Файл: Технология гидролизных производств учебник..pdf

Гликозидазы вырабатываются многими микроорганизмами. Они способствуют гидролизу и синтезу различных углеводов и гликозидов по схеме

ROR' + H O H ^RO H + R'OH,

где R и R' представляют собой остатки моно-, диили поли­ сахарида.

К гликозидазам относятся олигазы, действующие на сравни­ тельно небольшие молекулы ди- и трисахаридов, а также гликозидов; из них мы укажем лишь некоторые: сахаразу, расщепляю­ щую сахарозу на .D-глюкозу и D-фруктозу; целлобиазу, расщеп­ ляющую целлобиозу на две молекулы глюкозы; полиазы, катализирующие реакции гидролиза и синтеза высокомолекуляр­ ных полисахаридов (например целлюлаза расщепляет целлюлозу на дисахарид целлобиозу; амилаза — крахмал до мальтозы и декстринов).

Протеиназы (пептидгидролазы) катализируют реакцию гидро­ лиза белков и полипептидов. Гидролитическим путем расщепляют пептидные связи — СО — NH — .

4. Лиазы — ферменты этого класса катализируют реакции не­ гидролитического отщепления каких-либо групп от субстратов (под действием карбоксилазы происходит отщепление углекислого газа от пировиноградной кислоты) или реакции расщепления органических веществ и разрыв связи между углеродными атомами молекул (альдолаза катализирует разрыв шестиуглерод­ ной цепочки гексозы на две молекулы триозы). К лиазам относятся в основном все ферменты брожения, расщепляющие углеводы на более простые соединения.

5. Изомеразы — к этому классу относятся ферменты, катали­ зирующие внутримолекулярные превращения органических соеди­ нений в их изомеры. К ним относится, например, фермент триозофосфатизомераза, катализирующий изомеризацию 3-фосфогли-

двух молекул, которые протекают одновременно с ращеплением АТФ. Энергия, освобождаемая при этом, используется для синтеза компонентов микробной клетки. В результате реакции образуются новые связи: — С — О —; — С — S — ; — С — N — и — С — С —.

К лигазам относится группа ферментов, катализирующих при­ соединение остатков аминокислот к транспортной РНК.

2. ДЫХАНИЕ И БРОЖЕНИЕ

Дыхание и питание являются основными процессами обмена

а также для синтеза различных органических соединений входя­ щих в состав их клеток, необходима энергия. Процессы дыхания

192

являются источником энергии для микроорганизмов. Дыханием или аэробным дыханием называется процесс окисления сложных органических соединений до простых конечных продуктов типа С 02 и Н20 с одновременным выделением свободной энергии.

Русский ученый В. О. Таусон показал, что для многих реакций синтеза, происходящих в цитоплазме живых микроорганизмов, дыхательный процесс как источник энергии не нужен. Выделение углекислоты в ряде процессов также не связано с поглощением кислорода и с полным окислением питательных веществ, т. е. с процессом аэробного дыхания, а происходит в результате про­ цесса, получившего название анаэробного дыхания, или брожения.

Таким образом, в основе дыхания и брожения лежат окисли­ тельно-восстановительные реакции, за счет которых микробные клетки получают энергию, необходимую для процессов их жизне­ деятельности. Часть энергии, выделяющейся при этих процессах, передается макроэргическим фосфатным связям аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ), где она и аккумулируется. Разрыв этих связей в свою очередь сопровождается освобождением зна­ чительного количества энергии, которая используется микроорга­ низмами для покрытия энергетических затрат во всех жизненных процессах и прежде всего для биосинтеза важных органических соединений.

В зависимости от отношения к молекулярному кислороду все микроорганизмы делятся на две группы: 1) анаэробные — для жизнедеятельности которых не нужен кислород, и 2) аэробные — хорошо развиваются при свободном доступе кислорода воздуха.

Существует промежуточная группа — микроаэрофильных орга­ низмов, для жизнедеятельности которых требуются незначитель­

могут развиваться только в отсутствии молекулярного кислорода, являющегося для них ядом. К ним относятся маслянокислые бактерии. Факультативные (условные) анаэробы развиваются как в присутствии, так и в отсутствии молекулярного кислорода. К группе факультативных анаэробных микроорганизмов от­ носятся дрожжи.

