Морська мікробіологія
ЛЕКЦІЯ 7
СУБСТРАТНЕ ФОСФОРИЛЮВАННЯ�
БРОДІННЯ�
1
2
Схема обміну речовин хемоорганогетеротрофних мікроорганізмів:�- розщеплення високомолекулярних субстратів позаклітинними гідролазами, ��- транспортування низькомолекулярних субстратів в клітину через цитоплазматичну мембрану;� �- катаболізм гексоз і субстратне фосфорилювання;� �- цикл трикарбонових кислот;� �- окиснювальне фосфорилювання;� �- біосинтез низькомолекулярних і високомолекулярних сполук;�- вилучення з клітини продуктів метаболізму.
3
4
Схема обміну речовин хемоорганогетеротрофного мікроорганізму
5
Розщеплення високомолекулярних субстратів позаклітинними гідролазами
6
Механізми транспорту сполук в клітину
У мікроорганізмів існує кілька різних способів надходження речовин у клітину. Усі незаряджені молекули (Н2О, гази) можуть надходити в клітину шляхом пасивної дифузії. або полегшеної дифузії.
Пермеази - це білкові комплекси, розташовані або впоперек мембрани, або здатні пересуватися через мембрану як у вільному, так і у пов'язаному з транспортованою речовиною стані. Багато речовин проникають у клітину за участю пермеаз, наприклад, є пермеази для всіх катіонів. Еукаріотичні клітини шляхом полегшеної дифузії транспортують різні цукри та амінокислоти, Екскреція продуктів метаболізму у мікроорганізмів теж зазвичай відбувається шляхом полегшеної дифузії.
Перенесення речовин із середовища з меншою концентрацією у середовище з більшою концентрацією відбувається завдяки механізмам активного транспорту. При симпорті в одному напрямку переносяться одночасно дві речовини, при уніпорті - одна, а антипорт передбачає рух двох речовин у протилежних напрямках.
ФБФ-шлях окиснення глюкози (Ембдена-Мейергофа-Парнаса)
7
КДФГ- шлях окиснення глюкози
(Ентнера-Дудорова)
8
Пентозофосфатний шлях
окиснення глюкози
9
10
Цикл трикарбонових кислот - ЦТК
11
Фермент НАДН дегідрогеназа
12
13
14
15
Альтернативні шляхи генерації енергії
16
Гідрогеносоми Trichomonas vaginalis Основною біохімічною реакцією в гідрогеносомі є окиснення пірувату до Н2, СО2 та ацетату з утворенням АТФ.
СУБСТРАТНЕ ФОСФОРИЛЮВАННЯ
ЦТК
Шляхи окиснення глюкози
🡨
->
ПРОЦЕСИ БРОДІННЯ
17
Бродіння – спосіб біологічного окиснення органічних сполук з утворенням АТФ, за якого відщеплений водень переноситься на органічний акцептор. Це один із способів субстратного фосфорилювання.
Аеробне дихання - спосіб біологічного окиснення органічних (та неорганічних) сполук з утворенням АТФ, за якого відщеплений водень переноситься на кисень.
Анаеробне дихання - спосіб біологічного окиснення органічних (та неорганічних) сполук з утворенням АТФ, за якого відщеплений водень переноситься на інший (не кисень) акцептор, наприклад NO3 -, SO42-
18
Л. Пастер визначив бродіння як життя без кисню, проте тепер відомо, що це лише одна з можливостей анаеробного життя. Бродінням називають безкисневий процес, при якому одна частина органічної речовини окислюється, а інша - відновлюється, а АТФ утворюється шляхом субстратного фосфорилювання. Повністю відновлені та повністю окиснені речовини бродінню не піддаються. Існує кілька видів бродіння, характерних для тих чи інших груп мікроорганізмів і що призводять до утворення різних кінцевих продуктів.
Типи бродіння називаються за утвореними кінцевими продуктами.
19
Отримання продуктів бродіння
з піровиноградної кислоти
Спиртове бродіння�Saccharomyces cerevisiae�сахароміцети
20
Історично першим було вивчено спиртове бродіння у дріжджів Saccharomyces cerevisiae.
