Alkoholna fermentacija. Reakcije fermentacije ugljikohidrata

FERMENTACIJA- skup procesa enzimske transformacije ugljikohidrata koji se odvijaju u anaerobnim uvjetima. B. je unutrašnji redoks proces, uz pomoć kojeg mnogi organizmi dobijaju hemikalije. energije iz glukoze i drugih supstanci u nedostatku molekularnog kisika. B. se obično smatra najjednostavnijim oblikom biola, mehanizma koji obezbjeđuje energiju iz nutrijenata.

Ulogu konačnog proizvoda u oplodnji obično ima neka organska molekula nastala tokom samog procesa fermentacije (alkohol, mliječna kiselina, uljana kiselina itd.). Chem. priroda ovih proizvoda prvenstveno ovisi o vrsti mikroorganizma koji vrši anaerobnu transformaciju ugljikohidrata. Velika važnost Postoje i uvjeti za razvoj bakterija, ovisno o tome od kojih isti mikroorganizam prenosi bakterije ne samo različitom brzinom, već i stvaranjem različitih produkata.

Proizvode koji nastaju tokom biomase djelimično koriste sami mikroorganizmi u procesu svoje životne aktivnosti (razvoj, rast, akumulacija ukupne biomase). Chem. transformacije originalnog supstrata koje nastaju tokom biopsije praćene su upotrebom određenog dijela hemikalije koja se u njemu nalazi. (slobodna) energija za podmirenje tjelesnih potreba za energijom i njeno nakupljanje u obliku energetski bogatih (visoko energetskih) spojeva, čiji je najvažniji predstavnik adenozin trifosforna kiselina (vidi). Dakle, B. je jedan od tipova energetski metabolizam, čija je karakteristika nizak koeficijent iskorišćenja slobodne energije sadržane u molekulima organske materije koja je podvrgnuta fermentaciji.Niska energetska efikasnost je posledica činjenice da se slobodni kiseonik ne koristi u procesu fermentacije.

Početak intenzivnog proučavanja B. vezuje se za opis ćelija kvasca [Cagniard-Latour u Francuskoj i T. Schwann u Njemačkoj, 1836-1838]. Među naučnicima koji su ga proučavali su L. Pasteur i 10. Liebig. Pasteur, koji je B. nazvao "život bez kiseonika", vjerovao je da ga mogu uzrokovati samo žive stanice kvasca. Nasuprot tome, Liebig je fermentaciju šećera smatrao složenim hemijskim procesom. reakcija koja ne zahtijeva učešće živih organizama. Dugogodišnji spor o ovom pitanju, koji ima ne samo čisto naučni, već i filozofski značaj, konačno je razriješen kao rezultat rada M. M. Manasseina (1871) i posebno E. Buchnera (1897), koji je pokazao sposobnost sok kvasca bez ćelija da izazove alkoholnu fermentaciju. Dakle, dokazano je da je oplodnja enzimski proces koji se odvija bez učešća živih ćelija.

Dalja istraživanja prirode fermentacije pokazala su da su čitavi enzimski sistemi, prethodno ujedinjeni pod uobičajeno ime“zimaze” (vidi Enzimi). Istovremeno se razjašnjavala hemija. priroda proizvoda nastalih tokom B.

Istaknutu ulogu u rješavanju ovih složeni zadaci igrala istraživanja ruskih i sovjetskih naučnika (A. N. Lebedev, L. A. Ivanov, V. I. Palladium, S. P. Kostychev, Ya. O. Parnas, itd.), kao i stranih [Harden (A. Harden), K. Neuberg, O. Meyerhof, G. Embden, itd.]. Konkretno, A. N. Lebedev je predložio novu, jednostavniju metodu za dobijanje bez ćelija enzimski preparati iz kvasca autolizom (samoprobava). Od fundamentalne važnosti za rasvjetljavanje kemije šećera bilo je otkriće L. A. Ivanova, koji je pokazao (1905.) da u alkoholnom šećeru ne podliježe razgradnji slobodni molekul šećera, već njegovo jedinjenje s fosforom (fosforilirana molekula šećera). Naknadne studije ne samo da su potvrdile zaključke L. A. Ivanova, već su i omogućile da se potvrdi da reakcije fosforilacije igraju ključnu ulogu u B. (vidi Glikoliza).

