Fermentácia v bunkách. Alkoholové kvasenie – kúzlo premeny cukru na etylalkohol, v ktorom dochádza k alkoholovému kvaseniu v rastlinných bunkách

Alkoholové kvasenie je základom prípravy akéhokoľvek alkoholického nápoja. Toto je najjednoduchší a najdostupnejší spôsob, ako získať etylalkohol. Druhý spôsob – hydratácia etylénu, je syntetický, málo používaný a len pri výrobe vodky. Pozrieme sa na vlastnosti a podmienky fermentácie, aby sme lepšie pochopili, ako sa cukor premieňa na alkohol. Z praktického hľadiska tieto poznatky pomôžu k vytvoreniu optimálneho prostredia pre kvasinky – správne dať maškrtu, víno či pivo.

Alkoholové kvasenie Kvasinky premieňajú glukózu na etylalkohol a oxid uhličitý v anaeróbnom (bezkyslíkovom) prostredí. Rovnica je nasledovná:

C6H12O6 -> 2C2H5OH + 2C02.

Výsledkom je, že jedna molekula glukózy sa premení na 2 molekuly etylalkoholu a 2 molekuly oxidu uhličitého. V tomto prípade sa uvoľňuje energia, čo vedie k miernemu zvýšeniu teploty média. Pri fermentačnom procese vznikajú aj fúzne oleje: butyl, amyl, izoamyl, izobutyl a iné alkoholy, ktoré sú vedľajšími produktmi metabolizmu aminokyselín. V mnohých ohľadoch tvoria pribudlové oleje vôňu a chuť nápoja, ale väčšina z nich je škodlivá Ľudské telo, takže výrobcovia sa snažia vyčistiť alkohol zo škodlivých fuselových olejov, ale nechávajú užitočné.

Kvasnice- Sú to jednobunkové guľovité huby (asi 1500 druhov), aktívne sa vyvíjajúce v tekutom alebo polotekutom médiu bohatom na cukry: na povrchu plodov a listov, v nektáre kvetov, odumretej fytomase a dokonca aj v pôde.

Ide o jeden z úplne prvých organizmov „skrotených“ človekom, hlavne kvasnice sa používajú na pečenie chleba a výrobu alkoholických nápojov. Archeológovia zistili, že starí Egypťania už 6000 rokov pred n. e. sa naučil vyrábať pivo a do roku 1200 pred Kr. e. zvládol pečenie kváskového chleba.

Vedecké skúmanie podstaty fermentácie sa začalo v 19. storočí, prvý chemický vzorec navrhli J. Gay-Lussac a A. Lavoisier, ale podstata procesu zostala nejasná, vznikli dve teórie. Nemecký vedec Justus von Liebig navrhol, že fermentácia je mechanickej povahy – vibrácie molekúl živých organizmov sa prenášajú na cukor, ktorý sa štiepi na alkohol a oxid uhličitý. Louis Pasteur zase veril, že základ fermentačného procesu je biologického charakteru – keď sa dosiahnu určité podmienky, kvasinky začnú spracovávať cukor na alkohol. Pasteurovi sa podarilo jeho hypotézu empiricky dokázať, neskôr biologickú podstatu fermentácie potvrdili aj ďalší vedci.

Ruské slovo „droždie“ pochádza zo staroslovanského slovesa „drozgati“, čo znamená „drviť“ alebo „miesiť“, existuje jasná súvislosť s pečením chleba. Anglický názov pre kvasinky „yeast“ zase pochádza zo staroanglických slov „gist“ a „gyst“, ktoré znamenajú „penu“, „uvoľniť plyn“ a „variť“, čo je bližšie k destilácii.

Ako surovina pre alkohol sa používa cukor, výrobky obsahujúce cukor (hlavne ovocie a bobule), ako aj suroviny obsahujúce škrob: obilie a zemiaky. Problém je v tom, že kvasinky nedokážu skvasiť škrob, takže ho najprv musíte rozložiť na jednoduché cukry, to robí enzým zvaný amyláza. Amyláza sa nachádza v slade, naklíčenom zrne, a aktivuje sa pri vysokej teplote (zvyčajne 60 – 72 °C) a proces premeny škrobu na jednoduché cukry sa nazýva „scukornatenie“. Scukorenie sladom („horkým“) možno nahradiť zavedením syntetických enzýmov, pri ktorých nie je potrebné sladinu zohrievať, preto sa tento spôsob nazýva „studené“ scukrenie.

Podmienky fermentácie

Na vývoj kvasiniek a priebeh kvasenia vplývajú tieto faktory: koncentrácia cukru, teplota a svetlo, kyslosť prostredia a prítomnosť stopových prvkov, obsah alkoholu, prístup kyslíka.

1. Koncentrácia cukru. Pre väčšinu kvasiniek je optimálny obsah cukru v mladine 10-15%. Pri koncentráciách nad 20% sa kvasenie oslabuje a pri 30-35% je takmer zaručené, že sa zastaví, pretože cukor sa stáva konzervantom, ktorý bráni kvasinkám pracovať.

Je zaujímavé, že keď je obsah cukru v médiu nižší ako 10%, kvasenie tiež prebieha zle, ale pred osladením mladiny si musíte pamätať na maximálnu koncentráciu alkoholu (4. bod) získanú počas fermentácie.

2. Teplota a svetlo. Pre väčšinu kmeňov kvasiniek optimálna teplota kvasenie - 20-26 ° C (spodné kvasenie pivovarských kvasníc vyžaduje 5-10 ° C). Prípustný rozsah je 18-30 °C. S viac nízke teploty fermentácia sa výrazne spomalí a pri hodnotách pod nulou sa proces zastaví a kvasinky „zaspia“ – upadnú do anabiózy. Na obnovenie fermentácie stačí zvýšiť teplotu.

