Ферментация в клетките. Алкохолна ферментация - магията на превръщането на захарта в етилов алкохол В кои растителни клетки протича алкохолната ферментация

Алкохолната ферментация е в основата на приготвянето на всяка алкохолна напитка. Това е най-лесният и достъпен начин за получаване на етилов алкохол. Вторият метод - хидратирането на етилен, е синтетичен, използва се рядко и само при производството на водка. Ще разгледаме характеристиките и условията на ферментация, за да разберем по-добре как захарта се превръща в алкохол. От практическа гледна точка това знание ще помогне да се създаде оптималната среда за маята - правилно да се постави каша, вино или бира.

Алкохолна ферментацияДрождите превръщат глюкозата в етилов алкохол и въглероден диоксид в анаеробна (безкислородна) среда. Уравнението е следното:

C6H12O6 → 2C2H5OH + 2CO2.

В резултат на това една молекула глюкоза се превръща в 2 молекули етилов алкохол и 2 молекули въглероден диоксид. В този случай се освобождава енергия, което води до леко повишаване на температурата на средата. В процеса на ферментация се образуват и фузелни масла: бутилов, амилов, изоамилов, изобутилов и други алкохоли, които са странични продукти от метаболизма на аминокиселините. В много отношения фузеловите масла формират аромата и вкуса на напитката, но повечето от тях са вредни за човешкото тяло, така че производителите се опитват да почистят алкохола от вредни сивушни масла, но оставят полезни.

мая- Това са едноклетъчни сферични гъби (около 1500 вида), активно развиващи се в течна или полутечна среда, богата на захари: на повърхността на плодовете и листата, в нектара на цветята, мъртвата фитомаса и дори почвата.

Това е един от първите организми, "опитомени" от човека, основно дрождите се използват за печене на хляб и приготвяне на алкохолни напитки. Археолозите са установили, че древните египтяни в продължение на 6000 години пр.н.е. д. научили как да правят бира и до 1200 г. пр.н.е. д. усвои печенето на хляб с мая.

Научното изследване на природата на ферментацията започва през 19 век, първата химическа формула е предложена от J. Gay-Lussac и A. Lavoisier, но същността на процеса остава неясна, възникват две теории. Германският учен Юстус фон Либих предполага, че ферментацията е механична по природа - вибрациите на молекулите на живите организми се предават на захарта, която се разделя на алкохол и въглероден диоксид. На свой ред Луи Пастьор смята, че основата на процеса на ферментация е биологична по природа - когато се достигнат определени условия, дрождите започват да преработват захарта в алкохол. Пастьор успя да докаже хипотезата си емпирично, по-късно биологичната природа на ферментацията беше потвърдена от други учени.

Руската дума „мая“ идва от старославянския глагол „дрозгати“, което означава „натрошавам“ или „меся“, има ясна връзка с печенето на хляб. От своя страна английското наименование на дрождите "yeast" идва от староанглийските думи "gist" и "gyst", които означават "пяна", "да отделям газ" и "кипя", което е по-близко до дестилация.

Като суровина за алкохол се използват захар, продукти, съдържащи захар (предимно плодове и плодове), както и суровини, съдържащи нишесте: зърно и картофи. Проблемът е, че маята не може да ферментира нишестето, така че първо трябва да го разградите до прости захари, това се прави от ензим, наречен амилаза. Амилазата се намира в малца, покълнало зърно, и се активира при висока температура (обикновено 60-72 ° C), а процесът на превръщане на нишестето в прости захари се нарича "захарификация". Захаризирането с малц ("горещо") може да бъде заменено с въвеждането на синтетични ензими, при които пивната мъст не трябва да се нагрява, поради което методът се нарича "студено" озахаряване.

Условия на ферментация

Върху развитието на дрождите и хода на ферментацията влияят следните фактори: концентрация на захар, температура и светлина, киселинност на средата и наличие на микроелементи, алкохолно съдържание, достъп на кислород.

1. Концентрация на захар.За повечето видове дрожди оптималното съдържание на захар в пивната мъст е 10-15%. При концентрации над 20% ферментацията отслабва, а при 30-35% почти гарантирано спира, тъй като захарта се превръща в консервант, който пречи на дрождите да работят.

Интересното е, че когато съдържанието на захар в средата е под 10%, ферментацията също протича лошо, но преди да подсладите пивната мъст, трябва да запомните максималната концентрация на алкохол (4-та точка), получена по време на ферментацията.

2. Температура и светлина.За повечето щамове дрожди оптимална температураферментация - 20-26 ° C (долната ферментация на бирената мая изисква 5-10 ° C). Допустимият диапазон е 18-30 °C. С повече ниски температуриферментацията се забавя значително и при стойности под нулата процесът спира и дрождите "заспиват" - изпадат в анабиоза. За да възобновите ферментацията, е достатъчно да повишите температурата.