Дріжджі, як і більшість грибів, здійснюють аеробне дихання, проте у відсутності кисню вони здатні зброджувати вуглеводи до етанолу та вуглекислоти у відповідність до реакції: С6Н120 6 -> 2С 02 + 2С2Н5ОН.
При цьому піруват утворюєтьсяу процесі гліколізу. Дріжджове спиртове бродіння відбувається при температурах до 30 °С, тому саморозігрів бродячої маси є серйозною проблемою при виробництві етанолу та спиртовмісних напоїв.
Етанол, утворений дріжджами, не є для них «байдужим» з'єднанням, оскільки вже 1-2%-й етанол може збільшувати плинність мембран, і вони перестають підтримувати градієнт протонів. Дріжджі відносяться до спиртотолерантних мікроорганізмів - вони здатні витримувати 9-12% етанолу. Найбільш екстремальними в цьому відношенні є дріжджі раси саке (до 18%). Вони використовують для приготування рисової горілки (саке).
Процес починається з розщеплення крохмалю рису цвілевими грибами роду Aspergillus, що утворюють амілази. Отримані оліго- та моноцукри дріжджі зброджують до етанолу. Дріжджі не можуть існувати в анаеробних умовах постійно. Зазвичай вони зупиняються у зростанні після 5-6 поділів, оскільки одна із стадій синтезу їх мембранних фосфоліпідів вимагає присутності кисню. За наявності ~0,02% кисню дріжджі перемикаються на аеробне дихання, при якому утворюється в 20 разів більше біомаси та синтезується значно більше АТФ. Процес бродіння, навпаки, пригнічується, а явище зветься ефект Пастера.
Деякі бактерії здатні здійснювати процес спиртового бродіння за підвищених температур. Наприклад, рухливий паличкоподібний мікроорганізм Zymomonas mobilis здатний зброджувати цукор за 45°С. Цей монотрих був виділений зі зброженого соку агави (пульке), з якого шляхом перегонки одержують відомий алкогольний напій текілу. Zymomonas mobilis, на відміну від дріжджів, перетворює глюкозу в піруват по КДФГ-шляху.
21
Гліколіз і типи бродінь
22
23
За присутності кисню дріжджі переключаються на дихання. Ефект Пастера
За присутності кисню дріжджі переключаються на дихання. Ефект Пастера
24
Saccharomyces cerevisiae
25
Бактерії Zymomonas mobilis�здійснюють катаболізм глюкози по КДФГ шляху
26
Батарея ферментерів для зброджування
27
28
«whisky»
29
Квас
Інгредієнти на 8 порцій:
Вода - 4 л
Житні сухарики - 1 стакан
Цукор - 1 стакан
Сухі дріжджі - 2 ч. ложки
Ізюм за смаком
30
Я п'ю щодня вино - і все здається мало;
Я хочу, щоб кругом усе співало й грало.
Коли зберуть мій прах і зліплять глек із нього,
Я хочу, щоб вино у ньому не вбувало.
Омар Хайям
31
32
Херес виробляється з білого винограду сортів Паломіно і Педро Хіменес. Після того, як розчавлений
виноград разом з шкіркою простояв зиму, перебродив, і вийшло молоде вино міцністю 12-15%
у вино додається спирт, що зупиняє бродіння і доводить міцність до 15-16%, вино переливається в дубові бочки, витримують протягом 1,5-4 років під хересною дріжджовою плівкою в бочках, заповнених не доверху. Херес, якщо його порівнювати з сирами — це своєрідний «рокфор у світі вин».
