Odgovori. U većini biljnih ćelija, kao iu ćelijama nekih gljiva (na primjer, kvasca), umjesto glikolize dolazi do alkoholne fermentacije: molekula glukoze se u anaerobnim uvjetima pretvara u etil alkohol i CO2:

C6H12O6 + 2H3PO4 + 2ADP → 2C2H5OH + 2CO2 + 2ATP + 2H2O.

2. Odakle dolazi energija za sintezu ATP-a iz ADP-a?

Odgovori. Sinteza ATP-a se provodi u sljedećim koracima. U fazi glikolize, molekul glukoze koji sadrži šest atoma ugljika (C6H12O6) se dijeli na dva molekula pirogrožđane kiseline s tri ugljika, odnosno PVC-a (C3H4O3). Reakcije glikolize kataliziraju mnogi enzimi i odvijaju se u citoplazmi stanica. Tokom glikolize, razgradnjom 1 M glukoze oslobađa se 200 kJ energije, ali 60% se raspršuje kao toplota. Preostalih 40% energije dovoljno je za sintezu dva ATP molekula iz dva ADP molekula.

C6H12O6 + 2H3PO4 + 2ADP → 2C3H6O3 + 2ATP + 2H2O

U aerobnim organizmima, nakon glikolize (ili alkoholne fermentacije) slijedi završna faza energetskog metabolizma – potpuno cijepanje kisika, odnosno ćelijsko disanje. Tokom ove treće faze, organske supstance nastale u drugoj fazi tokom anoksičnog cijepanja i koje sadrže velike rezerve hemijske energije oksidiraju se do konačnih proizvoda CO2 i H2O. Ovaj proces, kao i glikoliza, je višestepeni proces, ali se ne dešava u citoplazmi, već u mitohondrijima. Kao rezultat ćelijskog disanja, prilikom razgradnje dvaju molekula mliječne kiseline, sintetizira se 36 molekula ATP:

2C3H6O3 + 6O2 + 36ADP + 36H3PO4 → 6CO2 + 42H2O + 36ATP.

Dakle, ukupni energetski metabolizam ćelije u slučaju razgradnje glukoze može se predstaviti na sledeći način:

C6H12O6 + 6O2 + 38ADP + 38H3PO4 → 6CO2 + 44H2O + 38ATP.

3. Koje su faze u energetskom metabolizmu?

Odgovori. I faza, pripremna

Složena organska jedinjenja se pod dejstvom probavnih enzima razlažu na jednostavna, pri čemu se oslobađa samo toplotna energija.

Proteini → aminokiseline

Masti → glicerol i masne kiseline

Škrob → glukoza

Faza II, glikoliza (bez kiseonika)

Javlja se u citoplazmi i nije povezan s membranama. Enzimi su uključeni u to; glukoza se razgrađuje. 60% energije se troši kao toplota, a 40% se koristi za sintezu ATP-a. Kiseonik nije uključen.

Faza III, ćelijsko disanje (kiseonik)

Izvodi se u mitohondrijima, povezan sa matriksom mitohondrija i unutrašnjom membranom. U njemu su uključeni enzimi i kiseonik. Mliječna kiselina se razgrađuje. CO2 se oslobađa iz mitohondrija u okoliš. Atom vodika je uključen u lanac reakcija čiji je krajnji rezultat sinteza ATP-a.

Odgovori. Sve manifestacije aerobnog života zahtijevaju utrošak energije, koja se nadoknađuje ćelijskim disanjem, složenim procesom u koji su uključeni mnogi enzimski sistemi.

U međuvremenu, to se može predstaviti kao niz uzastopnih oksidaciono-redukcionih reakcija, u kojima se elektroni odvajaju od molekula nutrijenata i prenose prvo na primarni akceptor, zatim na sekundarni, a zatim na konačni. U ovom slučaju, energija protoka elektrona se akumulira u makroergijskim hemijskim vezama (uglavnom fosfatnim vezama univerzalnog izvora energije - ATP). Za većinu organizama, konačni akceptor elektrona je kisik, koji reagira s elektronima i ionima vodika kako bi formirao molekul vode. Samo anaerobi rade bez kiseonika, pokrivajući svoje energetske potrebe fermentacijom. Anaerobi uključuju mnoge bakterije, cilijate, neke crve i nekoliko vrsta mekušaca. Ovi organizmi koriste etil ili butil alkohol, glicerol itd. kao konačni akceptor elektrona.

Prednost kisika, odnosno aerobnog tipa energetskog metabolizma nad anaerobnim je očigledna: količina energije koja se oslobađa tijekom oksidacije hranjive tvari kisikom je nekoliko puta veća nego prilikom njegove oksidacije, na primjer, pirogrožđanom kiselinom (javlja se kod takvih uobičajena vrsta fermentacije kao što je glikoliza). Dakle, zbog velike oksidacijske moći kiseonika, aerobni koriste utrošene nutrijente efikasnije od anaerobnih. U isto vrijeme, aerobni organizmi mogu postojati samo u okruženju koje sadrži slobodni molekularni kisik. U suprotnom, umiru.