Твърде високата температура ще убие маята. Прагът на издръжливост зависи от напрежението. Като цяло стойности над 30-32 °C се считат за опасни (особено за вино и бира), но има отделни раси на алкохолни дрожди, които могат да издържат на температура на пивната мъст до 60 °C. Ако маята е „сготвена“, ще трябва да добавите нова партида към пивната мъст, за да възобновите ферментацията.

Самият процес на ферментация предизвиква повишаване на температурата с няколко градуса - колкото по-голям е обемът на пивната мъст и колкото по-активни са дрождите, толкова по-силно е нагряването. На практика температурна корекция се прави, ако обемът е над 20 литра – достатъчно е температурата да се поддържа под 3-4 градуса от горната граница.

Съдът се оставя на тъмно място или се покрива с плътна кърпа. Липсата на пряка слънчева светлина предотвратява прегряването и има положителен ефект върху работата на дрождите - гъбичките не обичат слънчевата светлина.

3. Киселинност на средата и наличие на микроелементи.Средна киселинност 4,0-4,5 pH насърчава алкохолната ферментация и инхибира развитието на микроорганизми от трети страни. В алкална среда се отделят глицерол и оцетна киселина. В неутрална пивна мъст ферментацията протича нормално, но активно се развиват патогенни бактерии. Киселинността на пивната мъст се коригира преди добавяне на дрожди. Често аматьорските дестилатори повишават киселинността с лимонена киселина или който и да е кисел сок, а за да намалят мъстта, гасят мъстта с креда или я разреждат с вода.

Освен захар и вода, маята изисква и други вещества - предимно азот, фосфор и витамини. Тези микроелементи се използват от дрождите за синтеза на аминокиселини, които изграждат техния протеин, както и за възпроизвеждане в началния етап на ферментация. Проблемът е, че у дома няма да е възможно да се определи точно концентрацията на веществата и превишаването на допустимите стойности може да повлияе негативно на вкуса на напитката (особено за виното). Следователно се приема, че скорбялата и плодовите суровини първоначално съдържат необходимото количество витамини, азот и фосфор. Обикновено се подхранва само чиста захарна каша.

4. Алкохолно съдържание.От една страна, етиловият алкохол е отпадъчен продукт на дрождите, от друга страна е силен токсин за дрождевите гъбички. При концентрация на алкохол в пивната мъст от 3-4%, ферментацията се забавя, етанолът започва да инхибира развитието на дрождите, при 7-8% дрождите вече не се възпроизвеждат, а при 10-14% те спират да преработват захар - ферментацията спира . Само няколко щама култивирани дрожди, отгледани в лаборатория, са толерантни към концентрации на алкохол над 14% (някои продължават да ферментират дори при 18% и повече). От 1% захар в пивната мъст се получава около 0,6% алкохол. Това означава, че за получаване на 12% алкохол е необходим разтвор със съдържание на захар 20% (20 × 0,6 = 12).

5. Достъп до кислород.В анаеробна среда (без достъп до кислород) дрождите са насочени към оцеляване, а не към възпроизводство. Именно в това състояние се отделя максималният алкохол, така че в повечето случаи е необходимо да се предпази пивната мъст от достъп на въздух и в същото време да се организира отстраняването на въглеродния диоксид от резервоара, за да се избегне повишено налягане. Този проблем се решава чрез инсталиране на воден затвор.

При постоянен контакт на пивната мъст с въздуха съществува опасност от вкисване. В самото начало, когато ферментацията е активна, отделеният въглероден диоксид изтласква въздуха от повърхността на пивната мъст. Но в края, когато ферментацията отслабва и се появява все по-малко въглероден диоксид, въздухът навлиза в непокрития контейнер с пивната мъст. Под въздействието на кислорода се активират оцетнокисели бактерии, които започват да преработват етилов алкохол в оцетна киселина и вода, което води до разваляне на виното, намаляване на добива на лунна светлина и появата на кисел вкус. Ето защо е толкова важно да затворите контейнера с воден затвор.

Дрождите обаче изискват кислород, за да се размножават (за да достигнат оптималното си количество). Обикновено е достатъчна концентрацията, която е във водата, но за по-бързо възпроизвеждане на кашата, след добавяне на маята, тя се оставя отворена за няколко часа (с достъп на въздух) и се разбърква няколко пъти.

