Аэробное и анаэробное окисление микроорганизмов

Восстановление  СО₂ до группы СН₃ происходит с участием тетрагидрофолиевой к-ты (ТГФ), затем группа СН₃ переносится на витамин В₁₂, где с участием НАДН и АТФ восстанавливается до СН₄. В восстановлении др. субстратов ТГФ не участвует.

Метановое Б. в  природе происходит в заболоченных водоемах. Используется в пром. и  бытовых очистных сооружениях для  обезвреживания орг. в-в сточных  вод. Образующийся при этом метан (гл. обр. в смеси с СО₂) используется как топливо.

При аэробном Б. образующийся из пировиноградной к-ты ацетил-КоА конденсируется со щавелевоуксусной к-той с образованием лимонной, к-рая  претерпевает дальнейшие превращения  в цикле трикарбоновых к-т. Суммарное  ур-ние этого процесса:

Продуктами аэробного  Б. могут быть метаболиты цикла трикарбоновых  к-т: лимонная, янтарная, фумаровая и  др. В норме они не накапливаются, однако имеются штаммы, гл. обр. микромицетов, способные накапливать эти соед. в больших кол-вах. Напр., при лимоннокислом  Б. выход продукта может достигать 70%, что обусловлено повыш. активностью  в микроорганизме цитратсинтетазы. Интенсивное накопление фумаровой  к-ты происходит при функционировании цикла трикарбоновых к-т и глиоксилатного цикла.

Под действием  нек-рых аэробных микроорганизмов  происходит Б., при к-ром углеродный скелет субстрата не подвергается изменениям. К такому виду Б., в частности, относится  образование уксусной к-ты из этанола (уксуснокислое Б.) под действием  уксуснокислых бактерий:  

См. также Гидролизные производства.

Лит.: Кретович В. Л, Биохимия растений, М., 1980, с. 197-224; Брухман Э.Э., Прикладная биохимия, пер. с нем., М., 1981, с. 152-291; Готтшалк Г., Метаболизм бактерий, пер. с англ., М., 1982, с. 186-250; Безбородое A.M., Биохимические основы микробиологического синтеза, М., 1984, с. 173-82. , A.M. Безбородов.  
 
 
 

кислород  из воздуха, а анаэробные получают его  от веществ среды, в которой они  живут. Некоторые микроорганизмы, например дрожжи, обычно ведущие анаэробный образ жизни, мо-гут существовать и при доступе воздуха. Такие  микроорганизмы носят название факультативных (условных) анаэробов.

  В соответствии с современными представлениями  об окислительно-восстановительных  реакциях деление микроорганизмов  на аэробные и анаэробные теряет свое значение. В самом деле, уксусные бактерии, которые всегда считались  резко выраженными аэробами, как  мы знаем, .могут прекрасно развиваться  при полном отсутствии кислорода  в присутствии метиленовой синей  в качестве акцептора водорода. В  настоящее время из.-вестно уже  немало таких микроорганизмов.

Болезни, вызываемые аэробными  микроорганизмами

  Цвель вина (винная плесень). Цвель (иначе цвет) вина - наиболее часто встречающаяся в подвальном хозяйстве болезнь; она характеризуется появлением на поверхности вина беловатой или грязно-желтой пленки, образуемой пленчатыми дрожжами.

Пленка  эта бывает то гладкой, нежной и тонкой, то плотной, твердой, собранной в многочисленные складки, которые покрывают сплошь всю поверхность вина. Вино под пленкой часто вначале остается совершенно прозрачным, но с развитием болезни, когда старые слои начинают отрываться и оседать на дно, вино мутнеет. Окраска вина при его заболевании цвелью остается без изменения. При сильном развитии пленки через шпунтовое Рис. 149. Mycoderma vini (пленка отверстие бочки ощущается цвели).. неприятный, часто прогорклый

запах.

  В начальной стадии болезни вкус вина заметно не изменяется, однако после  длительного воздействия пленки вино приобретает неприятный запах  и вкус и в конце концов превращается в жидкость, не содержащую алкоголя, которую уже нельзя назвать вином.

  Возбудители этой болезни: пленчатые дрожжи (Mycoderma vini) (рис. 149), ганзенула (Hansenula), пихия (Pichia), зигопи-хия (Sigopichia), торула (Torula) и другие.