Príliš vysoká teplota kvasinky zabije. Prah únosnosti závisí od záťaže. Vo všeobecnosti sa hodnoty nad 30-32 °C považujú za nebezpečné (najmä pre víno a pivo), existujú však samostatné rasy alkoholových kvasiniek, ktoré znesú teplotu mladiny až do 60 °C. Ak sú kvasnice „uvarené“, budete musieť do sladiny pridať novú dávku, aby sa kvasenie obnovilo.

Samotný proces fermentácie spôsobuje zvýšenie teploty o niekoľko stupňov – čím väčší je objem mladiny a čím aktívnejšie sú kvasinky, tým je zahrievanie silnejšie. V praxi sa korekcia teploty robí, ak je objem väčší ako 20 litrov – stačí udržiavať teplotu pod 3-4 stupne od hornej hranice.

Nádoba je ponechaná na tmavom mieste alebo pokrytá hustou látkou. Neprítomnosť priameho slnečného žiarenia zabraňuje prehrievaniu a má pozitívny vplyv na prácu kvasiniek – plesne nemajú rady slnečné žiarenie.

3. Kyslosť prostredia a prítomnosť stopových prvkov. Stredná kyslosť 4,0-4,5 pH podporuje alkoholové kvasenie a inhibuje vývoj mikroorganizmov tretích strán. V alkalickom prostredí sa uvoľňuje glycerol a kyselina octová. V neutrálnej sladine fermentácia prebieha normálne, ale aktívne sa rozvíjajú patogénne baktérie. Kyslosť mladiny sa upraví pred pridaním kvasníc. Často amatérski liehovarníci zvyšujú kyslosť kyselinou citrónovou alebo akoukoľvek kyslou šťavou a na zníženie muštu mušt uhasia kriedou alebo zriedia vodou.

Kvasinky okrem cukru a vody vyžadujú aj ďalšie látky – predovšetkým dusík, fosfor a vitamíny. Tieto stopové prvky používajú kvasinky na syntézu aminokyselín, ktoré tvoria ich proteín, ako aj na reprodukciu v počiatočnom štádiu fermentácie. Problém je v tom, že doma nebude možné presne určiť koncentráciu látok a prekročenie prípustných hodnôt môže negatívne ovplyvniť chuť nápoja (najmä vína). Preto sa predpokladá, že škrobové a ovocné suroviny spočiatku obsahujú potrebné množstvo vitamínov, dusíka a fosforu. Zvyčajne sa skrmuje iba čistá cukrová kaša.

4. Obsah alkoholu. Etylalkohol je na jednej strane odpadovým produktom kvasiniek, na druhej strane je silným toxínom pre kvasinkové huby. Pri koncentrácii alkoholu v mladine 3-4% sa kvasenie spomaľuje, etanol začína brzdiť rozvoj kvasiniek, pri 7-8% sa kvasinky už nerozmnožujú a pri 10-14% prestávajú spracovávať cukor - kvasenie sa zastaví . Len niekoľko kmeňov kultivovaných kvasiniek, vyšľachtených v laboratóriu, znáša koncentrácie alkoholu nad 14 % (niektoré pokračujú v kvasení aj pri 18 % a viac). Z 1% cukru v mladine sa získa asi 0,6% alkoholu. To znamená, že na získanie 12 % alkoholu je potrebný roztok s obsahom cukru 20 % (20 × 0,6 = 12).

5. Prístup ku kyslíku. V anaeróbnom prostredí (bez prístupu kyslíka) sú kvasinky zamerané na prežitie, nie na rozmnožovanie. V tomto stave sa uvoľňuje maximum alkoholu, takže vo väčšine prípadov je potrebné chrániť mladinu pred prístupom vzduchu a súčasne organizovať odstraňovanie oxidu uhličitého z nádrže, aby sa zabránilo zvýšenému tlaku. Tento problém je vyriešený inštaláciou vodného uzáveru.

Pri neustálom kontakte mladiny so vzduchom hrozí nebezpečenstvo prekysnutia. Na samom začiatku, keď je fermentácia aktívna, uvoľnený oxid uhličitý vytlačí vzduch z povrchu mladiny. Ale na konci, keď kvasenie slabne a objavuje sa stále menej a menej oxidu uhličitého, vzduch vstupuje do nezakrytej nádoby s mladinou. Pod vplyvom kyslíka sa aktivujú baktérie kyseliny octovej, ktoré začnú spracovávať etylalkohol na kyselinu octovú a vodu, čo vedie k znehodnoteniu vína, zníženiu výnosu mesačného svitu a vzniku kyslá chuť. Preto je také dôležité uzavrieť nádobu vodným uzáverom.

Kvasinky však potrebujú na svoje množenie (na dosiahnutie jeho optimálneho množstva) kyslík. Väčšinou stačí koncentrácia, ktorá je vo vode, ale pre zrýchlené rozmnožovanie záparu sa po pridaní kvasníc nechá niekoľko hodín otvorené (s prístupom vzduchu) a niekoľkokrát sa premieša.