Пар.22 В клетките на кои организми протича алкохолна ферментация? Повечето растителни клетки, както и в клетките на някои гъбички (например дрожди), вместо гликолиза, протича алкохолна ферментация, при анаеробни условия молекулата на глюкозата се превръща в етилов алкохол и CO2. Откъде идва енергията за синтезиране на АТФ от АДФ? Той се освобождава в процеса на дисимилация, т.е. в реакциите на разделяне на органични вещества в клетката. В зависимост от спецификата на организма и условията на местообитанието му дисимилацията може да протече на два или три етапа. Какви са етапите на енергийния метаболизъм? 1 - подготвителен; завършващ в разграждането на големи органични молекули до по-прости: полис.-монози., липиди-глик.и мазнини. киселини, протеини-б.а. Разцепването възниква в PS. Отделя се малко енергия, докато се разсейва под формата на топлина. Получените съединения (моносаци, мастни киселини, а.к. и др.) могат да се използват от клетката в реакции на обмен на образуване, както и за по-нататъшно разширяване с цел получаване на енергия. 2- аноксичен = гликолиза (ензимен процес на последователно разграждане на глюкозата в клетките, придружен от синтеза на АТФ; при аеробни условия води до образуване на пирогроздена киселина, при анаеробни условия води до образуване на млечна киселина); С6Н12О6 + 2Н3Р04 + 2ADP --- 2С3Н6О3 + 2ATP + 2Н2О. се състои в ензимно разграждане на org.vest-in, които са получени по време на подготвителния етап. O2 не участва в реакциите на този етап. Реакциите на гликолиза се катализират от много ензими и протичат в цитоплазмата на клетките. 40% от енергията се съхранява в ATP молекули, 60% се разсейва като топлина. Глюкозата се разгражда не до крайни продукти (CO2 и H2O), а до съединения, които все още са богати на енергия и, окислени допълнително, могат да я дадат в големи количества (млечна киселина, етилов алкохол и др.). 3- кислород (клетъчно дишане); органичните вещества, образувани по време на етап 2 и съдържащи големи запаси от химическа енергия, се окисляват до крайните продукти CO2 и H2O. Този процес протича в митохондриите. В резултат на клетъчното дишане по време на разграждането на две молекули млечна киселина се синтезират 36 молекули АТФ: 2C3H6O3 + 6O2 + 36ADP + 36H3PO4 - 6CO2 + 42H2O + 36ATP. Отделя се голямо количество енергия, 55% се складира под формата на АТФ, 45% се разсейва под формата на топлина. Каква е разликата между енергийния метаболизъм при аероби и анаероби? Повечето от живите същества, които живеят на Земята, са аероби, т.е. използвани в процесите на OV O2 от околен свят. При аеробите енергийният обмен протича на 3 етапа: подготвителен, безкислороден и кислороден. В резултат на това органичната материя се разлага до най-простите неорганични съединения. В организми, които живеят в безкислородна среда и не се нуждаят от кислород - анаероби, както и в аероби с липса на кислород, асимилацията протича на два етапа: подготвителен и безкислороден. При двустепенния вариант на енергийния обмен се съхранява много по-малко енергия, отколкото при тристепенния. ТЕРМИНИ: Фосфорилирането е прикрепването на 1 остатък от фосфорна киселина към ADP молекула. Гликолизата е ензимен процес на последователно разграждане на глюкозата в клетките, придружен от синтеза на АТФ; при аеробни условия води до образуване на пирогроздена киселина, в анаеробни. условия води до образуването на млечна киселина. Алкохолната ферментация е ферментационна химична реакция, в резултат на която глюкозна молекула при анаеробни условия се превръща в етилов алкохол и CO2 Пар.23 Кои организми са хетеротрофи? Хетеротрофи - организми, които не са в състояние да синтезират органични вещества от неорганични (живи, гъби, много бактерии, растителни клетки, които не могат да фотосинтезират) Какви организми на Земята практически не зависят от енергията на слънчевата светлина? Хемотрофи - използват за синтеза на органични вещества енергията, отделена по време на химични трансформации органични съединения. ТЕРМИН: Хранене - съвкупност от процеси, които включват прием, храносмилане, усвояване и усвояване на хранителни вещества от организма. В процеса на хранене организмите получават химични съединения, които използват за всички жизнени процеси. Автотрофите са организми, които синтезират органични съединения от неорганични, като получават въглерод от околната среда под формата на CO2, вода и минерални соли. Хетеротрофи - организми, които не могат да синтезират органични вещества от неорганични (живи, гъби, много бактерии, растителни клетки, които не могат да фотосинтезират)

Основният източник на енергия за организмите е Слънцето. Светлинните кванти се абсорбират от хлорофила, съдържащ се в хлоропластите на зелените растителни клетки, и се натрупват под формата на енергия от химични връзки на органични вещества - продукти на фотосинтезата. Хетеротрофните клетки на растенията и животните получават енергия от различни органични вещества (въглехидрати, мазнини и протеини), синтезирани от автотрофни клетки. Наричат ​​се живи същества, които могат да използват светлинна енергия фототрофи,и енергията на химичните връзки - хемотрофи.