К аэробным микроорганизмам относятся дрожжеподобные грибы.

Взависимости от потребности в кислороде, способа накопления

иусвоения энергии у микроорганизмов может быть два типа дыхания: анаэробное дыхание (или брожение) и аэробное (или настоящее дыхание). Тип дыхания микроорганизмов зависит также от наличия в микробной клетке тех или иных «дыхатель­ ных» ферментов.

Анаэробное дыхание (брожение). У микроорганизмов при

анаэробном дыхании происходят различные биохимические окислительные процессы превращения органических веществ,

идущие без участия кислорода воздуха и основанные на реакции дегидрирования. Акцептором водорода могут быть промежуточ­ ные продукты процесса окисления субстрата (например, органи­ ческие молекулы, имеющие ненасыщенные связи). Процесс ана­ эробного дыхания происходит следующим образом:

окисляемый субстрат—Н2+ фермент дегидрогеназа —►окисленный субстрат-|-

+дегидрогеназа—Н2; дегидрогеназа—Н2 + акцептор водорода —-дегидрогеназа+

+акцептор—Н2.

При таком окислении выделяется определенное количество энергии, которое используется в процессах жизнедеятельности анаэробных микроорганизмов. Для окисления органических со­ единений анаэробные микроорганизмы не могут использовать молекулярный кислород, так как у них дыхательными ферментами являются только дегидрогеназы, а для использования кислорода необходимы и другие ферменты, например каталаза, которая раз­ лагала бы перекись водорода, образующуюся в процессах дыха­ ния и являющуюся ядом для микробов, и пероксидаза, которая вовлекала бы перекись водорода в окислительный процесс. У ана­ эробных микроорганизмов нет и цитохромов — окислительно-вос­ становительных ферментов, участвующих в переносе водорода.

Таким образом, процессы разложения сложных органических соединений до более простых, происходящие без участия молеку­ лярного кислорода и вызываемые анаэробными микроорга­ низмами, называются брожением; они сопровождаются выделе­ нием сравнительно небольшого количества энергии, необходимой для нужд микроорганизмов. Примером процесса брожения явля­ ется уравнение распада сахара на этиловый спирт и углекислоту

С6Н120 6=2С2Н50Н-ф-2С02-(-56 ккал.

Анаэробные микроорганизмы, являющиеся возбудителями бро­ жения, были открыты Л. Пастером. До него считали, что жизнен­ ные процессы не могут происходить без кислорода и окислитель­ ного дыхания. В настоящее время общепризнано, что источником энергии для микроорганизмов являются разнообразные процессы, происходящие с участием кислорода и без него.

Факультативным анаэробным микроорганизмам свойственно и анаэробное и аэробное дыхание, но последнее выражено слабее. В своих клетках они содержат, кроме дегидрогеназ, еще оксиге­ назы и ферменты, активирующие кислород, т. е. ферменты, свойственные и аэробным микроорганизмам.

Аэробное дыхание. В процессе дыхания аэробные микроорга­

низмы окисляют органические вещества с образованием угле­ кислого газа и воды. Дыхание сопровождается выделением энергии, в этом заключается его физиологическое значение. В качестве энергетического материала для дыхания используются углеводы, белки, жиры/углеводороды, спирты, кислоты и другие

194

органические соединения. Уравнение окисления сахара имеет следующий вид:

С6Н120 6+ 6 0 2 — 6С02+ 6 Н 20 + 6 8 6 шал.

При этом выделяется 686 ккал тепла, что соответствует запасу потенциальной энергии, которая была аккумулирована в молекуле углевода при его фотосинтезе. Аэробные микроорганизмы исполь­ зуют всю содержащуюся в органических соединениях потенциаль­ ную энергию. В случае неполного их окисления энергии выделя­ ется меньше. Часть потенциальной энергии остается в продуктах неполного окисления.

