Химизм спиртового брожения

В результате спиртового брожения молекула гексозы распа­дается на 2 молекулы этилового спирта и 2 молекулы углекис­лоты по уравнению, предложенному Гей-Люссаком.

В процессе брожения в результате распада углеводов освобо­ждается некоторое количество энергии, необходимой для жизнедеятельности дрожжей:

С6 н1206 = 2с3 н6он + 2с02 + 28 ккал.

Но это уравнение показывает только конечный результат. В действительности процесс превращения сахара в спирт несравненно сложнее. Брожение представляет собой организо­ванную цепь химических процессов, протекающих в несколько стадий, непрерывно следующих друг за другом. Как отмечалось ранее, вопросу изучения химизма спиртового брожения посвя­щены работы многих отечественных и зарубежных ученых.

Изучение процессов брожения, вызываемых живыми дрожжа­ми, представляет значительные методические трудности. Поэто­му установить химизм спиртового брожения возможно было только после открытия бесклеточного брожения. В этом случае стало возможно изучать процессы спиртового брожения незави­симо от всех других жизненных процессов — размножения, ро­ста и разных химических превращений, сопровождающих броже­ние живых дрожжей. Многочисленные исследования процессов брожения ферментного дрожжевого сока показали, что в этом процессе принимают участие различные ферменты, в ходе бро — , жения образуются различные промежуточные и побочные про­дукты. Большую роль в брожении играют соединения фосфорной кислоты.

В настоящее время в результате многих исследований полу­чена такая схема химизма спиртового брожения, которую можно считать правильным отображением основных этапов процесса. По этой схеме брожение распадается на несколько ступеней.

I ступень характеризуется образованием фосфорилированных Сахаров. Процесс начинается с присоединения к гексозе (глюко­за, фруктоза, манноза) радикала фосфорной кислоты, в резуль­тате образуются эфиры фосфорной кислоты и гексозы. Реакция присоединения остатка фосфорной кислоты к гексозе носит назва­ние фосфорилирование.

Источником фосфорной кислоты является аденозинтрифос — форная кислота (АТФ), которая входит в состав козимазы. Она имеет следующий вид:

N= С — NH2

I I

С С — N ч

II II

N — С

О

II

СН

/

N

Он он

С-С-С-С-СН,-0-Р-0-Р-0-Р-0Н


Он

Он

Н н

Он

I I н н

Лденозинтрифосфорная нис/ю/па

В результате присоединения к глюкозе остатка фосфорной кислоты образуется эфир 6-глюкозомонофосфат и аденозинди — фосфорная кислота (АДФ).

Н-с-он I

Н-с-он I

Но-с-н

+ ятф — I

Н— с-он I

Н-с-он I

Но-с-н о I

Н-с-он

+АДФ

Н-с-он

Н- с I

/

См2-о-Р = о ч

NOH

Н — с I

,он

Сн2он

Cf — глюкоза

6 — глнмозомонофосфат


Этот процесс катализируется ферментом гексокиназой. Затем под влиянием фермента оксоизомеразы происходит внутримоле­кулярная изомеризация; вследствие чего 6-глюкозомонофосфат превращается в 6-фруктозомонофосфат.

Н — с — он I

Н-с-он I

Но-с — н о I

H—с —он

I

Н-с——

С нгон

I

Но — с.——

Но — с — н о I

Н — с — он

I

Н-с——

I /ой

СНг-0-Р"0

Юн

I /он сн,-о — р-о

Б-глнмозомонофосфат 6-фруктозомонофосфат

Затем еще один остаток фосфорной кислоты отщепляется от второй молекулы АТФ и присоединяется к 6-фруктозомонофос — •фату. При этом образуется новый эфир 1,6-фруктозодифосфат и АДФ. Эту реакцию катализирует фермент фосфогексокиназа.