Процесът на изразходване на енергия и материя се нарича храна.Има два вида хранене: холозой -чрез улавяне на хранителни частици в тялото и холофитни -без улавяне, чрез усвояване на разтворените хранителни вещества през повърхностните структури на тялото. Хранителните вещества, които влизат в тялото, участват в метаболитните процеси. дишанеможе да се нарече процес, при който окислението на органичните вещества води до освобождаване на енергия. В клетките се осъществява вътрешно, тъканно или вътреклетъчно дишане. Повечето организми се характеризират аеробно дишане,което изисква кислород (фиг. 8.4). При анаероби,живеещи в среда, лишена от кислород (бактерии), или аеробипри неговия дефицит дисимилацията протича според вида ферментация(анаеробно дишане). Основните вещества, които се разграждат при дишане, са въглехидратите - резерв от първи ред. Липидите представляват резерв от втори порядък и едва при изчерпване на запасите от въглехидрати и липиди за дишане се използват протеини - резерв от трети порядък. В процеса на дишане електроните се прехвърлят през система от взаимосвързани молекули носители: загубата на електрони от молекула се нарича окисление,прикрепване на електрони към молекула (акцептор) - възстановяване,освободената в този случай енергия се съхранява в макроергичните връзки на молекулата на АТФ. Един от най-честите акцептори в биосистемите е кислородът. Енергията се освобождава на малки порции, главно в електронната транспортна верига.

енергиен обмен,или дисимилация,е набор от реакции на разцепване на органични вещества, придружени от освобождаване на енергия. В зависимост от местообитанието един процес на енергиен метаболизъм може условно да бъде разделен на няколко последователни етапа. В повечето живи организми - аероби, живеещи в кислородна среда, по време на дисимилация се извършват три етапа: подготвителен, безкислороден и кислороден, по време на който органичните вещества се разлагат до неорганични съединения.

Ориз. 8.4.

Първи етап. ATхраносмилателната системамногоклетъчните органични хранителни вещества под действието на подходящи ензими се разграждат до прости молекули: протеини - до аминокиселини, полизахариди (нишесте, гликоген) - до монозахариди (глюкоза), мазнини - до глицерол и мастни киселини, нуклеинови киселини - до нуклеотиди, и т.н. При едноклетъчните вътреклетъчното разцепване се извършва под действието на хидролитични ензими на лизозомите. ATпо време на храносмилането се отделя малко количество енергия, което се разсейва под формата на топлина и образуваните малки органични молекули могат да претърпят по-нататъшно разделяне (дисимилация) или да бъдат използвани от клетката като " строителни материали» за синтез на собствени органични съединения (асимилация).

Втора фаза- аноксична или ферментация се извършва в цитоплазмата на клетката. Веществата, образувани на подготвителния етап - глюкоза, аминокиселини и др. - претърпяват по-нататъшно ензимно разлагане без използване на кислород. Основният източник на енергия в клетката е глюкозата. Безкислородното, непълно разграждане на глюкозата (гликолиза) е многоетапен процес на разграждане на глюкозата до пирогроздена киселина (P V K), а след това до млечна, оцетна, маслена киселина или етилов алкохол, протичащ в цитоплазмата на клетката. По време на реакциите на гликолиза се отделя голямо количество енергия - 200 kJ / mol. Част от тази енергия (60%) се разсейва като топлина, останалата част (40%) се използва за синтез на АТФ. Продуктите на гликолизата са пирогроздена киселина, водород под формата на NADH (никотинамид аденин динуклеотид) и енергия под формата на АТФ.

Общата реакция на гликолизата е както следва:

При различни видове ферментация по-нататъшната съдба на продуктите от гликолизата е различна. В животински клетки, изпитващи временен недостиг на кислород, например в човешки мускулни клетки с прекомерен физическа дейност, а също и при някои бактерии се получава млечнокисела ферментация, при която PVC се редуцира до млечна киселина:

Известната млечнокисела ферментация (при вкисването на млякото, образуването на заквасена сметана, кефир и др.) се причинява от млечнокисели гъбички и бактерии. По време на алкохолна ферментация (растения, някои гъби, бирена мая) продуктите на гликолизата са етилов алкохол и CO2. В други организми продуктите на ферментация могат да бъдат бутилов алкохол, ацетон, оцетна киселина и др.

Трети етапенергиен метаболизъм - пълно окисление или аеробно дишане се случва в митохондриите. По време на цикъла на трикарбоксилните киселини (цикъл на Кребс) CO 2 се отцепва от PVA и двувъглеродният остатък се прикрепя към молекулата на коензим А с образуването на ацетил коензим А, в чиято молекула се съхранява енергия

(ацетил-КоА се образува и при окисляването на мастни киселини и някои аминокиселини). В последващия цикличен процес (фиг. 8.4) възникват взаимни превръщания на органични киселини в резултат на една молекула ацетил коензим А, две молекули CO2, четири двойки водородни атоми, пренасяни от NADH 2 и FADH 2 (флавин аденин динуклеотид) , и се образуват две ATP молекули. Протеините-носители на електрони играят важна роля в по-нататъшните процеси на окисление. Те транспортират водородни атоми до вътрешната митохондриална мембрана, където се предават по верига от протеини, вградени в мембраната. Транспортирането на частици по транспортната верига се осъществява по такъв начин, че протоните остават от външната страна на мембраната и се натрупват в междумембранното пространство, превръщайки го в резервоар на H +, а електроните се прехвърлят към вътрешната повърхност на мембраната. вътрешна митохондриална мембрана, където те в крайна сметка се комбинират с кислород:

В резултат на това вътрешната мембрана на митохондриите се зарежда отрицателно отвътре и положително отвън. Когато потенциалната разлика през мембраната достигне критично ниво (200 mV), положително заредените H+ частици започват да преминават през АТФазния канал (ензим, вграден във вътрешната митохондриална мембрана) чрез силата на електрическото поле и, веднъж попаднали във вътрешната повърхността на мембраната, взаимодействат с кислорода, образувайки вода. Процесът на този етап включва окислително фосфорилиране- добавяне на неорганичен фосфат към ADP и образуване на ATP. Приблизително 55% от енергията се съхранява в химическите връзки на АТФ, а 45% се разсейва като топлина.

