НАД*Н2
Гл .... ПВК МК
Ацетоин образуется из ацетомолочной кислоты, предшественником которой является ПВК; а 2,3-бутандиол - при восстановлении ацетоина в присутствии НАД*Н2
СН3 CH3
+2Н -CO2
С=О + СН3-СО~SKoA -KoASH СН3-СО-С-СООН СН3-СО-СНОН-СН3
СООН OH
ПВК Ацетил КоА Ацетомомлочная кислота Ацетоин
+НАД*Н2
СН3-СНОН-СНОН-СН3
2,3-бутандиол
Из ацетоина также образуется диацетил в присутствии НАД
-НАД*Н2
СН3-СО-СНОН-СН3 СН3-СО-СО-СН3
Лимонная кислота
Образуется по циклу Кребса, а также из ацетл-КоА, который взаимодействует с щавелевоуксусной кислотой и образуется лимонная кислота
Цикл Кребса
Гл .... ПВК ЛК
Механизм образования высших спиртов
Данный механизм открыли японские ученые Иошицава и Ямада. Высшие спирты образуются также из сахаров, в частности из ПВК.
СН3 CH3
+2Н +2Н (изомеризация)
С=О + СН3-СО~SKoA -KoA~SH СН3-СО-С-СООН
СООН OH
ПВК Ацетил-КоА Ацетомомлочная кислота
СН3 -Н2О СН3 -СО2
С-----СН-СООН СН-СО-СООН
СН3 СН3
ОН ОН
a,b-диоксиизовалериановая кислота a-кетоизовалериановая кислота
СН3 +2Н СН3
СН-СН=О СН-СН2ОН
СН3 СН3
изомасляный альдегид изобутиловый спирт
Аналогично образуется изоамиловый спирт.
Механизм образования жирных кислот
O O O
-CO2
СН3-С~SKoA + CO2 СООН-СН2-С~SKoA + СН3-С~SKoA
-КоА~SH
Ацетил-КоА Малонил-КоА Ацетил-КоА
O O
+2 Н + Н 2 О
CH3-CO-CH2-C~SKoA CH3-CH2-CH2-C~SKoA CH3-CH2-CH2-COOH
-SH~KoA
Кетоацил-КоА Ацил-КоА масляной кислоты Масляная кислота
В результате данной реакции происходит увеличение углеродного скелета на 2 атома углерода.
Механизм образования эфиров
Эфиры образуются из ацильных производных жирных кислот и спирта. Схему образования эфиров предложил Нордстрём.
O O
R-CH2-C~SKoA + НО-С2Н5 R-CH2-C-O-C2H5 + KoA~SH
4.3. Механизм образования побочных продуктов брожения
Побочные продукты брожения образуются из других веществ, а не из сахаров. При брожении образуются основные продукты: спирт, углекислый газ, вторичные - из сахаров, побочные продукты - из АМК. К побочным продуктам относятся высшие спирты и жирные кислоты. Образование этих продуктов происходит при дезаминировании АМК при брожении.
На данном этапе происходит интенсивное развитие дрожжевой биомассы. При этом лимитирующим фактором для развития дрожжей является азотистое питание. Дрожжевые клетки в первую очередь ассимилируют аммиачные соли, далее - свободные АМК. Дрожжевая клетка при размножении ассимилирует -NH2 группу и “выбрасывает” остаток. Таким образом происходит дезаминирование АМК.
Существуют различные схемы образования побочных продуктов брожения (т.е. различные схемы дезаминирования АМК). Рассмотрим следующие из них:
1. Эрлиха - Нейбауэра (немецкая схема);
2. Иошицава - Ямада (японская схема);
3. Стикленда (американская схема).
Схема Эрлиха - Нейбауэра
Согласно теории Эрлиха, высшие спирты образуются при гидролитическом дезаминировании АМК в результате которого образуется аммиак и оксикислота, которая затем декарбоксилируется и переходит в спирт.
Нейбауэр пересмотрел эту схему и внес изменения. Автор считал, что происходит окислительное дезаминирование и первым продуктом будет кетокислота, которая затем декарбоксилируется и полученный альдегид восстанавливается в спирт.
В результате данной реакции образуется спирт или жирная кислота, содержащие на один углеродный атом меньше, чем у исходной АМК.
В настоящее время эта теория подверглась критике, т.к. термодинамические расчеты не подтвердили возможность данного процесса.