Par.22 V bunkách ktorých organizmov prebieha alkoholové kvasenie? Väčšina rastlinné bunky ako aj v bunkách niektorých húb (napríklad kvasiniek) namiesto glykolýzy dochádza k alkoholovej fermentácii, v anaeróbnych podmienkach sa molekula glukózy mení na etylalkohol a CO2. Odkiaľ pochádza energia na syntézu ATP z ADP? Uvoľňuje sa v procese disimilácie, t.j. pri reakciách štiepenia organických látok v bunke. V závislosti od špecifík organizmu a podmienok jeho biotopu môže disimilácia prebiehať v dvoch alebo troch etapách. Aké sú fázy energetického metabolizmu? 1 - prípravný, končiaci rozkladom veľkých organických molekúl na jednoduchšie: polys.-monózy., lipidy-glyk. a tuk. kyseliny, bielkoviny-a.k. Štiepenie sa vyskytuje v PS. Uvoľňuje sa málo energie, zatiaľ čo sa rozptýli vo forme tepla. Výsledné zlúčeniny (monosaky, mastné kyseliny, a.k., atď.) môže bunka využiť pri formovacích výmenných reakciách, ako aj na ďalšiu expanziu za účelom získania energie. 2- anoxický = glykolýza (enzymatický proces postupného rozkladu glukózy v bunkách, sprevádzaný syntézou ATP; za aeróbnych podmienok vedie k tvorbe kyseliny pyrohroznovej, za anaeróbnych k tvorbe kyseliny mliečnej); С6Н12О6 + 2Н3Р04 + 2ADP --- 2С3Н6О3 + 2ATP + 2Н2О. spočíva v enzymatickom rozklade org.vest-in, ktoré boli získané počas prípravného štádia. O2 sa na reakciách tohto štádia nezúčastňuje. Reakcie glykolýzy sú katalyzované mnohými enzýmami a prebiehajú v cytoplazme buniek. 40 % energie je uložených v molekulách ATP, 60 % sa rozptýli ako teplo. Glukóza sa nerozkladá na konečné produkty (CO2 a H2O), ale na zlúčeniny, ktoré sú stále bohaté na energiu a po ďalšej oxidácii ju môžu poskytnúť vo veľkých množstvách (kyselina mliečna, etylalkohol atď.). 3- kyslík (bunkové dýchanie); organické látky vzniknuté v 2. stupni a obsahujúce veľké zásoby chemickej energie sa oxidujú na finálne produkty CO2 a H2O. Tento proces prebieha v mitochondriách. V dôsledku bunkového dýchania sa počas rozpadu dvoch molekúl kyseliny mliečnej syntetizuje 36 molekúl ATP: 2C3H6O3 + 6O2 + 36ADP + 36H3PO4 - 6CO2 + 42H2O + 36ATP. Uvoľňuje sa veľké množstvo energie, 55 % sa ukladá vo forme ATP, 45 % sa odvádza vo forme tepla. Aký je rozdiel medzi energetickým metabolizmom v aeróboch a anaeróboch? Väčšina živých tvorov, ktoré žijú na Zemi, sú aeróby, t.j. používané v procesoch OV O2 z životné prostredie. V aeróboch prebieha výmena energie v 3 etapách: prípravná, bezkyslíková a kyslíková. V dôsledku toho sa organická hmota rozkladá na najjednoduchšie anorganické zlúčeniny. V organizmoch, ktoré žijú v bezkyslíkovom prostredí a nepotrebujú kyslík – anaeróby, ako aj u aeróbov s nedostatkom kyslíka prebieha asimilácia v dvoch fázach: prípravnej a bezkyslíkatej. Pri dvojstupňovej verzii výmeny energie sa ukladá oveľa menej energie ako pri trojstupňovej. POJMY: Fosforylácia je pripojenie 1 zvyšku kyseliny fosforečnej na molekulu ADP. Glykolýza je enzymatický proces postupného rozkladu glukózy v bunkách, sprevádzaný syntézou ATP; za aeróbnych podmienok vedie k tvorbe kyseliny pyrohroznovej, na anaeróbnu. podmienok vedie k tvorbe kyseliny mliečnej. Alkoholová fermentácia je fermentačná chemická reakcia, v dôsledku ktorej sa molekula glukózy za anaeróbnych podmienok mení na etylalkohol a CO2 Par.23 Ktoré organizmy sú heterotrofy? Heterotrofy - organizmy, ktoré nie sú schopné syntetizovať organické látky z anorganických (živé, huby, mnohé baktérie, rastlinné bunky, nie sú schopné fotosyntézy) Aké organizmy na Zemi prakticky nezávisia od energie slnečného žiarenia? Chemotrofy - využívajú na syntézu organických látok energiu uvoľnenú pri chemických premenách Organické zlúčeniny. POJMY: Výživa - súbor procesov, ktoré zahŕňajú príjem, trávenie, vstrebávanie a asimiláciu živín telom. V procese výživy dostávajú organizmy chemické zlúčeniny, ktoré využívajú na všetky životné procesy. Autotrofy sú organizmy, ktoré syntetizujú organické zlúčeniny z anorganických, pričom dostávajú uhlík z prostredia vo forme CO2, vody a minerálnych solí. Heterotrofy - organizmy, ktoré nie sú schopné syntetizovať organické látky z anorganických (živé, huby, mnohé baktérie, rastlinné bunky, neschopné fotosyntézy)

Primárnym zdrojom energie pre organizmy je Slnko. Svetelné kvantá sú absorbované chlorofylom obsiahnutým v chloroplastoch buniek zelených rastlín a hromadia sa vo forme energie chemických väzieb organických látok – produktov fotosyntézy. Heterotrofné bunky rastlín a živočíchov prijímajú energiu z rôznych organických látok (sacharidy, tuky a bielkoviny), ktoré syntetizujú autotrofné bunky. Živé bytosti, ktoré dokážu využívať svetelnú energiu, sa nazývajú fototrofy, a energia chemických väzieb - chemotrofy.