Общи реакции на клетъчното дишане:

Енергията, освободена при разграждането на органичните вещества, не се използва веднага от клетката, а се складира под формата на високоенергийни съединения, обикновено под формата на аденозин трифосфат (АТФ). По своята химическа природа АТФ принадлежи към мононуклеотидите и се състои от азотна основа на аденин, въглехидрат рибоза и три остатъка от фосфорна киселина, свързани помежду си с макроергични връзки (30,6 kJ).

Енергията, освободена по време на хидролизата на АТФ, се използва от клетката за извършване на химическа, осмотична, механична и други видове работа. АТФ е универсалният енергиен източник на клетката. Доставянето на АТФ в клетката е ограничено и се попълва поради процеса на фосфорилиране, който протича с различна скорост по време на дишане, ферментация и фотосинтеза.

Точки за закрепване

• Метаболизмът се състои от два тясно свързани и противоположно насочени процеса: асимилация и дисимилация.
• По-голямата част от жизнените процеси, протичащи в клетката, изискват енергия под формата на АТФ.
• Разграждането на глюкозата в аеробните организми, при което аноксичната стъпка е последвана от разграждането на млечна киселина с участието на кислород, е 18 пъти по-енергийно ефективно от анаеробната гликолиза.

Въпроси и задачи за повторение

• 1. Какво е дисимилация? Опишете стъпките в този процес. Какво е ролята на АТФв клетъчния метаболизъм?
• 2. Разкажете ни за енергийния метаболизъм в клетката, като използвате разграждането на глюкозата като пример.
• 3. Какви организми се наричат ​​хетеротрофни? Дай примери.
• 4. Къде, в резултат на какви трансформации на молекули и в какво количество се образува АТФ в живите организми?
• 5. Какви организми се наричат ​​автотрофни? На какви групи се делят автотрофите?

По време на алкохолната ферментация, освен основните продукти - алкохол и CO 2, от захарите възникват много други, така наречените вторични ферментационни продукти. От 100 g C 6 H 12 O 6 се образуват 48,4 g етилов алкохол, 46,6 g въглероден диоксид, 3,3 g глицерол, 0,5 g янтарна киселина и 1,2 g смес от млечна киселина, ацеталдехид, ацетоин и др. органични съединения.

Заедно с това клетките на дрождите в периода на размножаване и логаритмичен растеж консумират аминокиселини от гроздова мъст, които са необходими за изграждането на собствените им протеини. В този случай се образуват странични продукти от ферментацията, главно висши алкохоли.

В съвременната схема на алкохолна ферментация има 10-12 фази на биохимични трансформации на хексози под действието на комплекс от дрождени ензими. В опростен вид могат да се разграничат три етапа на алкохолна ферментация.

азетап - фосфорилиране и разпадане на хексози.На този етап протичат няколко реакции, в резултат на които хексозата се превръща в триозен фосфат:

ATP → ADP

Основна роля в преноса на енергия при биохимичните реакции играят АТФ (аденозинтрифосфат) и АДФ (аденозиндифосфат). Те са част от ензимите, акумулират голямо количество енергия, необходима за осъществяването на жизнените процеси, и са аденозин - неразделна част от нуклеиновите киселини - с остатъци от фосфорна киселина. Първо се образува аденилова киселина (аденозин монофосфат или аденозин монофосфат - AMP):

Ако обозначим аденозин с буквата А, тогава структурата на АТФ може да бъде представена по следния начин:

A-O-R-O ~ R - O ~ R-OH

Знакът с ~ означава така наречените макроергични фосфатни връзки, които са изключително богати на енергия, която се освобождава при елиминирането на остатъците от фосфорна киселина. Прехвърлянето на енергия от ATP към ADP може да бъде представено чрез следната схема:

Освободената енергия се използва от клетките на дрождите за осигуряване на жизнени функции, по-специално тяхното възпроизвеждане. Първият акт на освобождаване на енергия е образуването на фосфорни естери на хексози - тяхното фосфорилиране. Добавянето на остатък от фосфорна киселина от АТФ към хексозите става под действието на ензима фосфохексокиназа, доставян от дрожди (означаваме фосфатната молекула с буквата P):