Кроме того авторы считали, что АМК являются единственным источником образования высших спиртов, а это как мы уже убедились не так.
СН 3 +H2O CH3 -CO2
СН - СН 2 - СН - СООН CH-CH2-CO-COOH
СН 3 -NH3 CH3
NH2 -2Н
лейцин a-кетоизокапроновая кислота
CH3 +2H CH3
CH-CH2-CH=O CH-CH2-CH2OH
CH3 CH3
изовалериановый альдегид +1/2O2 изоамиловый спирт
CH3
CH-CH2-COOH
CH3
изовалериановая кислота
Схема Иошицавы-Ямада.
В последнее время ученые считают, что образование высших спиртов протекает на пути синтеза АМК дрожжами. Одна из таких схем впервые была предложена японскими учеными. Авторы экспериментально установили, что возможен синтез высших спиртов с более длинной углеродной цепью, чем у исходной АМК, что не согласуется с теорией Эрлиха. Иошицава и Ямада считают, что исходная кислота конденсируется с “активным” ацетальдегидом с образованием соединения с более длинной цепью углеродных атомов, которые в результате внутримолекулярной перегруппировки и декарбоксилирования переходят в альдегид, а последний восстанавливается в спирт по следующей схеме:
О CH3
-KoA~SH
СН3-СН-СООН СН3-СО-СООН + СН3-С~SKoA CH3-CO-COH-COOH
NH2
аланин ПВК ацетил-КоА ацетомолочная кислота
СН3 -Н2О СН3 -СО2
С-----СН-СООН СН-СО-СООН
СН3 СН3
ОН ОН
a,b-диокси-изовалериановая кислота a-кето-изовалериановая кислота
СН3 +2Н СН3
СН-СН=О СН-СН2ОН
СН3 СН3
изомасляный альдегид изобутиловый спирт +NH3
СН3
СН-СН-СООН
СН3
NH2
валин
Схема Стикленда
Эта теория объясняет образование жирных кислот при брожении. Исследования показали, что выращивание дрожжей на смеси двух АМК и более повышает выход дрожжей и усиливает брожение, тогда как из теории Эрилха все АМК равноценны. Исходя из этого был предложен другой путь дезаминирования АМК, протекающий по схеме Стикленда:
R1-CH-COOH + 2H2O R1-COOH + NH3 + CO2 + 4H+
NH2
2R2-CH-COOH + 4H+ 2R2-CH2-COOH + 2NH3
NH2
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------
R1-CH-COOH + 2R2-CH-COOH R1-COOH + 2R2-CH2-COOH + 3NH3 + CO2
NH2 NH2
При данном типе дезаминирования одна кислота служит донором (отдает) водород, а другая - акцептором (присоединяет) водород; при этом обе, дезаминируя, образуют жирную кислоту.
Донорами водорода могут быть: лейцин, валин, аспарагиновая и глютаминовая кислоты, а акцепторами - глицин, пролин, оксипролин, орнитин, аргинин.
В настоящее время считается, что около 50% АМК ассимилируются прямо, без дезаминирования; 40% - по 1-ой и 2-ой схемам; 10% - по 3-ей схеме.
Приведены далеко не все схемы и теории образования вторичных и побочных продуктов брожения. Анализ работ по этой проблеме показал, что в последнее время считают, что образование данных продуктов является результатом регуляторных функций клеток при синтезе АМК. Исходя из современных представлений об аллостерических ферментах, полагают, что в результате проявления обратной связи при избытке синтезируемой АМК полностью или частично будет ингибироваться фермент начальных стадий процесса, что в свою очередь влечет за собой изменения в обмене веществ клетки и накопление метаболитов, среди которых могут быть высшие спирты, жирные кислоты, ацетоин, альдегиды и другие вещества.
Однако, при данных реакциях в действие вступают аллостерические ферменты, в результате чего происходит аллостерическое регулирование. Наряду с этим также протекают реакции переаминирования (АМК+кислота).
Имеющиеся литературные данные показывают сложность путей биосинтеза побочных продуктов брожения, т.к. этот процесс зависит от большого числа внешних факторов - физиологической особенности штамма дрожжей, температуры брожения, степени аэрации, азотистого и углеродного состава среды, рН среды и т.д., поэтому трудно установить единую схему образования продуктов брожения.
Дата: 2019-11-01, просмотров: 188.