Proces spotrebovávania energie a hmoty je tzv jedlo. Existujú dva typy výživy: holozoikum - zachytením čiastočiek potravy vo vnútri tela a holofytický - bez zachytávania, cez vstrebávanie rozpustených živín cez povrchové štruktúry tela. Živiny, ktoré vstupujú do tela, sa podieľajú na metabolických procesoch. Dýchanie možno nazvať proces, pri ktorom oxidácia organických látok vedie k uvoľneniu energie. V bunkách dochádza k vnútornému, tkanivovému alebo intracelulárnemu dýchaniu. Väčšina organizmov je charakterizovaná aeróbne dýchanie, ktorý vyžaduje kyslík (obr. 8.4). O anaeróby,žijúci v prostredí zbavenom kyslíka (baktérie), príp aeróby pri jeho nedostatku postupuje disimilácia podľa druhu fermentácia(anaeróbne dýchanie). Hlavnými látkami, ktoré sa rozkladajú pri dýchaní, sú sacharidy - rezerva prvého rádu. Lipidy predstavujú rezervu druhého rádu a až pri vyčerpaní zásob sacharidov a lipidov sa na dýchanie využívajú bielkoviny – rezerva tretieho rádu. V procese dýchania sa elektróny prenášajú cez systém vzájomne prepojených nosných molekúl: strata elektrónov molekulou je tzv. oxidácia, pripojenie elektrónov na molekulu (akceptor) - zotavenie, uvoľnená energia je v tomto prípade uložená v makroergických väzbách molekuly ATP. Jedným z najbežnejších akceptorov v biosystémoch je kyslík. Energia sa uvoľňuje v malých častiach, hlavne v reťazci prenosu elektrónov.

výmena energie, alebo disimilácia, je súbor reakcií štiepenia organických látok, sprevádzaných uvoľňovaním energie. V závislosti od biotopu môže byť jeden proces energetického metabolizmu podmienene rozdelený do niekoľkých po sebe nasledujúcich etáp. Vo väčšine živých organizmov - aeróbov žijúcich v kyslíkovom prostredí sa pri disimilácii uskutočňujú tri stupne: prípravná, bezkyslíková a kyslíková, počas ktorých sa organické látky rozkladajú na anorganické zlúčeniny.

Ryža. 8.4.

Prvé štádium. ATzažívacie ústrojenstvo viacbunkové organické potravinové látky sa pôsobením príslušných enzýmov rozkladajú na jednoduché molekuly: bielkoviny - na aminokyseliny, polysacharidy (škrob, glykogén) - na monosacharidy (glukóza), tuky - na glycerol a mastné kyseliny, nukleové kyseliny - na nukleotidy, atď. V jednobunkovosti dochádza k intracelulárnemu štiepeniu pôsobením hydrolytických enzýmov lyzozómov. AT pri trávení sa uvoľní malé množstvo energie, ktorá sa rozptýli vo forme tepla a vzniknuté malé organické molekuly môžu podliehať ďalšiemu štiepeniu (disimilácii) alebo môžu byť bunkou využité ako „ Stavebný Materiál» na syntézu vlastných organických zlúčenín (asimilácia).

Druhá fáza- anoxická alebo fermentácia prebieha v cytoplazme bunky. Látky vznikajúce v prípravnom štádiu – glukóza, aminokyseliny atď. – podliehajú ďalšiemu enzymatickému rozkladu bez použitia kyslíka. Hlavným zdrojom energie v bunke je glukóza. Bezkyslíkový, neúplný rozklad glukózy (glykolýza) je viacstupňový proces rozkladu glukózy na kyselinu pyrohroznovú (PVK) a potom na kyselinu mliečnu, octovú, maslovú alebo etylalkohol, ktorý sa vyskytuje v cytoplazme bunky. Pri reakciách glykolýzy sa uvoľňuje veľké množstvo energie - 200 kJ / mol. Časť tejto energie (60 %) sa rozptýli ako teplo, zvyšok (40 %) sa použije na syntézu ATP. Produktmi glykolýzy sú kyselina pyrohroznová, vodík vo forme NADH (nikotínamid adenín dinukleotid) a energia vo forme ATP.

Celková reakcia glykolýzy je nasledovná:

Pri rôznych typoch fermentácie je ďalší osud produktov glykolýzy odlišný. V živočíšnych bunkách dochádza k dočasnému nedostatku kyslíka, napríklad v ľudských svalových bunkách s nadmerným fyzická aktivita a tiež u niektorých baktérií dochádza k mliečnej fermentácii, pri ktorej sa PVC redukuje na kyselinu mliečnu:

Známe mliečne kvasenie (pri kysnutí mlieka, tvorbe kyslej smotany, kefíru a pod.) spôsobujú mliečne plesne a baktérie. Pri alkoholovom kvasení (rastliny, niektoré huby, pivovarské kvasnice) sú produktmi glykolýzy etylalkohol a CO2. V iných organizmoch môžu byť fermentačnými produktmi butylalkohol, acetón, kyselina octová atď.

Tretia etapa energetický metabolizmus – v mitochondriách prebieha úplná oxidácia, čiže aeróbne dýchanie. Počas cyklu trikarboxylových kyselín (Krebsov cyklus) sa z PVA odštiepi CO2 a dvojuhlíkový zvyšok sa naviaže na molekulu koenzýmu A za vzniku acetylkoenzýmu A, v molekule ktorého je uložená energia.