Глюкоза Глюкозо-6-фосфат фруктозо-1,6-фосфат

Както може да се види от горната схема, фосфорилирането се извършва два пъти и глюкозо-фосфорният естер под действието на ензима изомераза обратимо се превръща във фруктозо-фосфорен естер, който има симетричен фуранов пръстен. Симетричното разположение на остатъците от фосфорна киселина в краищата на молекулата на фруктозата улеснява нейното последващо разкъсване точно в средата. Разграждането на хексозата на две триози се катализира от ензима алдолаза; в резултат на разлагането се образува неравновесна смес от 3-фосфоглицералдехид и фосфодиоксиацетон:

Фосфоглицерол-нов алдехид (3,5%) Фосфодиохидроксиацетон (96,5%)

В по-нататъшни реакции участва само 3-фосфоглицералдехид, чието съдържание постоянно се попълва под действието на ензима изомераза върху молекулите на фосфодиоксиацетона.

II етап на алкохолна ферментация- образуване на пирогроздена киселина. На втория етап триозофосфатът под формата на 3-фосфоглицералдехид под действието на окислителния ензим дехидрогеназа се окислява до фосфоглицеринова киселина и с участието на съответните ензими (фосфоглицеромутаза и енолаза) и системата LDF-ATP се превръща в пирогроздена киселина:

Първо, всяка молекула 3-фосфоглицералдехид добавя друг остатък от фосфорна киселина към себе си (поради неорганичната фосфорна молекула) и се образува 1,3-дифосфоглицералдехид. След това при анаеробни условия се окислява до 1,3-дифосфоглицеринова киселина:

Активната група на дехидрогеназата е коензим със сложна органична структура NAD (никотинамид аденин динуклеотид), който фиксира два водородни атома със своето никотинамидно ядро:

НАД+ + 2H+ + НАД H2

НАД окислено НАД намалено

Окислявайки субстрата, коензимът NAD става собственик на свободни водородни йони, което му дава висок редукционен потенциал. Следователно ферментиращата мъст винаги се характеризира с висока редуцираща способност, която е от голямо практическо значение във винопроизводството: pH на средата намалява, временно окислените вещества се възстановяват и патогенните микроорганизми умират.

В крайната фаза II на етапа на алкохолна ферментация ензимът фосфотрансфераза два пъти катализира прехвърлянето на остатъка от фосфорна киселина и фосфоглицеромутазата го премества от 3-тия въглероден атом към 2-рия, отваряйки възможността за ензима енолаза да образува пирогроздена киселина:

1,3-дифосоглицеринова киселина 2-фосфоглицеринова киселина пирогроздена киселина

Поради факта, че от една молекула двойно фосфорилирана хексоза (консумирани 2 ATP) се получават две молекули двойно фосфорилирани триози (образуват се 4 ATP), нетният енергиен баланс на ензимното разграждане на захарите е образуването на 2 ATP. Тази енергия осигурява жизнените функции на дрождите и предизвиква повишаване на температурата на ферментационната среда.

Всички реакции, предхождащи образуването на пирогроздена киселина, са присъщи както на анаеробната ферментация на захарите, така и на дишането на най-простите организми и растения. Етап III е свързан само с алкохолна ферментация.

IIIетап на алкохолна ферментация - образуване на етилов алкохол.В крайния етап на алкохолната ферментация пирогроздената киселина се декарбоксилира под действието на ензима декарбоксилаза до образуване на ацеталдехид и въглероден диоксид, а с участието на ензима алкохолдехидрогеназа и коензима NAD-H2 ацеталдехидът се редуцира до етилов алкохол:

Пирогроздена киселина Ацетилалдехид Етанол

Ако във ферментиращата мъст има излишък от свободна сярна киселина, тогава част от ацеталдехида се свързва с алдехидното сярно съединение: във всеки литър мъст 100 mg H2SO3 свързват 66 mg CH3COH.

Впоследствие, в присъствието на кислород, това нестабилно съединение се разлага и във виноматериала се открива свободен ацеталдехид, което е особено нежелателно за шампанското и трапезното вино.

В компресирана форма анаеробното превръщане на хексоза в етилов алкохол може да бъде представено чрез следната схема:

Както се вижда от схемата на алкохолната ферментация, първо се образуват хексозофосфатни естери. В същото време молекулите на глюкозата и фруктозата под действието на ензима хексокеназа свързват остатъка от фосфорна киселина от аденозитол трифосфат (АТФ) и се образуват глюкозо-6-фосфат и аденозитол дифосфат (ADP).

Глюкозо-6-фосфатът се превръща от ензима изомераза във фруктозо-6-фосфат, който добавя друг остатък от фосфорна киселина от АТФ и образува фруктозо-1,6-дифосфат. Тази реакция се катализира от фосфофруктокиназа. Образуването на това химично съединение завършва първия подготвителен етап от анаеробното разграждане на захарите.

В резултат на тези реакции захарната молекула преминава в оксиформата, придобива по-голяма лабилност и става по-способна за ензимни трансформации.