  Наиболее  благоприятная температура для  их развития 24- 26°. Ниже 4° и выше 34° развитие пленчатых дрожжей совсем

останавливается, но клетки при этой температуре не отмирают. Смертельна для всех пленчатых дрожжей, даже самых выносливых, температура 60° при условии действия ее не менее 5 ми-рут.

  Способность к размножению пленчатых дрожжей  подавляется при наличии в  вине 10% об. алкоголя. Практика показывает, |то на поверхности вин, содержащих 12% об. алкоголя и выше, ■ленчатые дрожжи обычно не развиваются.

  Сернистая кислота, находящаяся в свободном  состоянии, 1репятствует развитию большей части пленчатых дрожжей, од-1ако для полного уничтожения некоторых форм, таких как, ■апример, танзенула, необходимо до 300 мг/л сернистой кисло-1ы, а некоторые штаммы микодермы требуют еще больших доз.

I По  наблюдениям ряда исследователей, вина, богатые тапиром, менее подвержены  заболеванию цвелью, чем бедные  им.

  Пленчатые дрожжи, как и винные, попадают в  сусло вместе I ягодами винограда. При соприкосновении с воздухом открытой поверхности вина, например в чане или в неполной бочке, ■ни  начинают развиваться и вызывают в вине заболевание цвелью.

  Пленчатые дрожжи могут очень долго жить в вине. В 25-■етних бутылочных винах  находили живые пленчатые дрожжи.

 ' Вред, причиняемый вину цвелью, зависит  от степени ее развития. Органические  вещества сусла и вина в  результате жизнедеятельности пленчатых  дрожжей совершенно сжигаются. 1Так,  например, алкоголь в процессе  дыхания пленчатых дрожжей сначала  окисляется в уксусный альдегид  и уксусную кис-иоту, а затем  разлагается на углекислоту и  воду.

  Специальным предупредительным мероприятием против заболевания вина цвелью является регулярная, тщательная доливка.

 J При  обнаружении заболевания вина .цвелью  необходимо не-■едленно приступить  к его лечению.

 i Рациональным приемом лечения во всех случаях заражения цвелью является переливка вина в окуренную бочку.

   В случае если поражение цвелью очень  велико и вино Ьомутнело вследствие оседания пленки на дно, помимо указанных операций, вино пропускают через фильтр. После фильтрования такие вина рекомендуется пастеризовать. Фильтрование иожет быть заменено оклейкой вина рыбьим клеем или желатином.

 [ После  лечения вино рекомендуется купажировать  с соответствующими по качеству  винами. Некоторые виноделы предпочитают  оставлять вина, прошедшие лечение  после цвели, до следующего сезона виноделия и подвергать их вторичному пе-Ребраживанию с добавлением сусла. При этом способе получается хорошие результаты. Красные вина исправляют настаивавшем на выбродившей мезге в чанах после спуска с нее вина. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ГЛАВА 16. ДЫХАНИЕ. ТИПЫ ЖИЗНИ, ОСНОВАННЫЕ НА ОКИСЛИТЕЛЬНОМ  ФОСФОРИЛИРОВАНИИ

Чтобы максимально  использовать энергетические возможности, заложенные в процессе переноса электронов от субстрата на молекулярный кислород, необходимо было сформировать. механизмы, позволяющие полностью отщеплять  водород (электроны) от субстрата; создать  системы, в которых весь отщепленный  водород передается на O₂ наиболее рациональным путем, образовать механизмы, при помощи которых энергия электронного переноса трансформируется в химическую энергию, доступную для использования во всех энергозависимых процессах клетки. В ходе эволюции эти задачи были решены следующим образом.

1. Полное отщепление водорода от органического субстрата достигается в результате функционирования ЦТК или окислительного пентозофосфатного цикла. Если энергетическим субстратом являются неорганические соединения, для их окисления также были сформированы ферментативные реакции, катализируемые соответствующими дегидрогеназами.
2. Перенос водорода на молекулярный кислород осуществляется с помощью системы структурно и функционально взаимосвязанных переносчиков, составляющих в совокупности "дыхательную цепь".
3. Энергетические возможности переноса электронов по электрохимическому градиенту реализуются в результате функционирования механизмов, сопрягающих электронный транспорт с фосфорилированием.