(acetyl-CoA vzniká aj pri oxidácii mastných kyselín a niektorých aminokyselín). V následnom cyklickom procese (obr. 8.4) dochádza k interkonverziám organických kyselín v dôsledku toho, že z jednej molekuly acetylkoenzýmu A, dvoch molekúl CO2, štyroch párov atómov vodíka nesených NADH 2 a FADH 2 (flavínadeníndinukleotid) a vytvoria sa dve molekuly ATP. Proteíny elektrónových nosičov hrajú dôležitú úlohu v ďalších oxidačných procesoch. Prenášajú atómy vodíka do vnútornej mitochondriálnej membrány, kde sú prenášané pozdĺž reťazca proteínov zabudovaných do membrány. Transport častíc po transportnom reťazci prebieha tak, že protóny zostávajú na vonkajšej strane membrány a hromadia sa v medzimembránovom priestore, čím sa mení na zásobník H + a elektróny sa prenášajú na vnútorný povrch membrány. vnútorná mitochondriálna membrána, kde sú nakoniec kombinované s kyslíkom:

Výsledkom je, že vnútorná membrána mitochondrií je negatívne nabitá zvnútra a pozitívne zvonku. Keď potenciálny rozdiel na membráne dosiahne kritickú úroveň (200 mV), kladne nabité častice H+ sa začnú pretláčať cez kanál ATPázy (enzým zabudovaný do vnútornej mitochondriálnej membrány) silou elektrického poľa a po dosiahnutí vnútornej povrchu membrány interagujú s kyslíkom a vytvárajú vodu. Proces v tejto fáze zahŕňa Oxidačná fosforylácia- pridanie anorganického fosfátu k ADP a tvorba ATP. Približne 55 % energie je uložených v chemických väzbách ATP a 45 % sa rozptýli ako teplo.

Celkové reakcie bunkového dýchania:

Energia uvoľnená pri rozklade organických látok nie je bunkou okamžite využitá, ale je uložená vo forme vysokoenergetických zlúčenín, zvyčajne vo forme adenozíntrifosfátu (ATP). Svojou chemickou podstatou patrí ATP k mononukleotidom a pozostáva z dusíkatej bázy adenínu, sacharidu ribózy a troch zvyškov kyseliny fosforečnej, ktoré sú vzájomne prepojené makroergickými väzbami (30,6 kJ).

Energiu uvoľnenú počas hydrolýzy ATP bunka využíva na vykonávanie chemickej, osmotickej, mechanickej a inej práce. ATP je univerzálnym zdrojom energie bunky. Zásoba ATP v bunke je obmedzená a dopĺňaná v dôsledku procesu fosforylácie, ktorý prebieha rôznou rýchlosťou počas dýchania, fermentácie a fotosyntézy.

Kotviace body

• Metabolizmus pozostáva z dvoch úzko prepojených a opačne smerovaných procesov: asimilácie a disimilácie.
• Prevažná väčšina životných procesov prebiehajúcich v bunke vyžaduje energiu vo forme ATP.
• Rozklad glukózy v aeróbnych organizmoch, pri ktorom po anoxickom kroku nasleduje rozklad kyseliny mliečnej za účasti kyslíka, je 18-krát energeticky efektívnejší ako anaeróbna glykolýza.

Otázky a úlohy na zopakovanie

• 1. Čo je disimilácia? Opíšte kroky v tomto procese. Čo je úloha ATP v bunkovom metabolizme?
• 2. Povedzte nám o energetickom metabolizme v bunke na príklade rozkladu glukózy.
• 3. Ktoré organizmy sa nazývajú heterotrofné? Uveďte príklady.
• 4. Kde v dôsledku akých premien molekúl a v akom množstve vzniká ATP v živých organizmoch?
• 5. Ktoré organizmy sa nazývajú autotrofné? Do akých skupín sa delia autotrofy?

Pri alkoholovom kvasení vzniká z cukrov okrem hlavných produktov – alkoholu a CO 2 aj mnoho ďalších, takzvaných produktov sekundárneho kvasenia. Zo 100 g C 6 H 12 O 6 vzniká 48,4 g etylalkoholu, 46,6 g oxidu uhličitého, 3,3 g glycerolu, 0,5 g kyseliny jantárovej a 1,2 g zmesi kyseliny mliečnej, acetaldehydu, acetoínu a i. Organické zlúčeniny.

Spolu s tým kvasinkové bunky v období rozmnožovania a logaritmického rastu spotrebúvajú z hroznového muštu aminokyseliny, ktoré sú potrebné na stavbu vlastných bielkovín. V tomto prípade vznikajú vedľajšie produkty kvasenia, hlavne vyššie alkoholy.

V modernej schéme alkoholovej fermentácie existuje 10-12 fáz biochemických premien hexóz pôsobením komplexu kvasinkových enzýmov. V zjednodušenej forme možno rozlíšiť tri stupne alkoholového kvasenia.

jaštádium - fosforylácia a rozpad hexóz. V tomto štádiu dochádza k niekoľkým reakciám, v dôsledku ktorých sa hexóza premieňa na triózafosfát:

ATP → ADP

Hlavnú úlohu pri prenose energie pri biochemických reakciách zohráva ATP (adenozíntrifosfát) a ADP (adenozíndifosfát). Sú súčasťou enzýmov, akumulujú veľké množstvo energie potrebnej na realizáciu životných procesov a sú adenozínom – neoddeliteľnou súčasťou nukleových kyselín – so zvyškami kyseliny fosforečnej. Najprv sa vytvorí kyselina adenylová (adenozínmonofosfát alebo adenozínmonofosfát - AMP):

Ak označíme adenozín písmenom A, štruktúra ATP môže byť znázornená takto:

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

Znamienko s ~ označuje takzvané makroergické fosfátové väzby, ktoré sú mimoriadne bohaté na energiu, ktorá sa uvoľňuje pri odstraňovaní zvyškov kyseliny fosforečnej. Prenos energie z ATP do ADP môže byť znázornený nasledujúcou schémou:

Uvoľnenú energiu využívajú kvasinkové bunky na zabezpečenie životných funkcií, najmä ich rozmnožovanie. Prvým aktom uvoľnenia energie je tvorba fosforečných esterov hexóz – ich fosforylácia. K adícii zvyšku kyseliny fosforečnej z ATP na hexózy dochádza pôsobením enzýmu fosfohexokinázy dodávaného kvasinkami (molekulu fosfátu označujeme písmenom P):