Под въздействието на ензима алдолаза, фруктозо-1,6-дифосфатът се разцепва до глицерол алдехид фосфорна и дихидроксиацетон фосфорна киселина, които могат да се превърнат една в една под действието на ензима триозофосфат изомераза. По-нататъшна трансформация се подлага на фосфоглицералдехид, от който се образуват приблизително 3% в сравнение с 97% фосфодиоксиацетон. Фосфодиоксиацетонът с помощта на фосфоглицералдехид се превръща под действието на фосфотриоза изомераза в 3-фосфоглицералдехид.

На втория етап 3-фосфоглицералдехидът добавя друг остатък от фосфорна киселина (поради неорганичен фосфор), за да образува 1,3-дифосфоглицералдехид, който се дехидрогенира от триозофосфат дехидрогеназа и дава 1,3-дифосфоглицеринова киселина. Водородът в този случай се прехвърля в окислената форма на коензима NAD. 1,3-дифосфоглицеринова киселина, давайки ADP (под действието на ензима фосфоглицерат кеназа) един остатък от фосфорна киселина, се превръща в 3-фосфоглицеринова киселина, която под действието на ензима фосфоглицеромутаза се превръща в 2-фосфоглицеринова киселина. Последният под действието на фосфопируват хидротазата се превръща във фосфоенолпировинова киселина. Освен това, с участието на ензима пируват кеназа, фосфоенолпировиновата киселина прехвърля остатъка от фосфорна киселина към молекулата на ADP, в резултат на което се образува молекула ATP и молекулата на енолпировиновата киселина преминава в пирогроздена киселина.

Третият етап на алкохолната ферментация се характеризира с разграждането на пирогроздената киселина под действието на ензима пируват декарбоксилаза до въглероден диоксид и ацеталдехид, който се редуцира до етилов алкохол под действието на ензима алкохол дехидрогеназа (неговият коензим е NAD).

Общото уравнение за алкохолна ферментация може да бъде представено по следния начин:

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

Така по време на ферментацията една молекула глюкоза се превръща в две молекули етанол и две молекули въглероден диоксид.

Но посоченият ход на ферментация не е единственият. Ако, например, в субстрата няма ензим пируват декарбоксилаза, тогава пирогроздената киселина не се разцепва до оцетен алдехид и пирогроздената киселина се редуцира директно, превръщайки се в млечна киселина в присъствието на лактат дехидрогеназа.

Във винопроизводството ферментацията на глюкоза и фруктоза протича в присъствието на натриев бисулфит. Оцетният алдехид, образуван по време на декарбоксилирането на пирогроздена киселина, се отстранява в резултат на свързване с бисулфит. Мястото на оцетния алдехид се заема от дихидроксиацетон фосфат и 3-фосфоглицералдехид, те получават водород от редуцирани химични съединения, образувайки глицерофосфат, който се превръща в глицерол в резултат на дефосфорилиране. Това е втората форма на ферментация на Neuberg. Според тази схема на алкохолна ферментация глицеролът и ацеталдехидът се натрупват под формата на бисулфитно производно.

Вещества, образувани по време на ферментацията.

В момента в продуктите на ферментацията са открити около 50 висши алкохола, които имат разнообразни миризми и значително влияят върху аромата и букета на виното. В най-големи количества по време на ферментацията се образуват изоамилови, изобутилови и N-пропилови алкохоли. В мускатови пенливи и полусладки трапезни вина, получени чрез така наречената биологична азотна редукция, са открити ароматни висши алкохоли β-фенилетанол (FES), тирозол, терпенов алкохол фарнезол, с аромати на рози, момина сълза, липов цвят. в големи количества (до 100 mg/dm3). Желателно е присъствието им в малък брой. В допълнение, когато виното отлежава, висшите алкохоли влизат в естерификация с летливи киселини и образуват естери, които придават на виното благоприятни ефирни тонове на букетна зрялост.

Впоследствие беше доказано, че по-голямата част от алифатните висши алкохоли се образува от пирогроздена киселина чрез трансаминиране и директен биосинтез с участието на аминокиселини и ацеталдехид. Но най-ценните ароматни висши алкохоли се образуват само от съответните ароматни аминокиселини, например:

Образуването на висши алкохоли във виното зависи от много фактори. При нормални условия те се натрупват средно 250 mg/dm3. При бавна дългосрочна ферментация количеството на по-високите алкохоли се увеличава, с повишаване на температурата на ферментация до 30 ° C намалява. При условия на ферментация с непрекъснат поток възпроизвеждането на дрожди е много ограничено и висшите алкохоли се образуват по-малко, отколкото при периодична ферментация.

С намаляването на броя на клетките на дрождите в резултат на охлаждане, утаяване и груба филтрация на ферментиралата пивна мъст се получава бавно натрупване на биомаса на дрожди и в същото време се увеличава количеството на висшите алкохоли, особено ароматните серии.

Повишеното съдържание на висши алкохоли е нежелателно за сухи бели трапезни, шампанско и коняк виноматериали, но придава разнообразие от нюанси в аромата и вкуса на червени трапезни, пенливи и силни вина.