Рассмотрим подробнее, как была решена каждая задача, при  этом нам представляется более удобным  сначала изложить максимум того, что  достигнуто природой в процессе эволюции, а уже затем — какие варианты на пути формирования аналогичных механизмов обнаружены у эубактерий.

ЦИКЛ ТРИКАРБОНОВЫХ  КИСЛОТ

ЦТК можно рассматривать  как выработанный клеткой механизм, имеющий двоякое назначение. Основная функция его заключается в  том, что это совершенный клеточный "котел", в котором осуществляется полное окисление вовлекаемого в  него органического субстрата и  отщепление водорода. Другая функция  цикла — снабжение клетки рядом  предшественников для биосинтетических процессов. Обычно ЦТК является дальнейшей "надстройкой" над анаэробными  энергетическими механизмами клетки. Исходным субстратом ЦТК служит ацетил-КоА ("активированная уксусная кислота"), образующийся у аэробов из пирувата в реакции, осуществляемой пируватдегидрогеназным комплексом:

CH₃-CO-COOH + КоA-SH + НАД⁺ ® CH₃-CO~S-КоA + НАД-H² + CO₂

Собственно ЦТК (рис. 92) начинается с конденсации ацетил-КоА с молекулой щавелевоуксусной кислоты, катализируемой цитратсинтазой. Продуктами реакции являются лимонная кислота и свободный кофермент А. Лимонная кислота с помощью фермента аконитазы последовательно превращается в цис-аконитовую и изолимонную кислоты. Последняя превращается в a-кетоглутаровую кислоту в реакции, катализируемой изоцитратдегидрогеназой. H₂ первом этапе реакции имеет место дегидрирование изолимонной кислоты, в результате которого образуется щавелевоянтарная кислота и НАД-H₂. На втором этапе щавелевоянтарная кислота, все еще, вероятно, связанная с ферментом, подвергается декарбоксилированию. Продукты реакции — a-кетоглутаровая кислота, освобождающаяся от фермента, и CO₂.

a-кетоглутаровая  кислота подвергается далее окислительному  декарбоксилированию, катализируемому  a-кетоглутаратдегидрогеназным комплексом, в результате чего образуется  сукцинил-КоА. Эта реакция —  единственная необратимая реакция  из десяти, составляющих ЦТК. Один  из продуктов реакции — сукцинил-КоА  — представляет собой соединение, содержащее высокоэнергетическую  тиоэфирную связь.

Следующий этап — образование янтарной кислоты  из сукцинил-КоА, катализируемое сукцинилтиокиназой, в результате которого энергия, освобождающаяся  при разрыве тиоэфирной связи, запасается в фосфатной связи ГТФ. ГТФ  затем отдает свою фосфатную группу молекуле АДФ, что приводит к образованию  АТФ. Следовательно, на данном этапе  ЦТК имеет место субстратное  фосфорилирование.

Янтарная кислота  окисляется в фумаровую с помощью  фермента сукцинатдегидрогеназы. Далее  фумаровая кислота гид-ратируется под действием фумаразы, в результате чего возникает яблочная кислота, которая  подвергается дегидрированию, приводящему  к образованию ЩУК. Реакция катализируется НАД-зависимой малатдегидрогеназой. Этой реакцией завершается ЦТК, так  как вновь регенерируется молекула-акцептор (ЩУК), запускающая следующий оборот цикла. Однако поскольку из цикла  происходит постоянный отток для  биосинтезов промежуточных метаболитов, приводящий к понижению уровня ЩУК, возникает необходимость в ее дополнительном синтезе. Это обеспечивается как в реакциях карбоксилирования  пирувата или фосфоенолпирувата (см. табл. 24), так и с помощью последовательности из двух реакций, получивших название глиоксилатного шунта (рис. 92). В первой из них изолимонная кислота под действием изоцитратлиазы расщепляется на янтарную и глиоксиловую кислоты. Во второй реакции, катализируемой малатсинтетазой, глиоксиловая кислота конденсируется с ацетил-КоА с образованием яблочной кислоты, превращающейся далее в ЩУК. В результате двух новых реакций происходит синтез C₄-кислоты из двух C₂-остатков. Глиоксилатный шунт не работает при выращивании на субстратах, катаболизирование которых приводит к образованию пировиног-радной кислоты. Он включается при выращивании организмов на C₂-соединениях.