U zavisnosti od prirode konačnog proizvoda koji se formira tokom procesa, razlikuje se nekoliko tipova B.

Alkoholna fermentacija

Alkoholna fermentacija se vrši tzv. organizmi slični kvascu (Monilia, Oidium, itd.), kao i neki od gljivice plijesni(npr. mucoraceae).

Alkohol također mogu proizvoditi ćelije viših biljaka, ako se nalaze u okruženju bez kiseonika. U tim uslovima, oksidativni metabolizam biljaka odvija se na putu koji je blizak metabolizmu alkohola.Konačno, u nekim tkivima viših biljaka (npr. ćelije tačaka rasta, ili tzv. meristemi) uočava se stvaranje alkohola čak i pod uslovi potpunog snabdevanja kiseonikom. Ovakav proces se naziva aerobna fermentacija, ivice u svojoj hemijskoj. priroda se takođe približava alkoholičaru B.

Alkoholna fermentacija je izražena ukupnom jednačinom reakcije: C 6 H 12 O 6 = 2CO 2 + 2C 2 H 5 OH.

Iz toga proizlazi da uz potpunu fermentaciju 1 mol heksoze, 2 mola ugljičnog dioksida i 2 mola etil alkohol. Količina slobodne energije ostvarena tokom ovog procesa bi teoretski trebala biti 56 kcal po 1 molu fermentirane heksoze, što je samo mali dio izlazne energije koja se javlja tokom normalnog aerobno disanje(vidi Aerobes). Kao rezultat, dobiti istu količinu energije anaerobni organizmi(vidi anaerobne) moraju se potrošiti najmanje 10 puta velika količinašećera nego aerobnih organizama.

Ukupna jednadžba za alkoholno biogorivo ne uzima u obzir da se, pored etil alkohola i ugljičnog dioksida, tokom alkoholne fermentacije u malim količinama stvaraju i neka druga jedinjenja. To uključuje amil alkohole (vidi), butil alkohole (vidi) i neke druge, koji zajedno tvore tzv. fuzelna ulja (vidi). Među alkoholnim proizvodima nalaze se i acetaldehid, jantarna kiselina i niz drugih jedinjenja koja daju specifičnu aromu i ukus vinu, pivu i drugim alkoholnim pićima.

U alkoholnoj biopsiji koriste se molekuli šećera različitog stepena složenosti. Kvasac najlakše fermentira glukozu i fruktozu, mnogo lošije su manoza i posebno galaktoza. Saharoza i maltoza se fermentiraju tek nakon preliminarne hidrolize. Laktoza se može samo fermentirati posebne vrste kvasac koji sadrži enzim koji hidrolizira ovaj disaharid kako bi se formirala glukoza i galaktoza.

U prisustvu kiseonika u okolini dolazi do razmene energije kvasca na putu normalne aerobne transformacije, što omogućava da se šećer troši mnogo ekonomičnije. Učinak kisika na uštedu šećera prvi je otkrio L. Pasteur, pa je stoga postao poznat kao Pasteurov efekat.

Prve faze transformacija koje glukoza prolazi tokom varenja alkohola sastoje se u aktivaciji molekula šećera. Aktivacija se događa postepeno, kroz niz pojedinačnih reakcija koje se sukcesivno zamjenjuju. Prvi korak za povećanje reaktivnost molekula glukoze je formiranje njenog fosfornog estera. Izvor fosfora je molekul adenozin trifosfata (ATP), koji se odustajanjem od ove grupe pretvara u adenozin difosfat (ADP). Prijenos fosfatnog ostatka s ATP-a na glukozu vrši se uz sudjelovanje enzima heksokinaze (vidi).

Ova faza je povezana sa trošenjem energije iz jedne visokoenergetske veze molekula ATP.

