1.6: Оцет та оцтова кислота Бродіння
- Page ID
- 26090
Виробництво оцту
Оцтова кислота Бродіння
Перший опис мікробного оцтового бродіння було зроблено Пастером в 1862 році. Він визнав, що оцет виробляється живим організмом.
Огляд метаболізму оцтової кислоти
Оцтово-кислі бактерії (AAB), рід Acetobacter, є групою грамнегативних бактерій, які окислюють цукру або етанол і виробляють оцтову кислоту під час бродіння. У сімействі Acetobacteraceae існує кілька різних пологів. AAB містяться в солодких, алкогольних та кислих нішах, таких як фрукти, квіти та особливо ферментовані напої. З огляду на достатню кількість кисню, ці бактерії виробляють оцтову кислоту (оцет) з етанолу.
Кілька видів оцтово-кислих бактерій використовуються в промисловості для виробництва певних харчових продуктів і хімічних речовин. Зазвичай використовуються корми включають яблучний сидр, вино та ферментовані зернові пюре. AAB також беруть участь у виробництві інших продуктів харчування, таких як какао-порошок і чайний гриб. Однак їх також можна вважати організмами псування.
Перерахуйте 2-3 місця/рази, що оцтово-кислі бактерії вважатимуться організмами псування.
Розташування окислень етанолу
AAB роблять оцтову кислоту двома послідовними каталітичними реакціями спиртово-дегідрогенази (АДГ) та пов'язаної з мембраною альдегіддегідрогенази (АЛДГ), які пов'язані з периплазматичною стороною цитоплазматичної мембрани.
Етанол, ацетальдегід, оцтова кислота можуть бути досить токсичними для живих організмів. Однак AAB здатні жити як в алкогольному, так і в кислому середовищі через кілька пристосувань.
- Розташування спиртово-дегідрогеназ. Чи токсичні сполуки коли-небудь потрапляють в цитоплазму клітин?
- ALDH і ADH є одним комплексом у багатьох видів AAB, таким чином ніколи не виділяючи ацетальдегід.
- Ацетобактер мають насоси H +, які активно видаляють протони з клітин.
- Відбуваються зміни в складі мембранних фосфоліпідів, що допомагають підтримувати плинність мембрани при низькому рН.
- Багато клітинних білків показують підвищений негативний поверхневий заряд, який стабілізує їх при низькому рН.
Розташування метаболізму оцтової кислоти з PQQ
AAB здатні окислювати етанол до оцтової кислоти за допомогою мембранних комплексів АДГ і АЛДГ з кофактором PQQ.
Цей фермент здатний окислювати кілька первинних спиртів (С2 до С6), але не метанол або вторинні спирти.
Механізми реакції PQQ:
Додайте механізм вигнутої стрілки для окислення етанолу до ацетальдегіду за допомогою цього кофактора PQQ.
Скільки електронів переноситься від молекули етанолу до PQQ на цьому етапі?
Механізми реакції PQQ
На другому етапі ацетальдегід утворює гідрат. Покажіть механізм для цього кроку.
Потім гідрат ацетальдегіду вступає в реакцію з іншим PQQ з утворенням оцтової кислоти. Запропонуйте механізм вигнутої стрілки для цієї трансформації.
- Скільки електронів переноситься від молекули гідрату ацетальдегіду до молекули PQQ?
- Скільки сумарних електронів беруть участь в цьому двоступеневому перетворенні?
PQQ прив'язаний до процесу транспортування електронів
Електрони переносять електрони в убихінон (UQ), які щільно пов'язані з дихальним ланцюгом (окислювальне фосфорилювання).
- Для кожної молекули eToH, яка двічі окислюється до оцтової кислоти:
- Скільки електронів рухається по ланцюгу транспорту електронів?
- Як атоми кисню перетворюються в воду?
- Скільки протонів перекачується через мембрану?
- Якщо припустити, що приблизно 3-4 протони дають 1 АТФ, скільки вироблено АТФ?
- Чому цей процес вважається необхідним кисню? Тобто чому цей організм - облігатний аероба?
- Яка мета перетворення етанолу в оцтову кислоту для цих бактерій?
Асиміляція оцтової кислоти
Деякі штами Acetobacter і Gluconacetobacter можуть метаболізувати оцтову кислоту до вуглекислого газу і води за допомогою ферментів циклу Кребса. Наприклад, в оцті види Acetobacter демонструють двофазну криву росту, де перша відповідає окисленню eToH з виробництвом AcoH. Другий сплеск зростання обумовлений «асиміляцією оцтової кислоти», де бактерії переміщують етанол та/або оцтову кислоту в цитоплазму для метаболізму за допомогою циклу TCA та окислювального фосфорилювання.
- У чому перевага використання асиміляції оцтової кислоти?
- Чому бактерії не використовують цей шлях з самого початку?
- При оцтовому бродінні виробники намагаються запобігти цьому процесу. Поясніть чому.
Механізми дегідрогеназ, керованих NAD + в ацетобактері
Загальна хімічна реакція, яку сприяють ці бактерії, становить:
\[\ce{C2H5OH + O2 → CH3COH → CH3COOH + H2O} \nonumber\]
Запропонуйте механізм перетворення етанолу в ацетальдегід (зворотне відновлення, здійснене дріжджами) з використанням NAD +.
На другому етапі ацетальдегід утворює гідрат, який потім перетворюється в оцтову кислоту.
Запропоновано механізм перетворення ацетальдегіду в оцтову кислоту з використанням NAD +.
На третьому етапі оцтова кислота перетворюється в ацетил-КоА для використання в циклі TCA.
Запропонуйте відсутні біологічні «реагенти» для цього перетворення.
Джерела
- Крістофер Ентоні, Хінопротеїнові каталізовані реакції, Biochem J., 1996, 320, 697-711
- Гомес-Манцо та ін., Окислювальне бродіння етанолу, Int J Mol Sci. 2015, 16 (1), 1293—1311.
- Mamlouk and Gullo, Бактерії оцтової кислоти: фізіологія та окислення джерел вуглецю, Індійська J. Мікробіологія, 2013, 53 (4) 377-384.
- Mas, et. al., Оцтово-кислотні бактерії та виробництво та якість винного оцту, Науковий світовий журнал, 2014; 2014, 1-6