Раздел VI. Брожение и дыхание. Биологическое окисление

Совокупность окислительных реакций, происходящих в биологических объектах и обеспечивающих их энергией и метаболитами для осуществления процессов жизнедеятельности, называется биологическим окислением. Основным источником энергии в живой клетке является дыхание. Дыхание - окислительно-восстановительный процесс расщепления (диссимиляции) сложных органических веществ (в частности углеводов и липидов), сопровождающийся выделением энергии

Общее уравнение дыхания:

С ₆Н₁₂О₆ + 6О₂ 6СО₂ + 6Н₂О + 2780 кДж

Это уравнение аэробного дыхания, т.е. протекающего в присутствии кислорода. Наряду с этим существуют организмы более древние в эволюционном отношении, у которых процесс окисления органических веществ происходит в анаэробных условиях (т.е. в отсутствии кислорода). Процесс анаэробного окисления был впервые исследован у микроорганизмов и получил название «брожение».

В зависимости от конечных продуктов различают три основных типа брожения: спиртовое, молочнокислое и маслянокислое. Наряду с ними существуют пропионовокислое, уксуснокислое, ацетоновое и другие виды брожения, но они являются определенным сочетанием основных типов брожения и находят применение или сопровождают технологические процессы в различных отраслях пищевой промышленности. Спиртовое брожение лежит в основе производства вина, пива, хлеба; молочнокислое играет большую роль при изготовлении молочнокислых продуктов, кваса, хлебных заквасок, квашении овощей и т.д. Маслянокислое брожение вследствие неприятного вкуса и запаха масляной кислоты не находит применения в пищевой промышленности, но оно вызывает порчу пищевых продуктов: картофеля и других овощей, вспучивание сыра, прогоркание масла.

Рассматривая процессы брожения студентам необходимо сосредоточить внимание на внутриклеточных процессах распада углеводов, при этом студентам следует учесть, что суммарные уравнения различных видов брожения являются балансовыми и не отражают химизма последовательных реакций. При написании уравнений реакций нужно дать характеристику важнейших ферментов и промежуточных продуктов того или иного пути. Кроме того, следует подробно охарактеризовать процессы гомоферментативного и гетероферментативного брожений, описать происходящие при этом биохимические реакции, раскрыть биологическую роль и использование промежуточных продуктов реакций в производстве молочных продуктов, безалкогольных напитков и вино-водочных изделий.

Приступая к характеристике различных типов брожения, следует подробно рассмотреть этапы гликолиза, т.к. гликолиз является общим начальным этапом всех видов брожения и дыхания и представляет собой процесс анаэробного распада глюкозы с образованием пировиноградной кислоты (пирувата), сопровождающийся высвобождением энергии, аккумулирующейся в макроэргических связях АТФ. Гликолиз составляет обязательную безкислородную стадию процесса катаболизма глюкозы и в качестве начальной стадии дыхания универсален для растительных и животных клеток, а также клеток множества микроорганизмов. Так в клетках молочнокислых бактерий в ходе последовательных реакций гликолиза и молочнокислого брожения образуется молочная кислота, а в клетках дрожжей реакции гликолиза предшествуют процессу спиртового брожения, конечным продуктом которого является этиловый спирт. Ключевыми ферментами молочнокислого и спиртового брожений являются лактатдегидрогеназа и алкогольдегидригогеназа, соответственно.

В аэробных условиях, пируват, образовавшийся в анаэробной стадии дыхания, подвергается окислительному декарбоксилированию до ацетилкоэнзима А, а затем полностью окисляется до углекислого газа и воды в аэробной стадии катаболизма глюкозы, которая называется дыханием.

Аэробный катаболизм включает три стадии (рис.1). На первой стадии из окисляемых молекул глюкозы образуются двухуглеродные фрагменты - ацетильные группы, которые затем входят в состав ацетилкоэнзима А (источником двухуглеродных фрагментов для ацетилкоэнзима А могут также являться продукты катаболизма жиров и белков).

На второй стадии эти ацетильные группы входят в цикл лимонной кислоты (цикл Кребса), в котором они расщепляются с образованием высокоэнергетических атомов (протонов Н⁺ и электронов) водорода и высвобождением двух молекул диоксида углерода. Последние представляют конечный продукт окисления органического вещества в процессе дыхания.

Нa третьей стадии водород в виде протонов и богатых энергией электронов передается по цепи переноса электронов на молекулярный кислород атмосферы, кислород восстанавливается до воды, а энергия, высвобождаемая при транспорте электронов, используется для фосфорилирования АДФ (аденозиндифосфата) с образованием АТФ (аденозинтрифосфорной кислоты) универсального источника энергии в живых клетках. Энергетический выход при расщеплении одной молекулы глюкозы в процессе гликолиза и аэробною дыхания составляет 36 молекул АТФ.

Процессы аэробного и анаэробного дыхания лежат в основе хранения любого растительного сырья. При этом происходят следующие явления:

1. Потери сухой массы вещества. В результате расходования органического вещества на дыхание всегда происходит уменьшение сухой массы хранящегося растительного сырья. При хранении в благоприятных условиях это так называемая естественная убыль сырья. Величина этих потерь зависит от влажности сырья, температуры и продолжительности хранения. Величина убыли также зависит от вида хранящегося сырья.

2. Изменение газового состава атмосферы, окружающей массу хранящегося сырья, вследствие уменьшения массовой доли кислорода и возрастания диокиси углерода. Количество последнего может увеличиться в сотни раз, за счет чего аэробное окисление переходит в анаэробное, главным образом в спиртовое брожение с образованием в клетке этилового спирта. Накопление в клетке этилового спирта в бескислородной газовой среде приводит к снижению или полной потере им жизнеспособности, обусловленной гибелью зародыша под действием этанола. Для предупреждения этого явления необходимо применять активное вентилирование, подавая в зерновую массу атмосферный воздух.

3. Выделение воды в виде водяных паров при дыхании. Это приводит к повышению влажности сырья и увеличению интенсивности дыхания.

4. Выделение большого количества энергии в виде теплоты и роста температуры внутри массы хранящегося сырья.

Под влиянием выделения паров воды, накопления теплоты и роста температуры внутри массы хранящегося сырья начинается процесс его самосогревания. Температура может достигать значительных величин, вызывая необратимую порчу сырья. Основными технологическими приемами, предупреждающими самосогревание, например, зерновых масс, является сушка, активное вентилирование, охлаждение.

При выполнении контрольной работы студенту необходимо хорошо разобраться во всех стадиях дыхания, последовательных реакциях цикла Кребса. Наиболее важным для понимания является вопрос биоэнергетики процесса. При окислительных превращениях в цикле Кребса освобождается лишь незначительное количество энергии. Аккумуляция энергии в молекулах АТФ происходит в митохондриях в ходе транспорта протонов и электронов в дыхательной цепи от окисляемых субстратов на молекулярный кислород при участии специализированных ферментов.