Спиртовое брожение

Вопрос о причинах, вызывающих спиртовое брожение, с давних пор привлекает внимание ученых. Хотя давно было известно, что брожение вызывается дрожжами, но лишь в 1836— 1837 гг. было установлено, что дрожжи являются низшими растениями (грибками). Из этого открытия был сделан вывод, что распад сахара на спирт и угольную кислоту связан с жизнедеятельностью организмов («виталистическая» теория брожения). Этой теории Либих противопоставил «механическую» теорию брожения, согласно которой жизнь дрожжей есть явление, лишь случайно совпадающее с брожением; само же брожение вызывается присутствием нестойких, разлагающихся органических веществ. Движения распадающихся молекул передаются молекулам сахара, благодаря чему и происходит их распад.

Проведенные Пастером (1857) исследования спиртового брожения показали, что возникновение брожения всегда связано с попаданием из воздуха зародышей бродильных грибков и что предварительное кипячение жидкости, приводящее к гибели микроорганизмов (стерилизация), и фильтрация воздуха через слой ваты совершенно предохраняют бродильный субстрат от явлений брожения.

В 1871 г. М. М. Манассеина показала, что брожение может идти и без живых микроорганизмов. Этот вывод был впоследствии подтвержден Бухнером (1897). Оказывается, если дрожжи растереть с мелким кварцевым песком и профильтровать дрожжевой сок через очень мелкопористые фильтры, задерживающие все дрожжевые клетки, живые и мертвые, то получившийся клеточный сок, несмотря на отсутствие живых организмов, а следовательно, и явлений жизнедеятельности, обладает способностью вызывать брожение сахара. При этом ничтожное количество клеточного сока вызывает изменение громадных количеств сахара. Таким образом, казалось несомненным, что превращение сахара вызывается каталитически каким-то веществом, имеющимся в клеточном соке; впоследствии выяснилось, что это вещество, названное зимазой, в действительности представляет собой смесь нескольких ферментов.

Последующие исследования процесса спиртового брожения привели к выводу, что распад сахара на спирт и углекислоту есть лишь окончательный результат ряда химических реакций, из которых каждая, по-видимому, вызывается особым энзимом.

Работы Нейберга и его учеников дали много доводов в пользу того, что промежуточными продуктами при спиртовом брожении являются глицерин СН₂ОН—СНОН—СН₂ОН и пировиноградная кислота СН₃—СО—СООH:

Последняя, в свою очередь, под влиянием находящегося в дрожжах энзима карбоксилазы распадается на уксусный альдегид СН₃—СНО и СО₂. Действительно, взятая отдельно пировиноградная кислота распадается под действием дрожжей подобным же образом.

При обычных условиях брожения всегда образуются в небольших количествах глицерин и уксусный альдегид. При прибавлении сульфита натрия или некоторых других солей, имеющих слабощелочную реакцию, удается получить при брожении глицерин в количестве, почти стехиометрически отвечающем уравнению:

Кроме глицерина, при этом получаются большие количества уксусного альдегида и лишь небольшое количество спирта. Тот же результат, хотя и с меньшими выходами глицерина, может быть достигнут прибавлением фосфата натрия, на чем основан технический способ получения глицерина из глюкозы.

Если брожение происходит в присутствии щелочей, то образуется также и уксусная кислота:

Возможны и иные направления процесса с грибками спиртового брожения. В гипотезе Нейберга неясна дальнейшая судьба глицерина при обыкновенном направлении брожения. Как выяснено в настоящее время, процесс спиртового брожения представляет собой целый ряд последовательных превращений, обусловленных особыми ферментами.

Установлено, что чрезвычайно важную роль в процессе брожения играют производные фосфорной кислоты. Первой стадией процесса является образование из углевода (гексозы) сложных эфиров фосфорной кислоты. Источником фосфорной кислоты является аденозинтрифосфорная кислота (в биохимической литературе часто называемая сокращенно АТФ), отдающая один из трех своих остатков фосфорной кислоты и превращающаяся в аденозиндифосфорную кислоту (АДФ). При этом сначала образуются монофосфаты, а затем дифосфат гексозы — 1,6-фруктозодифосфат. Открытая форма такого эфира расщепляется при помощи фермента альдолазы на молекулу фосфорнокислого эфира глицеринового альдегида и на молекулу фосфорнокислого эфира диоксиацетона, которые могут изомеризоваться друг в друга.

Фосфорнокислый эфир глицеринового альдегида связывает молекулу фосфорной кислоты, превращаясь в 1,3-дифосфат гидратной формы глицеринового альдегида, который дегидрируется с образованием 1,3-дифосфата глицериновой кислоты. Присоединение второй молекулы фосфорной кислоты к фосфату глицеринового альдегида, по-видимому, необходимо для практически одновременно идущего дегидрирования. Образовавшийся 1,3-дифосфат глицериновой кислоты, отдавая остаток фосфорной кислоты, находившийся при карбоксильной группе, переходит в 3-фосфат глицериновой кислоты. Далее 3-фосфат под действием фермента фосфоглицеромутазы изомеризуется в 2-фосфат глицериновой кислоты, который действием фермента енолазы дегидратируется и превращается в фосфат енольной формы пировиноградной кислоты. Это соединение, теряя фосфатный остаток, превращается в пировиноградную кислоту, дающую уксусный альдегид и СО₂. Уксусный альдегид подвергается ферментативному гидрированию и превращается в этиловый спирт.

Фосфорная кислота, отщепляющаяся от енольной формы пировиноградной кислоты, присоединяется к образовавшейся в начале процесса аденозиндифосфорной кислоте, давая снова аденозинтрифосфорную кислоту, необходимую для фосфорилирования и последующего окисления новой молекулы гексозы.

Таков основной, стационарный ход процесса. Вначале в результате побочного процесса образуется некоторое количество глицерина. Спирты сивушного масла, вероятно, образуются из белковых веществ дрожжевых грибков.

Помимо ряда ферментов в процессе брожения играют важную роль коферменты, являющиеся переносчиками водорода в окислительно-восстановительных процессах (козимаза) и переносчиками фосфорной кислоты (аденозинтрифосфорная кислота).