Алкохолната ферментация на гроздовата мъст също е свързана с образуването на високомолекулни алдехиди и кетони, летливи и мастни киселини и техните естери, които са важни за формирането на букета и вкуса на виното.

1. Може фото- и хемосинтезиращи организмиполучават енергия от органично окисление? Разбира се, че могат. Растенията и хемосинтетиците се характеризират с окисление, защото се нуждаят от енергия! Автотрофите обаче ще окислят онези вещества, които те самите са синтезирали.

2. Защо аеробните организми кислород? Каква е ролята на биологичното окисление? Кислородът е окончателен акцептор на електроникоито идват от по-високи енергийни нива на окисляеми вещества. По време на този процес електроните отделят значително количество енергия, а ролята на окислението е именно в това! Окисляването е загубата на електрони или водороден атом, редукцията е тяхното добавяне.

3. Каква е разликата между горене и биологично окисление? В резултат на горенето цялата енергия се освобождава напълно във формата топлина. Но при окисляването всичко е по-сложно: само 45 процента от енергията също се отделя под формата на топлина и се изразходва за поддържане на нормална телесна температура. Но 55 процента - под формата на АТФ енергияи други биологични батерии. Следователно по-голямата част от енергията все още отива за създаване високоенергийни връзки.

Етапи на енергийния метаболизъм

1. Подготвителен етапхарактеризира разграждане на полимерите до мономери(полизахаридите се превръщат в глюкоза, протеините в аминокиселини), мазнините в глицерол и мастни киселини. На този етап се отделя известно количество енергия под формата на топлина. Процесът протича в клетката лизозоми, на ниво организъм - в храносмилателната система. Ето защо след началото на процеса на храносмилане телесната температура се повишава.

2. гликолиза, или аноксичен стадий- настъпва непълно окисление на глюкозата.

3. кислороден етап- окончателното разграждане на глюкозата.

гликолиза

1. гликолизасе извършва в цитоплазмата. Глюкоза C 6 з 12 О 6 разцепен до PVC (пирогроздена киселина) C 3 з 4 О 3 - в две тривъглеродни PVC молекули. Тук участват 9 различни ензима.

1) В същото време две PVC молекули имат 4 водородни атома по-малко от глюкозата C 6 H 12 O 6, C 3 H 4 O 3 - PVC (2 молекули - C 6 H 8 O 6).

2) Къде се изразходват 4 водородни атома?Благодарение на 2 атома 2 NAD+ атома се редуцират до два NADз. Благодарение на другите 2 водородни атома PVC може да се превърне в млечна киселина C 3 з 6 О 3 .

3) И поради енергията на електроните, прехвърлени от високи енергийни нива на глюкоза към по-ниско ниво на NAD +, 2 ATP молекулиот ADP и фосфорна киселина.

4) Част от енергията се губи във формата топлина.

2. Ако в клетката няма кислород или няма достатъчно от него, тогава 2 PVC молекули се възстановяват поради две NADH до млечна киселина: 2C 3 H 4 O 3 + 2NADH + 2H + \u003d 2C 3 H 6 O 3 (млечна киселина) + 2HAD +. Наличието на млечна киселина причинява мускулни болки по време на тренировка и липса на кислород. След активно натоварване киселината се изпраща в черния дроб, където водородът се отделя от него, тоест се превръща обратно в PVC. Този PVC може да отиде в митохондриите за пълно разграждане и образуване на АТФ. Част от АТФ се използва и за превръщането на по-голямата част от PVC обратно в глюкоза чрез обръщане на гликолизата. Кръвната глюкоза ще отиде в мускулите и ще се съхранява като гликоген.

3. В резултат на това аноксично окисление на глюкозасе създава общо 2 ATP молекули.

4. Ако клетката вече има или започва да влиза в нея кислород, PVC вече не може да се възстанови до млечна киселина, а се изпраща в митохондриите, където е напълно окисление до CО 2 из 2 О.

Ферментация

1. Ферментация- това е анаеробно (безкислородно) метаболитно разграждане на молекули на различни хранителни вещества, като глюкоза.

2. Алкохолна, млечна, маслена, оцетна ферментация протича при анаеробни условия в цитоплазмата. По същество как процесът на ферментация съответства на гликолизата.

3. Алкохолната ферментация е специфична за дрожди, някои гъбички, растения, бактерии, които при безкислородни условия преминават към ферментация.

4. За решаване на проблеми е важно да знаете, че във всеки случай по време на ферментацията глюкозата се освобождава от глюкозата 2 ATP, алкохол или киселини- олио, оцет, мляко. По време на алкохолна (и маслена) ферментация не само алкохолът, АТФ, но и въглеродният диоксид се освобождават от глюкозата.

Кислороден етап на енергийния метаболизъмвключва два етапа.

1. Цикъл на трикарбоксилната киселина (цикъл на Кребс).

2. Окислително фосфорилиране.