В процессе аэробного дыхания принимают участие различные ферменты типа анаэробных и аэробных дегидрогеназ, поэтому он является более сложным. Аэробные микробы очень разнообразны, поэтому и типов аэробного дыхания много, причем отличаются они друг от друга ферментами, катализирующими процессы окисления субстрата.

Простейший механизм аэробного дыхания представляется в следующем виде. Молекулярный кислород, потребляемый в про­

к кислороду через ряд промежуточных реакций, проходящих по­ следовательно, с участием переносчиков и ферментов; образую­ щаяся перекись водорода ферментом каталазой расщепляется до молекулярного кислорода и воды, освобождая клетку от накопле­ ния этого ядовитого вещества, или при помощи пероксидазы направляется на окисление специфического субстрата.

По теории О. Варбурга, активирование кислорода в процессах окисления происходит при помощи железа, входящего в состав дыхательного фермента (цитохрома). В цитоплазме аэробных микроорганизмов есть и другие ферменты переносчики кислорода, например оксигеназы.

В. И. Палладии впервые показал, что между аэробным и ана­ эробным окислением принципиальной разницы не существует. Аэробным дыханием является процесс окисления, когда акцепто­ ром водорода служит кислород. Анаэробным называют дыхание, при котором акцептором водорода может быть любое вещество,

По теории В. И. Палладина, дыхание микробов происходит под влиянием дегидрогеназ, осуществляющих перенос активирован­ ного водорода с окисляемого вещества (донатора водорода) на акцептор водорода. Акцептором водорода может быть кислород воздуха и органические вещества, способные окисляться и вос­

электрона (Fe+++ + e-^ F e++). В. И. Палладии подчеркивал значение

активирования водорода окисляемого вещества и роль фермен­ тов в процессе активации.

Следовательно, дыхание у микроорганизмов является сложным процессом, представляющим собой цепь последовательных окислительно-восстановительных реакций с участием многих ферментов.

Определенное представление о характере процесса дыхания дает так называемый дыхательный коэффициент. Отношение объема выделившегося углекислого газа к объему кислорода, поглощен­ ного в процессе дыхания (СОгіОг), называется дыхательным коэффициентом.

В реакции окисления углеводов (СбНі206 + 6 0 2 = 6С02 + 6Н20) дыхательный коэффициент С 0 2 : 0 2 = 1 . Он будет меньше 1 тогда, когда в процессе дыхания окисляются вещества с относительно небольшим содержанием кислорода, например белки, угле­ водороды. Дыхательный коэффициент будет меньше 1 и в том случае, если наряду с аэробным дыханием протекают другие про­

высоким содержанием кислорода, чем в углеводах, например органические кислоты (винная, щавелевая) и их соли, то дыха­ тельный коэффициент будет значительно больше 1. Он будет больше 1 и при дыхании тех дрожжей, у которых одновременно с аэробным дыханием происходит спиртовое брожение. Таким образом, зная значение дыхательного коэффициента, можно опре­ делить, какие вещества окисляются в процессе дыхания.

Итак, жизненно необходимую энергию микроорганизмы полу­ чают или в результате дыхания, заключающегося в использова­ нии кислорода и в полном превращении органических соединений в углекислоту и воду, или в процессе брожения, которое проис­ ходит без участия кислорода и заканчивается образованием продуктов неполного окисления.

Способность дрожжей к жизнедеятельности в аэробных и ана­ эробных условиях используется в производстве. Аэробное окисле­ ние, связанное с освобождением большого количества энергии, вызывает у дрожжевой клетки способность к активному почкова­ нию. Следовательно, при выращивании дрожжеподобных грибов для накопления биомассы дрожжей необходимо создавать усло­ вия для интенсивной аэрации питательной среды.

^Для получения больших количеств спирта процесс брожения следует вести в анаэробных условиях, без свободного кислорода, в этом случае размножение клеток прекращается и наступает усиление процесса брожения. Таким образом, в результате разных типов дыхания — аэробного и анаэробного — из сахара можно получить различные продукты.

Закон взаимосвязи между дыханием и брожением носит назва­ ние эффекта Пастера. Под ним подразумевают торможение или подавление брожения под влиянием кислорода или перемену типа дыхания с анаэробного на аэробный. Пользуясь эффектом

196