Glukóza Glukóza-6-fosfát fruktóza-1,6-fosfát

Ako je možné vidieť z vyššie uvedenej schémy, fosforylácia nastáva dvakrát a ester glukózo-fosforu sa pôsobením enzýmu izomerázy reverzibilne premení na ester fruktózy a fosforu, ktorý má symetrický furánový kruh. Symetrické usporiadanie zvyškov kyseliny fosforečnej na koncoch molekuly fruktózy uľahčuje jej následné pretrhnutie práve v strede. Rozklad hexózy na dve triózy je katalyzovaný enzýmom aldoláza; v dôsledku rozkladu vzniká nerovnovážna zmes 3-fosfoglyceraldehydu a fosfodioxyacetónu:

Fosfoglycerol-nový aldehyd (3,5 %) Fosfodiohydroxyacetón (96,5 %)

Na ďalších reakciách sa podieľa už len 3-fosfoglyceraldehyd, ktorého obsah sa pôsobením enzýmu izomerázy na molekuly fosfodioxyacetónu neustále dopĺňa.

II stupeň alkoholového kvasenia- tvorba kyseliny pyrohroznovej. V druhom stupni sa triózafosfát vo forme 3-fosfoglyceraldehydu pôsobením oxidačného enzýmu dehydrogenázy oxiduje na kyselinu fosfoglycerínovú a za účasti zodpovedajúcich enzýmov (fosfoglyceromutázy a enolázy) a LDF-ATP systému sa mení na do kyseliny pyrohroznovej:

Po prvé, každá molekula 3-fosfoglyceraldehydu k sebe pridá ďalší zvyšok kyseliny fosforečnej (kvôli molekule anorganického fosforu) a vytvorí sa 1,3-difosfoglyceraldehyd. Potom sa za anaeróbnych podmienok oxiduje na kyselinu 1,3-difosfoglycerínovú:

Aktívnou skupinou dehydrogenázy je koenzým komplexnej organickej štruktúry NAD (nikotínamid adenín dinukleotid), ktorý svojim nikotínamidovým jadrom fixuje dva atómy vodíka:

NAD+ + 2H+ + NAD H2

OVER oxidovaný OVER znížený

Oxidáciou substrátu sa koenzým NAD stáva vlastníkom voľných vodíkových iónov, čo mu dáva vysoký redukčný potenciál. Preto sa kvasiaci mušt vždy vyznačuje vysokou redukčnou schopnosťou, ktorá má pri výrobe vína veľký praktický význam: pH média sa znižuje, dočasne sa obnovujú oxidované látky, odumierajú patogénne mikroorganizmy.

V záverečnej fáze II štádia alkoholovej fermentácie enzým fosfotransferáza dvakrát katalyzuje prenos zvyšku kyseliny fosforečnej a fosfoglyceromutáza ho presúva z 3. atómu uhlíka na 2., čím sa otvára možnosť enzýmu enolázy vytvárať kyselinu pyrohroznovú:

Kyselina 1,3-difosoglycerová Kyselina 2-fosfoglycerová Kyselina pyrohroznová

Vzhľadom na to, že z jednej molekuly dvojnásobne fosforylovanej hexózy (spotrebované 2 ATP) sa získajú dve molekuly dvojnásobne fosforylovaných trióz (vzniknú 4 ATP), je čistou energetickou bilanciou enzymatického rozkladu cukrov tvorba 2 ATP. Táto energia zabezpečuje vitálne funkcie kvasiniek a spôsobuje zvýšenie teploty fermentačného média.

Všetky reakcie predchádzajúce vzniku kyseliny pyrohroznovej sú vlastné anaeróbnej fermentácii cukrov, ako aj dýchaniu najjednoduchších organizmov a rastlín. Stupeň III súvisí len s alkoholovým kvasením.

IIIštádium alkoholového kvasenia – vznik etylalkoholu. V konečnom štádiu alkoholovej fermentácie sa kyselina pyrohroznová dekarboxyluje pôsobením enzýmu dekarboxylázy za vzniku acetaldehydu a oxidu uhličitého a za účasti enzýmu alkoholdehydrogenázy a koenzýmu NAD-H2 sa acetaldehyd redukuje na etylalkohol:

Acetylaldehyd kyseliny pyrohroznovej Etanol

Ak je v kvasiacej mladine nadbytok voľnej kyseliny sírovej, potom sa časť acetaldehydu viaže na aldehydovú zlúčeninu síry: v každom litri mladiny 100 mg H2SO3 viaže 66 mg CH3COH.

Následne sa v prítomnosti kyslíka táto nestabilná zlúčenina rozkladá a vo vínnom materiáli sa nachádza voľný acetaldehyd, ktorý je nežiaduci najmä pre materiály na šampanské a stolové víno.

V stlačenej forme môže byť anaeróbna konverzia hexózy na etylalkohol znázornená nasledujúcou schémou:

Ako je zrejmé zo schémy alkoholovej fermentácie, najskôr sa tvoria hexózafosfátové estery. Súčasne molekuly glukózy a fruktózy pôsobením enzýmu hexokenázy pripájajú zvyšok kyseliny fosforečnej z adenozitoltrifosfátu (ATP) a vytvárajú sa glukóza-6-fosfát a adenositoldifosfát (ADP).

Glukóza-6-fosfát sa premieňa enzýmom izomerázou na fruktóza-6-fosfát, ktorý pridáva ďalší zvyšok kyseliny fosforečnej z ATP a vytvára fruktóza-1,6-difosfát. Táto reakcia je katalyzovaná fosfofruktokinázou. Vznikom tejto chemickej zlúčeniny sa končí prvý prípravný stupeň anaeróbneho rozkladu cukrov.