Sljedeći korak je izomerizacija molekula glukoza-6-fosfata i njegova konverzija u fruktoza-6-fosfat. Proces provodi enzim glukoza fosfat izomeraza [EC 5. 3. 1. 9], koji se nalazi i u kvascu i u mnogim drugim mikroorganizmima i tkivima veliki broj razne vrste biljke i životinje. Aktivacija fruktoza-6-fosfata se postiže dodavanjem drugog ostatka fosfora u molekulu i formiranjem fruktozo-1,6-difosfata.

Izvor fosfata i energije potrebne za ovu reakciju je i ATP molekul. Reakciju katalizira enzim fosfofruktokinaza [K F 2. 7. 1. 11]. Sljedeći korak je formiranje dvije fosfotrioze iz molekula fruktoza-1,6-bifosfata - dihidroksiaceton fosfata i gliceraldehid fosfata (GAP). Enzim koji katalizuje ovu reakciju naziva se aldolaza (vidi).

Zbog specifičnosti enzimskog sistema uključenog u alkoholnu fermentaciju, od dvije nazvane fosfotrioze, samo GAP je uključen u daljnje transformacije, što bi dovelo do gubitka polovine originalnog molekula glukoze za proces varenja. Međutim, ovaj gubitak je spriječen zbog prisustva u ćeliji specifičnog enzima - fosfotrioze izomeraze, koja katalizira reverzibilna reakcija: dihidroksiaceton fosfat<->gliceraldehid fosfat. Ovo osigurava da se molekula šećera može u potpunosti iskoristiti.

Oksidaciju GAP katalizira gliceraldehid fosfat dehidrogenaza (GAPDH) i dovodi do stvaranja energetski bogatog jedinjenja 1,3-difosfoglicerat (1,3 DPG). Opća jednačina reakcije može se predstaviti na sljedeći način:

Reakcija se odvija u nekoliko faza: jedna od SH grupa GAPDH je uključena u dodavanje NAD+ i formiranje - kompleksa

.

GAP se dodaje ovom kompleksu i oksidira da nastane acil enzim:

Vodik se zatim prenosi u NAD+:

i transport acila do anorganskog fosfatnog ostatka da nastane 1,3-difosfoglicerat:

Energetski bogata veza ostatka fosforne kiseline u molekuli 1,3 DPG pruža mogućnost stvaranja ATP-a i 3-fosfoglicerolne kiseline:

Intramolekularno kretanje fosfatnog ostatka uz sudjelovanje fosfogliceromutaze dovodi do stvaranja 2-fosfoglicerolne kiseline, koja se zatim pretvara u fosfoenolpirogrožđanu kiselinu. Kada se fosfoenolpirogrožđana kiselina defosforilira i konvertuje u pirogrožđanu kiselinu (piruvat), odvojeni fosfat se prenosi u ADP. Energija dva ATP molekula formirana u ovoj fazi predstavlja neto dobitak u energiji koju ćelija dobija tokom čitavog složenog lanca procesa opisanih gore. Ovi procesi su univerzalne prirode i čine osnovu ne samo alkoholne kiseline, već i mnogih drugih vrsta bakterija, a prvenstveno homofermentativnih bakterija mliječne kiseline, zvane glikoliza (vidi). Vrlo je važno napomenuti da navedene reakcije dovode do stvaranja piruvata koji se koristi kao supstrat za biol, oksidaciju (vidi Biološka oksidacija) ili disanje.

U anaerobnim uslovima, konverzija piruvata se može nastaviti na razne načine. Tako se u slučaju alkoholne kiseline CO2 odvaja od piruvata uz učešće enzima dekarboksilaze i nastaje acetaldehid:

CH 3 -CO-COOH → CO 2 + CH 3 CHO.

Uz učešće specifičnog enzima (alkohol dehidrogenaze), acetaldehid se redukuje u konačni alkoholni proizvod - etil alkohol. Vodik neophodan za ovu reakciju dobija se iz redukovanog koenzima - nikotinamid adenin dinukleotida, ili NAD-H. Ako se redukcija acetaldehida na neki način spriječi (npr. vezivanjem za natrijum bisulfit), tada vodik NAD-H može, uz sudjelovanje enzima glicerofosfat dehidrogenaze, reagirati s fosfotriozama i dovesti do stvaranja glicerofosfata, a zatim glicerol.

