Спиртовое брожение как анаэробный гликолиз

Как и все другие организмы (растения и животные), дрожжевая клетка для осуществления всех энергозависимых процессов нуждается в энергии. Это относится прежде всего к таким процессам, как:

· образование нового клеточного вещества;

· прием и ассимиляция веществ из окружающей среды;

· расщепление и удаление ненужных и вредных соединений;

· транспортировка веществ внутри клетки.

Все живые организмы получают энергию благодаря дыханию. Дыхание начинается с расщепления глюкозы - этот процесс проходит в цитоплазме (цитозоле) и называется гликолиз (см. рис. 4.2). При этом после нескольких сложных промежуточных реакций возникает пируват (пировиноградная кислота), который затем превращается в этанол (спирт) и СО₂.

При гликолизе глюкоза сначала получает один атом фосфора от АТФ (фосфорилируется). АТФ превращается при этом в АДФ (1) (см. следующий раздел). Возникает глюкозо-6-фосфат, который превращается с помощью фермента глюкозофосфатизомереза во фруктозо-6-фосфат (2). Далее следует еще одно фосфорилирование благодаря передаче другого атома фосфора от АТФ под действием фермента 6-фосфофруктокиназа. Таким образом, возникает фруктозо-1,6-дифосфат (3).

Фруктозо-1,6-дифосфат расщепляется ферментом фруктодифосфатальдолаза (4) на два изомерных триозофосфата. Возникающие глицераль- и глицерон-3-фосфат (5) восстанавливаются ферментом глицеральдегид-3-фосфат-дегидрогеназа в две молекулы 1,3-дифосфоглицерата (6) и одновременно отдают ион водорода НАД. Затем происходит двойное дефосфорилирование под действием фермента фосфоглицераткиназа и возникают две молекулы 3-фосфоглицерата (7). При этом два атома фосфора возвращаются двум молекулам АДФ (возникшим в 1 и 3), которые становятся АТФ и могут принимать участие в новых реакциях. При участии фермента фосфоглицератмутаза (8) 3-фосфогли-церат превращается в 2-фосфоглицерат, который переходит под действием фермента фосфопируватгидратаза (9) в фосфоенолпируват. Пируваткиназа переводит две молекулы фосфоенолпирувата в две молекулы пирувата (пировиноградной кислоты) (10). При этом благодаря возникновению двух молекул АТФ из двух молекул АДФ высвобождается некоторое количество энергии (2 • 30,5 кДж), которое организм может использовать по своему усмотрению.

Если при дыхании пируват расщепляется дальше, то при спиртовом брожении (анаэробном гликолизе) фермент пируватдекарбоксилаза (11) превращает его в СО₂ и этаналь (ацетальдегид). Затем этаналь благодаря алкогольдегидрогеназе (только при наличии цинка!) становится этанолом (этиловым спиртом, спиртом) (12), при этом НАД Н₂ отдает свои полученные в (6) ионы водорода и снова превращается в НАД.

В реакциях 6+12 переносится одна молекула водорода. В природе для таких окислительно-восстановительных процессов используется соединение никотинамидадениндинуклеотид (НАД), который препятствует образованию опасного свободного водорода. Это поясняют круговые стрелки с обозначениями НАД и НАД Н₂.

Если рассмотреть соотношение между АТФ/ АДФ, то станет ясно, что превращения АТФ в АДФ в реакциях 1+3 уравновешиваются обратным процессом в реакции 7. Тем самым возникает замкнутый круг. Собственно получение энергии происходит в реакции 10 благодаря двойному дефосфорилированию и превращению двух молекул АДФ в АТФ.

Гликолиз с его незначительным выходом энергии (2 АТФ на моль глюкозы) возник, как предполагают, в те времена, когда на Земле совсем или почти не было кислорода. Гликолиз протекает во всем объеме цитоплазмы. При дыхании пируват транспортируется в митохондрии и сжигается до СО₂ и Н₂О с несравненно большим энергетическим выходом (38 АТФ/моль).

Возможность сбраживать пируват имеют только дрожжи, однако при наличии кислорода брожение сильно замедляется или совсем прекращается (эффект Пастера (Pasteur)). С другой стороны, если концентрация сахара с среде превышает ОД г/л, то замедляется работа дыхательного ферментного комплекса и вместе с дыханием происходит брожение (эффект Кребтри (Crabtree)).

Суммарно процесс спиртового брожения выражается следующим уравнением Гей-Люссака:

С₆Н₁₂О₆→2 - С₂Н₅ОН + 2 - СО₂

ΔG = -230 кДж

Если количественно подсчитать возникающие продукты с учетом их атомных масс, то получится следующее отношение:

С₆Н₁₂О₆→2 - С₂Н₅ОН + 2 - СО₂

Из одного моля глюкозы (180 г) при спиртовом брожении возникает 92 г спирта и 88 г СО₂. Это означает, что сахар по массе практически в равной степени разделяется на спирт и СО₂ (см. дополнительно раздел 7.4.3.1). При этом объемная доля углекислоты по сравнению со спиртом несравнимо больше, так как газы обладают существенно меньшей плотностью.

Этот эффект используют пекари. В тесте сахар сбраживается дрожжами, и хотя возникают равные (незначительные) массовые доли спирта и СО₂, однако чрезмерно большой объем углекислоты придает выпечному изделию пышную форму.