V dôsledku týchto reakcií molekula cukru prechádza do oxyformy, získava väčšiu labilitu a stáva sa schopnejšou enzymatických premien.

Vplyvom enzýmu aldolázy sa fruktóza-1,6-difosfát štiepi na glycerolaldehydfosforečnú a dihydroxyacetónfosforečnú kyselinu, ktoré je možné pôsobením enzýmu triózafosfátizomerázy premeniť na jednu. Ďalšia transformácia podlieha fosfoglyceraldehydu, z ktorého sa tvoria približne 3 % v porovnaní s 97 % fosfodioxyacetónu. Fosfodioxyacetón sa s použitím fosfoglyceraldehydu premieňa pôsobením fosfotriózaizomerázy na 3-fosfoglyceraldehyd.

V druhom stupni 3-fosfoglyceraldehyd pridáva ďalší zvyšok kyseliny fosforečnej (v dôsledku anorganického fosforu) za vzniku 1,3-difosfoglyceraldehydu, ktorý je dehydrogenovaný triózofosfátdehydrogenázou a poskytuje kyselinu 1,3-difosfoglycerínovú. Vodík sa v tomto prípade prenesie na oxidovanú formu koenzýmu NAD. Kyselina 1,3-difosfoglycerová, ktorá dáva ADP (pôsobením enzýmu fosfoglycerátkenázy) jeden zvyšok kyseliny fosforečnej, sa mení na kyselinu 3-fosfoglycerínovú, ktorá sa pôsobením enzýmu fosfoglyceromutázy mení na kyselinu 2-fosfoglycerínovú. Ten sa pôsobením fosfopyruváthydrotázy premieňa na kyselinu fosfoenolpyrohroznovú. Ďalej, za účasti enzýmu pyruvátkenázy, kyselina fosfoenolpyrohroznová prenáša zvyšok kyseliny fosforečnej na molekulu ADP, v dôsledku čoho sa vytvorí molekula ATP a molekula kyseliny enolpyrohroznovej prechádza na kyselinu pyrohroznovú.

Tretí stupeň alkoholového kvasenia je charakterizovaný rozkladom kyseliny pyrohroznovej pôsobením enzýmu pyruvátdekarboxylázy na oxid uhličitý a acetaldehyd, ktorý sa pôsobením enzýmu alkoholdehydrogenázy redukuje na etylalkohol (jeho koenzýmom je NAD).

Celková rovnica pre alkoholové kvasenie môže byť znázornená nasledovne:

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

Počas fermentácie sa teda jedna molekula glukózy premení na dve molekuly etanolu a dve molekuly oxidu uhličitého.

Naznačený priebeh kvasenia ale nie je jediný. Ak napríklad v substráte nie je enzým pyruvátdekarboxyláza, potom sa kyselina pyrohroznová neštiepi na aldehyd kyseliny a kyselina pyrohroznová sa priamo redukuje, pričom sa v prítomnosti laktátdehydrogenázy mení na kyselinu mliečnu.

Pri výrobe vína prebieha fermentácia glukózy a fruktózy v prítomnosti hydrogénsiričitanu sodného. Acetaldehyd, ktorý vzniká pri dekarboxylácii kyseliny pyrohroznovej, sa odstraňuje v dôsledku väzby s bisulfitom. Miesto aldehydu kyseliny octovej zaujíma dihydroxyacetónfosfát a 3-fosfoglyceraldehyd, vodík prijímajú z redukovaných chemických zlúčenín, pričom vzniká glycerofosfát, ktorý sa v dôsledku defosforylácie mení na glycerol. Ide o druhú formu Neubergovej fermentácie. Podľa tejto schémy alkoholovej fermentácie sa glycerol a acetaldehyd akumulujú vo forme bisulfitového derivátu.

Látky vznikajúce pri kvasení.

V súčasnosti sa v produktoch kvasenia našlo asi 50 vyšších alkoholov, ktoré majú rôznorodú vôňu a výrazne ovplyvňujú vôňu a buket vína. V najväčšom množstve pri fermentácii vznikajú alkoholy izoamyl, izobutyl a N-propyl. V muškátových šumivých a polosladkých stolových vínach získaných takzvanou biologickou redukciou dusíka sa našli aromatické vyššie alkoholy β-fenyletanol (FES), tyrozol, terpénalkohol farnesol, s arómou ruže, konvalinky, lipových kvetov. vo veľkých množstvách (až 100 mg/dm3). Ich prítomnosť v malom počte je žiaduca. Navyše pri starnutí vína vyššie alkoholy vstupujú do esterifikácie s prchavými kyselinami a tvoria estery, ktoré dodávajú vínu priaznivé éterické tóny buketovej zrelosti.

Následne sa dokázalo, že väčšina alifatických vyšších alkoholov vzniká z kyseliny pyrohroznovej transamináciou a priamou biosyntézou za účasti aminokyselín a acetaldehydu. Ale najcennejšie aromatické vyššie alkoholy sa tvoria iba zo zodpovedajúcich aromatických aminokyselín, napríklad:

Tvorba vyšších alkoholov vo víne závisí od mnohých faktorov. Za normálnych podmienok akumulujú v priemere 250 mg/dm3. Pri pomalom dlhodobom kvasení sa množstvo vyšších alkoholov zvyšuje, pri zvýšení teploty kvasenia na 30 °C klesá. V podmienkach kontinuálnej prietokovej fermentácie je rozmnožovanie kvasiniek veľmi obmedzené a vyšších alkoholov sa tvorí menej ako pri vsádzkovej fermentácii.

Pri znižovaní počtu buniek kvasiniek v dôsledku ochladzovania, usadzovania a hrubej filtrácie kvasenej mladiny dochádza k pomalému hromadeniu kvasničnej biomasy a zároveň sa zvyšuje množstvo vyšších alkoholov, najmä aromatického radu.