Jedan od nusproizvodi alkohol B. je acetoin (acetilmetilkarbinol), CH 3 -CO-CHOH-CH 3, nastao interakcijom dvaju molekula pirogrožđane kiseline ili pirogrožđane kiseline sa acetaldehidom:

CH 3 COCOOH + CH3COH → CH 3 COCHOH-CH 3 + CO 2 .

Nastaje tokom tzv. karboligazna reakcija, koju kataliziraju enzimi izolirani iz stanica kvasca i viših biljaka. Acetoin se takođe formira u drugim vrstama B. Acetoin je visoko rastvorljiv u vodi, alkoholu i eteru. Još jedna stvar koju vrijedi spomenuti je intermedijarni proizvodi razgradnju ugljenih hidrata tokom B., koji je takođe derivat pirogrožđane kiseline. Ovo je metilglioksal (CH 3 COCHO), koji je hemijske prirode predstavlja aldehid piruvata. Kada se zagrije vodom ili alkalizira vodeni rastvori Metilglioksal se pretvara u mliječnu kiselinu. Može se formirati i enzimski - djelovanjem specifičnog enzima, metilglioksilaze. Ova jedinjenja nastaju u vrlo malim količinama.

Vrenje mliječne kiseline

Genetski povezana s fermentacijom alkohola, mliječno kisela fermentacija ima vrlo bitan. U ovom slučaju, pirogrožđana kiselina se ne dekarboksilira, kao u alkoholu B., već se direktno redukuje uz učešće specifične laktat dehidrogenaze zahvaljujući vodiku NAD-H.

Postoje dvije poznate grupe bakterija mliječne kiseline. Prva od njih uključuje homofermentativne bakterije koje stvaraju samo mlijeko. Bakterije mliječne kiseline druge grupe (heterofermentativne bakterije) proizvode, osim mliječne kiseline, i octenu kiselinu, kao i etil alkohol (često u vrlo značajnim količinama), ugljen-dioksid, mravlja kiselina i neki drugi proizvodi. Odnos između ovih proizvoda zavisi od mnogih uslova (temperatura, pH okoline, itd.). To je često zbog zajedničkog djelovanja bakterija mliječne kiseline s kvascem. Ovakvo zajedničko „kiselo“ se često pravi veštački i ima široku primenu u pečenju hleba – u pripremi ražani hljeb, u proizvodnji hljebni kvas i niz proizvoda mliječne kiseline (sir, kefir, jogurt, kumis, itd.). Great Application Mliječna kiselina B. se nalazi u proizvodnji mliječnih proizvoda, koristi se u brojnim granama prehrambene, tekstilne i kožne industrije.

Gnojidba mliječnom kiselinom posebno je efikasna od strane termofilnih mikroba kao što je Thermobacterium cereale (ranije nazvan Lactobacillus delbrukii). Mliječna kiselina također nastaje kao jedan od proizvoda transformacije ugljikohidrata u mišićno tkivoživotinje u procesu glikolize.

Fermentacija butirne kiseline

Fermentaciju butirne kiseline u većini slučajeva provode obvezni anaerobi, odnosno organizmi koji mogu postojati samo u okruženju bez kisika.

Prilikom fermentacije butirne kiseline ne nastaje samo maslačna kiselina, već u nekim slučajevima i vrlo značajne količine etilnog alkohola, mliječne i octene kiseline, kao i plinovitog vodonika i ugljičnog dioksida. Uz pomoć butirne kiseline vrši se razgradnja B. organska materija u uslovima nedostatka ili potpunog odsustva kiseonika (močvare, močvare). Od velikog industrijskog značaja je proizvodnja pektinskih supstanci od maslačne kiseline, koja nastaje kada se stabljike lana i konoplje natapaju i dobijaju vlakna. Istovremeno, aktivnost bakterija koje proizvode ovu vrstu bakterija mora se spriječiti prilikom pripreme raznih vrsta hrane. prehrambeni proizvodi kako bi se izbjeglo pogoršanje okusa i kvarenje potonjeg (na primjer, užeglo puter, silos, itd.).

