Ацетоно-бутилове бродіння

Деякі клостридії (Сlostridium acetobutylicum, Сlostridium bejerinckii, Сlostridium cellobioparum та ін) при зброджуванні цукрів поряд з кислотами накопичують у середовищі нейтральні продукти (бутиловий, ізопропіловий, етиловий спирти, ацетон). Особливо багато нейтральних продуктів утворюється культурою С. acetobutylicum, що дало підставу свого часу виділити як варіант маслянокислого бродіння ацетоно-бутилового бродіння.

У клостридіїв, що здійснюють ацетоно-бутилове бродіння, утворення масляної кислоти відбувається на першому етапі бродіння. У міру підкислення середовища (до рН нижче 5) та підвищення в ній концентрації жирних кислот індукується синтез ферментів, що призводять до накопичення нейтральних продуктів, насамперед н-бутанолу та ацетону. н-Бутанол утворюється з бутирил-КоA, попередника масляної кислоти, в результаті двох послідовних ферментативних реакцій (рис. 60). Перша з них полягає у відщепленні коферменту A та одночасному гідруванні, що призводить до утворення масляного альдегіду. Подальше його відновлення за допомогою НАД * Н2 призводить до появи н-бутанолу. Шлях, що веде до утворення ацетону, починається з перенесення від ацетоацетил-Ко коферменту A на ацетат. Декарбоксилювання ацетооцтової кислоти призводить до утворення ацетону. Утворення етанолу відбувається в результаті двоступінчастого відновлення ацетил-КоA.

Фізіологічний зміст додаткових ферментативних етапів у С.acetobutylicum, що ведуть до накопичення в середовищі н-бутанолу, етанолу та ацетону, полягає в утворенні кінцевих продуктів нейтрального характеру. Спочатку нейтральний рН середовища внаслідок накопичення олійної та оцтової кислот швидко падає. Деякі клостридії виробилимеханізм боротьби з наростаючою кислотністю, який починає функціонувати за низького рН середовища та призводить до появи перерахованих вище нейтральних продуктів. Одночасно відбувається зниження загальної кислотності середовища, що також свідчить про активну протидію цих бактерій несприятливим умовам.

Вивчення фізіології групи клостридіїв, здійснюють ацетоно-бутілове бродіння, призвело до відкриття В. Н. Шапошниковим (1884-1968) явища двофазності цього процесу, яке пізніше було виявлено у більшості типів бродяг, що характеризуються складним набором кінцевих продуктів. В основі явища двофазності лежить тісний зв'язок між конструктивними та енергетичними процесами. Спочатку, коли має місце активне зростання культури, що супроводжується інтенсивними біосинтетичними процесами, відбувається значний відтік відновника, що утворюється при бродінні для конструктивних цілей. Це супроводжується переважним синтезом більш окислених кінцевих продуктів бродіння (I фаза). При згасанні зростання та переході культури в стаціонарний стан зменшується потреба у відновнику для конструктивних цілей. Останнє призводить до більшого використання в енергетичних процесах і, отже, до утворення більш відновлених кінцевих продуктів бродіння (II фаза). Таким чином, масштаби конструктивного метаболізму визначають характер та напрямок енергетичних процесів.

Як можна оцінити послідовність ферментативних реакцій, що виникли у маслянокислих бактерій, що ведуть до синтезу масляної кислоти, а також додаткові ферментативні етапи, що ведуть до синтезу н-бутанолу і ацетону? На шляху від ацетил-КоA до масляної кислоти у двох точках має місце акцептування водню з НАД * Н2. Синтез н-бутанолу з бутирил-КоA пов'язаний ще здвома відновлювальними етапами. Отже, утворення н-бутанолу викликане не тільки протидією наростаючої кислотності. Ця ділянка шляху, що додатково розвинулася, дуже ефективна як ферментативні перетворення, пов'язані з утилізацією виникаючих у процесі бродіння молекул НАД*Н2.

Розглянемо під тим самим кутом зору шлях, що веде до синтезу ацетону. Метаболізування частини ацетоацетил-КоA через ацетооцтову кислоту в ацетон призводить до певної втрати потенційних акцепторів водню, які могли б на шляху утворення масляної кислоти або н-бутанолу приєднати відповідну кількість водню з НАД*Н2. Однак цей шлях є більш коротким шляхом утворення нейтральних продуктів, що, ймовірно, для бактерій у певних умовах вигідно. Крім того, спробою компенсувати цей недолік можна пояснити виникнення у деяких видів клостридіїв здатності ферментативно відновлювати ацетон в ізопропанол з використанням водню з НАД * Н2.

З точки зору вирішення обох проблем (нейтралізація середовища та акцептування відновлювальних еквівалентів, що утворюються при гліколізі), найбільш ефективний шлях, що веде до синтезу етанолу, на двох етапах якого відбувається акцептування водню з НАД * Н2. Деякі клостридії як один з нейтральних продуктів утворюють значні кількості етанолу.