Zvýšené množstvo vyšších alkoholov je nežiaduce pre suché biele stolové, šampanské a koňakové vínne materiály, dáva však rozmanitosť odtieňov vo vôni a chuti červeným stolovým, šumivým a silným vínam.

Alkoholové kvasenie hroznového muštu je spojené aj s tvorbou vysokomolekulárnych aldehydov a ketónov, prchavých a mastných kyselín a ich esterov, ktoré sú dôležité pri tvorbe buketu a chuti vína.

1. Môže foto- a chemosyntetické organizmy získať energiu z organická oxidácia? Samozrejme, že môžu. Rastliny a chemosyntetiká sa vyznačujú oxidáciou, pretože potrebujú energiu! Autotrofy však oxidujú tie látky, ktoré sami syntetizovali.

2. Prečo aeróbne organizmy kyslík? Aká je úloha biologickej oxidácie? Kyslík je konečný akceptor elektrónov ktoré pochádzajú z vyšších energetických hladín oxidovateľných látok. Počas tohto procesu elektróny uvoľňujú značné množstvo energie, a práve v tomto je úloha oxidácie! Oxidácia je strata elektrónov alebo atómu vodíka, redukcia je ich pridanie.

3. Aký je rozdiel medzi spaľovaním a biologickou oxidáciou? V dôsledku spaľovania sa všetka energia úplne uvoľní vo forme teplo. Ale s oxidáciou je všetko komplikovanejšie: iba 45 percent energie sa uvoľňuje aj vo forme tepla a minie sa na udržanie normálnej telesnej teploty. Ale 55 percent - vo forme energie ATP a iné biologické batérie. Preto väčšina energie stále ide na tvorbu vysokoenergetické spojenia.

Etapy energetického metabolizmu

1. Prípravná fáza charakterizovaný štiepenie polymérov na monoméry(polysacharidy sa premieňajú na glukózu, bielkoviny na aminokyseliny), tuky na glycerol a mastné kyseliny. V tejto fáze sa uvoľňuje určité množstvo energie vo forme tepla. Proces prebieha v bunke lyzozómy, na úrovni organizmu - in zažívacie ústrojenstvo. To je dôvod, prečo po začatí procesu trávenia stúpa telesná teplota.

2. glykolýza, alebo anoxické štádium- dochádza k neúplnej oxidácii glukózy.

3. kyslíkové štádium- konečný rozklad glukózy.

glykolýza

1. glykolýza prebieha v cytoplazme. Glukóza C 6 H 12 O 6 štiepi sa na PVC (kyselina pyrohroznová) C 3 H 4 O 3 - na dve trojuhlíkové molekuly PVC. Je tu zahrnutých 9 rôznych enzýmov.

1) Súčasne dve molekuly PVC majú o 4 atómy vodíka menej ako glukóza C 6 H 12 O 6, C 3 H 4 O 3 - PVC (2 molekuly - C 6 H 8 O 6).

2) Kde sa minú 4 atómy vodíka? Vďaka 2 atómom 2 atómy NAD+ sa redukujú na dva NADH. Vďaka ďalším 2 atómom vodíka sa PVC môže zmeniť na kyselina mliečna C 3 H 6 O 3 .

3) A vďaka energii elektrónov prenesenej z vysokých energetických hladín glukózy na nižšiu hladinu NAD+, 2 molekuly ATP z ADP a kyseliny fosforečnej.

4) Časť energie sa premrhá vo forme teplo.

2. Ak v bunke nie je kyslík, alebo je ho málo, tak sa vďaka dvom NADH obnovia 2 molekuly PVC. kyselina mliečna: 2C3H403 + 2NADH + 2H + \u003d 2C3H603 (kyselina mliečna) + 2HAD +. Prítomnosť kyseliny mliečnej spôsobuje bolesť svalov pri cvičení a nedostatok kyslíka. Po aktívnej záťaži sa kyselina posiela do pečene, kde sa z nej odštiepi vodík, čiže sa premení späť na PVC. Tento PVC môže ísť do mitochondrií, kde dôjde k úplnému rozpadu a tvorbe ATP. Časť ATP sa tiež používa na premenu väčšiny PVC späť na glukózu reverznou glykolýzou. Glukóza v krvi pôjde do svalov a bude uložená ako glykogén.

3. V dôsledku toho anoxická oxidácia glukózy je vytvorený celkom 2 molekuly ATP.

4. Ak bunka už má, alebo do nej začína vstupovať kyslík PVC už nemôže byť obnovené na kyselinu mliečnu, ale je poslané do mitochondrií, kde je úplne oxidácia na CO 2 aH 2 O.

Fermentácia

1. Fermentácia- ide o anaeróbny (bezkyslíkový) metabolický rozklad molekúl rôznych živín, napríklad glukózy.

2. Alkoholová, mliečna, maslová, octová fermentácia prebieha za anaeróbnych podmienok v cytoplazme. V podstate ako proces fermentácie zodpovedá glykolýze.

3. Alkoholové kvasenie je špecifické pre kvasinky, niektoré huby, rastliny, baktérie, ktoré v anoxických podmienkach prechádzajú na kvasenie.

4. Na vyriešenie problémov je dôležité vedieť, že v každom prípade sa počas fermentácie uvoľňuje glukóza z glukózy 2 ATP, alkohol alebo kyseliny- olej, ocot, mlieko. Pri alkoholovej (a maslovej) fermentácii sa z glukózy uvoľňuje nielen alkohol, ATP, ale aj oxid uhličitý.

Kyslíkové štádium energetického metabolizmu zahŕňa dve etapy.

1. Cyklus trikarboxylových kyselín (Krebsov cyklus).

2. Oxidačná fosforylácia.