II ступень. В результате присоединения двух остатков фос­форной кислоты углеродная цепь 1,6-фруктозодифосфата расша­тывается и под влиянием фермента альдолазы происходит ее разрыв как раз в середине, т. е. между третьим и четвертым атомами углерода. Разрыв в этом месте облегчается тем, что остатки фосфорной кислоты симметрично расположены по кон­цам молекулы фруктозы. При этом фруктозодифосфат распада­ется на две фосфорилированные триозы: фосфодиоксиацетон и 3-фосфоглицериновый альдегид. Этот процесс обратим.

СН2ОН

Но-с ——

+ дтф-

Но-с-н I

Н—с—он

I

Н-с——-

Он

I У

СНг-0-Р = 0

Он

6-фрунтоэомонофосфат Он

/

СНг-0-Р = 0

I но — с

Он

Он

/

СНг-О-Р^О

Но-с——

Но- с — н

I

Н-с-он

Он

+ ЯДФ он

I

Н-с—-

I /

СН,-0-Р = О

СН2-0 -р = 0

Он

1,6 — фоцктозодифосфат

Он

/

Но —с —н

I

Н — С — ОН

I

Н-С—-

I /он

СН2—О -Р = 0

Со I

СНгОН

Лен

Он сно I

+ неон

I г

СН,-0-Р = 0

Y

ОН


1,6 — фрушоэодифосфат

Фосфодиокси ацетон

3 — фосфоглицери нобй/й альдегид

Для процесса спиртового брожения наибольшее значение имеет 3-фосфоглицериновый альдегид, так как в дальнейших превращениях были обнаружены его производные (фосфоглице — риновая кислота). Но и фосфодиоксиацетон не теряет значения для брожения. В дрожжевом соке был найден фермент изомера — за фосфотриоз, катализирующий взаимное превращение фосфо — диоксиацетона и 3-фосфоглицеринового альдегида

/он

СНг-0-Р = 0

I со он

I

Снгон *

СНО

I

Н-с-он он

Снг-о-р=о

Он

3 — фосфоглицери — ноЬый альдегид

Фосфодионса ■ ацетон

Следовательно, по мере использования 3-фосфоглицеринового альдегида для дальнейших превращений, он вновь образуется из фосфодиоксиацетона.

III ступень заключается в окислении 3-фосфоглицеринового альдегида в 3-фосфоглицериновую кислоту. Этот процесс отли­чается значительной сложностью. Изучение брожения дрожже­вого сока показало, что фосфоглицериновый альдегид окисляет­ся только в присутствии неорганического фосфата. При этом на каждую молекулу окисленного фосфоглицеринового альдегида вступает в связь одна молекула неорганического фосфата и об­разуется одна молекула АТФ.

Процесс превращения фосфоглицеринового альдегида в фос — фоглицериновую кислоту протекает, по-видимому, следующим образом:

При взаимодействии 3-фосфоглицеринового альдегида с фос­форной кислотой образуется промежуточный 1,3-дифосфоглице — риновый альдегид

/он он

?-Н0 Г^о

1 + H3PO4 и г пи

Н-с-он н-с-он

I /ОН I,,онон

СНг-0 — Р = О СН2-0-Р=0 (

Он

3-фосфог/шцеринобб/й 1.3 — дифосфоглицери —

Альдегид новый альдегид

Под влиянием фермента триозофосфатдегидразы, активной группой которого у дрожжей является козимаза или кодегидра — за I (Ко 1), 1,3-дифосфоглицериновый альдегид подвергается дегидрированию и образует 1,3-дифосфоглицериновую кислоту. При этом кодегидраза 1 превращается в кодегидразу 1 в восста­новленной форме (дигидрокозимазу-Ко 1Н2)

TOC o "1-3" h z, он о

С-н .он с, он

I / I /

О — Р = 0 о — Р = 0

1 н-с-он он _2Н н-с-он он

| ^он ——- — | ^он

СН2-0-Р = 0 снг-о- Р = 0

ОН ОН

1,3 — дифосфоглицери — 1.3 ■ дифосфоглицери — нобь/й альдегид новая нислота

В дальнейшем остаток фосфорной кислоты в положении 1 от­щепляется от 1,3-дифосфоглицериновой кислоты и переносится
на молекулу АДФ. вследствие этого образуется 3-фосфоглицери — новая кислота и АТФ.