Alkohol, bakterije mliječne i maslačne kiseline glavne su vrste alkohola; Preostale brojne vrste B. predstavljaju ili njihove različite kombinacije, ili se izvode na osnovu određenih proizvoda koji nastaju tokom glavnog tipa B. Dakle, kao rezultat fermentacija sirćetne kiseline Etilni alkohol se oksidira uz učešće atmosferskog kiseonika. Ovu vrstu bakterija provode specifične bakterije octene kiseline. Ukupna jednačina octene kiseline B.:

CH 3 CH 2 OH + O 2 = CH 3 COOH + H 2 O.

Kada se zalihe alkohola potroše, bakterije oksidiraju octenu kiselinu koju ona stvara u ugljični dioksid i vodu.

B., sprovedena uz učešće O 2, uključuje fermentacija glukonske kiseline- stvaranje glukonske kiseline iz glukoze:

C 6 H 12 O 6 + H 2 O + O 2 → CH 2 OH(CHOH) 4 COOH + H 2 O 2.

Uzrokuju ga određene bakterije i plijesni. Glukonska kiselina je vrijedan spoj koji se široko koristi u medicini i farmaceutskoj industriji (vidi Glukonska kiselina).

Fermentacija limunske kiseline provode određeni predstavnici plijesni; Određeni sojevi Aspergillus niger su posebno efikasni. Početni proizvod je pirogrožđana kiselina, čija se transformacija odvija istovremeno u dva smjera. Dio se oksidira u octenu kiselinu, dok drugi, dodavanjem ugljičnog dioksida, stvara oksalosirćetnu kiselinu. Kada se octena i oksalooctena kiselina kondenzuju, nastaje limunska kiselina. Osim limunske kiseline, limunska kiselina proizvodi butil alkohol, aceton, kao i etil alkohol, ugljični dioksid i vodonik.

Butanol-acetonska fermentacija izvršiti anaerobne bakterije Clostridium acetobutylicum. Glavni proizvodi koji nastaju tokom ove vrste fermentacije su n-butil alkohol, aceton, etil alkohol, ugljen dioksid i vodonik. Acetosirćetna kiselina (CH 3 COCH 2 COOH) i aceton koji nastaje tokom njegove dekarboksilacije (CH 3 COCH 3), kao i β-hidroksibutirna kiselina, čine grupu tzv. acetonska tijela (vidi Ketonska tijela), koja se akumuliraju u krvi i urinu životinja pod raznim patološka stanja i bolesti (dijabetes, gladovanje). U normalnim uvjetima, ova jedinjenja se oksidiraju da nastanu ugljični dioksid i vodu, koji su bezopasni za tijelo.

Visoka ekonomska efikasnost, čistoća proizvoda dobijenih od B. vrijedne proizvode leže u osnovi sve više i više široku upotrebu B. u raznim sektorima nacionalne ekonomije.

Bibliografija: Kretovich V.L. Osnovi biohemije biljaka, M., 1971; Mahler G. i Cordes Y. Fundamentals biološka hemija, trans. sa engleskog, M., 1970; Rubin B. A. Kurs fiziologije biljaka, M., 1971; Reker E. Bioenergetski mehanizmi, trans. iz engleskog, M., 1967. bibliogr.; Shaposhnikov V.N. Tehnička mikrobiologija, M., 1948; H a s i d W. Z. Transformacija šećera u biljkama, Ann. Rev. biljka Physiol., v. 18, str. 253, 1967, bibliogr.

Fermentacija je složen proces razgradnje ugljikohidrata pod utjecajem enzima koje luče različiti mikroorganizmi, u većini slučajeva praćen oslobađanjem plinovitih produkata (CO 2, H 2 itd.) i koji u konačnici dovodi do stvaranja tvari poput etilnog alkohola , mliječna kiselina itd. .d. Ovisno o vrsti mikroorganizama i finalni proizvodi Postoji nekoliko vrsta fermentacije:

Alkoholna fermentacija: C 6 H 12 O 6 → 2CH 3 ─ CH 2 ─ OH +2CO 2

Etanol glukoze

Fermentacija mliječne kiseline: C 6 H 12 O 6 → 2CH 3 ─ CHOH ─ COOH

Glukoza Mliječna kiselina

Fermentacija sirćetne kiseline: C 6 H 12 O 6 + 2O 2 → 2CH 3 ─ COOH + 2CO 2 + 2H 2 O