33
Ігристі вина
Бахус
35
Коньяк
Мон-Сен-Міше́ль
(Гора Святого Михайла)
36
пиво
37
���Молочнокисле бродіння здійснюють філогенетично неспоріднені мікроорганізми, що поєднуються за ознакою утворення молочної кислоти. Це представники порядків Lactobacillales та Bacillales з Філуму Firmicutes і члени родини Bifidobacteriaceae з філуму Actinobacteria. Вони різні за морфологією, але всі грампозитивні та нерухомі.�Серед них тільки споролактобацили здатні до спороутворення.�Молочнокислі бактерії (МКЛ) ростуть виключно на багатих середовищах із додаванням великої кількості факторів зростання. Вони можуть використовувати лактозу, ніж схожі з бактеріями кишкової групи. Ці мікроорганізми є різною мірою аеротолерантними, але АТФ одержують виключно шляхом субстратного фосфорилювання.�Молочнокислі бактерії є звичайними компонентами мікробіоти шлунково-кишкового тракту (ЖКТ) вищих. тварин та людини.�
38
Молочнокисле бродіння: �Гомоферментативне:
Lactobacillus lactis, Streptococcus faecalis
Гліколітичний шлях окиснення глюкози�Гетероферментативне:
Lactobacillus brevis, Bifidobacterium bifidum
При гетероферментативному молочнокислому бродінні цукру зброджуються через пентозофосфатний шлях, а лактата утворюється 50%.
39
40
41
42
Кумис виготовляється сквашуванням кобилячогоКумис виготовляється сквашуванням кобилячого або коров’ячого молокаКумис виготовляється сквашуванням кобилячого або коров’ячого молока симбіотичною закваскоюКумис виготовляється сквашуванням кобилячого або коров’ячого молока симбіотичною закваскою, яка містить дріжджіКумис виготовляється сквашуванням кобилячого або коров’ячого молока симбіотичною закваскою, яка містить дріжджі, болгарськуКумис виготовляється сквашуванням кобилячого або коров’ячого молока симбіотичною закваскою, яка містить дріжджі, болгарську та ацидофільну термофільні молочнокислі бактерії. По мірі дозрівання, молочнокисле бродіння в кумисі припиняється, а спиртове (дріжджове) продовжується. Слабкий, однодобовий кумис містить до 1% спирту, міцний, три-чотиридобовий — до 2,5%. При зберіганні, дріжджове бродіння продовжується, а кількість спирту збільшується, і може досягати 3,4%.
43
44
Пропіоновокисле бродіння
Цей вид бродіння здійснюють мікроорганізми, які стосуються до підпорядку Propionibacterineae філуму Actinobacteria, які мешкають у рубці та кишечнику жуйних тварин. Їх грампозитивні, нерухомі безспорові палички через особливості снепінг-поділу і подальшого розходження клітин формують характерні «вилочки» та «огорожі». Пропіоновокисле бродіння включає стадію гетеротрофної фіксації 02, при якій Сз-кислоти добудовуються до С4-кислот шляхом приєднання молекули вуглекислого газу.
Утворення пропіонової кислоти відбувається за метилмалоніл-КоА-шляху
45
Пропіоновокислі бактерії
Тверді сири
Змішане (мурашинокисле) бродіння
46
Цей вид бродіння призводить до утворення етанолу та складної суміші органічних кислот (оцтової, молочної, бурштинової, мурашиної та ін.). Утилізують глюкозу по ФБФ шляху. Характерний, але не головний продукт бродіння, мурашина кислота (форміат) спочатку може накопичуватися, а потім розщеплюватися на Н2 і 0 2. Змішане бродіння здійснюють мікроорганізми, об'єднані в порядок Enterobacteriales філуму Proteobacteria, а також представники родів Vibrio та Yersinia, близькі до них за метаболізмом. Порядок Enterobacteriales містить родии Escherichia, Klebsiella, Shigella, Salmonella, Erwinia, Proteus, Enterobacter, Serratia та ін. так і за рахунок дихання. Клітини цих мікроорганізмів містять гемопротеїни (цитохроми, каталазу), абсолютно невибагливі до умов росту та можуть розвиватися на дуже простих мінеральних середовищах (є прототрофами). Змішане бродіння в анаеробних умовах здійснюють також бактерії, що світяться фотобактерії.
47
Приклади змішаного (мурашинокислого) бродіння
48
Приклади ацетоно-бутилового бродіння (рід Clostridium)
Кінець лекції 7 ��Бажаю успіхів !
49