Эти превращения катализируются ферментом фосфоферазой.

/0Н соон

|>-Р-0 |

Н-С-ОН NOH н-С-ОН +ДТФ

I ^он + ДДФ — J

СНг-О-Р-ОН СН2-0 — Р — О

Он — он

1,3-дифосфоглии, ери — 3-фосфоглицериновая

Новая кислота кислота

Под влиянием фермента фосфоглицеромутазы 3-фосфоглице- риновая кислота подвергается изомеризации, вследствие чего ос­таток фосфорной кислоты от третьего углеродного атома перехо­дит ко второму, образуя 2-фосфоглицериновую кислоту.

Соон соон Пн

I I /

СН2-0-Р^0 сн2он

Н-С-ОН он ___________ H-C-0-P-0

/ — I

Он

TH2UH

Соон он I /0Н

Н-С-0-Р=0

I чон сн2он

2 — фосфоглицери — нобая кислота

Он

3 — фосфоглицериноВая 2- фосфог/тцерино — нисло/ла бая кислота

IV ступень характеризуется дефосфорилированием фосфогли — цериновой кислоты. Вначале в результате действия фермента знолазы 2-фосфоглицериновая кислота дегидратируется с обра­зованием промежуточной фосфоэнолпировиноградной кислоты

СООН

I /0Н

— н20 с-о—Р=0

" II Х0Н

СН2

Фосфоэноллиро- виноградная Кислота

Затем при помощи фермента фосфоферазы дефосфорилирует — ся фосфоэнолпировиног’радная кислота, т. е. остаток фосфорной

Кислоты переносится на АДФ с образованием пировиноградной I кислоты в энольной форме и АТФ.

СООН СООН

I • /он I

С-0-Р = 0 + ЯДФ— СОН +■ дтф

-I Ч0Н II

СНг СН2

Фосфоэнолпиро — Энолпиро-

Виноградная виноградная

Кислота кислота

Энолпировиноградная кислота превращается в более устой­чивую кетоформу, находящуюся в равновесии с энольной формой

СООн СООН

I I

СОН ~ со

II I

Сн2 С н з

Знолпирови Пировино —

Ноградная градкая

Ни слота кислота

^ (кетоформо)

Образующаяся пировиноградная кислота не накапливается, а сразу же расщепляется при помощи фермента карбоксилазы на уксусный альдегид и С02, причем последняя является одним из конечных продуктов спиртового брожения. Этот процесс назы­вают декарбоксилированием пировиноградной кислоты.

Соо! н

Г

I — |н

Сн3 СН3 + С0г

ПироВиноград — Уксусный Угле — пая кислота альдегид кислота

V ступень. На последней ступени брожения восстанавливает­ся уксусный альдегид во второй конечный продукт спиртового брожения — этиловый спирт. Эта реакция идет под влиянием фермента алкогольдегидразы, коферментом которой является ко — дегидраза 1. Уксусный альдегид взаимодействует с восстанов­ленной формой кодегидразы 1 (дигидрокозимазой), образовав­шейся в III ступени при окислении фосфоглицеринового альдеги­да в фосфоглицериновую кислоту. При этом происходит образо­вание этилового спирта и регенерация молекулы кодегидразы 1 (козимазы)

Уз (Ко 1-н2)

Ьн

Уксусный а/>ь дегид

CHi

СН2ОН

<Гнз +(к0 I)

ЭтилоЗый ■ спирт


Образованием этилового спирта и заканчивается процесс спиртового брожения.

Таким образом, превращение сахара в спирт и углекислоту является сложным биохимическим процессом.

Вы можете оставить комментарий, или ссылку на Ваш сайт.

Оставить отзыв