Glukoza Sirćetna kiselina

Fermentacija propionske kiseline: C 6 H 12 O 6 → 2CH 3 ─ CH 2 ─ COOH + O 2

Glukoza propionska kiselina

Fermentacija maslene kiseline: C 6 H 12 O 6 → CH 3 ─CH 2 ─CH 2 ─ COOH + 2CO 2 + 2H 2

Glukoza Butirna kiselina

Fermentacija limunske kiseline: 2C 6 H 12 O 6 + 3O 2 → CH 2 ─ COOH

Glukoza │

2HO ─ C ─ COOH + 4H 2 O

Limunova kiselina

Metanska fermentacija: C 6 H 12 O 6 → 3CH 4 + 3CO 2

Glukoza metan

Alkoholna fermentacija se koristi u industriji za proizvodnju etilnog alkohola, fermentacija mliječne kiseline se koristi u Prehrambena industrija za dobijanje raznih proizvoda mliječne kiseline i u stočarstvu za siliranje hrane za životinje. sirćetna kiselina, propionska kiselina, maslačna kiselina, fermentacija mliječne kiseline javljaju u šumskom stomaku preživara. Fermentacija metanom uzrokuje timpaniju (naduvanost) kod životinja sa višekomornim želucem. Samo heksoze prolaze kroz alkoholnu fermentaciju, za razliku od drugih monosaharida, kao što su pentoze. Ovo se koristi za razlikovanje heksoza od pentoza. Maltozu i saharozu lako fermentira kvasac, ali laktoza ne. Kvasac sadrži enzime maltazu i saharuzu, ali ne sadrži enzim laktazu. Laktoza, pod utjecajem bakterija koje je razgrađuju, može proizvesti alkoholnu, mliječnu i maslačnu fermentaciju.

Zadatak: Izvedite zaključke na temu „Ugljeni hidrati:

Lekcija 5 – Struktura proteina

Svrha lekcije: Proučite strukturu proteina

Reagensi: Rastvori proteina: jaja i želatin, 1% rastvor bakar sulfata, 10% i 20% rastvor natrijum hidroksida, 0,2% rastvor ninhidrina, 0,5% rastvor olovnog acetata.

1. Opće kvalitativne reakcije na proteine: biuret - na peptidnu vezu, ninhidrin - na α-amino grupe aminokiselina

Princip metode. Biuret reakcija je kvalitativna reakcija na peptidnu vezu. Reakcija se zasniva na formiranju intrakompleksnog jedinjenja jona bakra sa dve peptidne veze koje deluju kao polidentatni ligandi. U alkalnom okruženju, proteinska otopina postaje ružičasto-ljubičasta kada se doda razrijeđena otopina bakar sulfata:

H 2 N-CH-CO-NH-CH-CO-NH-CH-CO-NH-CH-C=O+2NaOH+Cu(OH) 2

R 1 R 2 R 3 R 4 OH

NH-CH-C=N-CH-C-N-CH-C-... 2-

R4OR6O2Na+

NH-CH-C-N-CH-C=N-CH-C-...

Reakcija se naziva biuret, jer je karakteristična i za biuret, koji se sastoji od 2 molekula uree (NH 2 -CO-NH-CO-NH 2).

Napredak. Biuretna reakcija. 1 ml rastvora proteina koji se proučavaju sipa se u odvojene epruvete: bjelance, želatin, krvni serum. Zatim dodajte 1 ml 10 % rastvor NaOH i 2 kapi 5% rastvora CuS0 4. Nakon miješanja, u prisustvu peptidne veze, u ispitivanim otopinama se pojavljuje ljubičasta boja.

Ninhidrinska reakcija. 10-12 kapi ninhidrina dodaje se u 2 ml ispitivanih otopina proteina, zagrijava se i uočava se plavo-ljubičasta boja - proizvod interakcije amino grupe aminokiselina s ninhidrinom.

smanjen ninhidrin

Proizvod kondenzacije plavo-ljubičaste boje