Войти
Путь смешанного кислотного брожения в E. coli. Конечные продукты выделены синим цветом. Смешанное кислотное брожение - это биологический процесс, в результате которого образуется шестиуглеродный сахар, например глюкоза превращается в сложную и переменную смесь кислот. Это анаэробная реакция ферментации, распространенная у бактерий. Это характерно для представителей Enterobacteriaceae, большого семейства грамотрицательных бактерий, которое включает E. coli.
Смесь конечных продуктов, полученных при смешанной кислотной ферментации, включает лактат, ацетат, сукцинат, формиат, этанол и газы H 2 и CO 2. Образование этих конечных продуктов зависит от присутствия в бактерии определенных ключевых ферментов. Пропорция, в которой они образуются, варьируется у разных видов бактерий. Путь смешанной кислотной ферментации отличается от других путей ферментации, которые производят меньше конечных продуктов в фиксированных количествах. Конечные продукты смешанной кислотной ферментации могут найти множество полезных применений в биотехнологии и промышленности. Например, этанол широко используется в качестве биотоплива. Таким образом, в лаборатории было метаболически сконструировано несколько бактериальных штаммов, чтобы увеличить индивидуальный выход определенных конечных продуктов. Это исследование проводилось в основном на кишечной палочке и продолжается.
E. coli используют пути ферментации в качестве окончательного варианта энергетического метаболизма, поскольку они производят очень мало энергии по сравнению с дыханием. Смешанное кислотное брожение у E. coli происходит в два этапа. Эти стадии описаны в биологической базе данных для E. coli EcoCyc.
Первой из этих двух стадий является а. В анаэробных условиях происходит реакция гликолиза, при которой глюкоза превращается в пируват :
глюкоза → 2 пируват
Имеется чистое производство 2 АТФ и 2 Молекул НАДН на молекулу превращенной глюкозы. АТФ генерируется посредством фосфорилирования на уровне субстрата. НАДН образуется из восстановления НАД.
На второй стадии пируват, полученный гликолизом, превращается в один или несколько конечных продуктов с помощью следующих реакций. В каждом случае обе молекулы НАДН, образующиеся при гликолизе, повторно окисляются до НАД. Каждый альтернативный путь требует другого ключевого фермента в E. coli. После образования различных количеств различных конечных продуктов этими путями они секретируются из клетки.
Превращение пирувата в лактат катализируется ферментом лактатдегидрогеназой.Пируват, полученный в результате гликолиза, превращается в лактат. Эта реакция катализируется ферментом лактатдегидрогеназой (LDHA).
пируват + NADH + H → лактат + NAD
Пируват превращается в ацетил-кофермент А (ацетил-КоА) с помощью фермента пируватдегидрогеназы. Этот ацетил-КоА затем превращается в ацетат в E. coli, при этом продуцируя АТФ посредством фосфорилирования на уровне субстрата. Для образования ацетата необходимы два фермента: фосфат-ацетилтрансфераза и ацетаткиназа.
Путь смешанной кислотной ферментации характерен для семейства Enterobacteriaceae, которое включает E. coli ацетил-CoA + фосфат → ацетил-фосфат + CoA
ацетилфосфат + ADP → ацетат + ATP
Этанол образуется в E.coli в результате восстановления ацетилкофермента A с использованием NADH. Для этой двухстадийной реакции требуется фермент алкогольдегидрогеназа (ADHE).
ацетил-CoA + NADH + H → ацетальдегид + NAD + CoA
ацетальдегид + NADH + H → этанол + NAD
Формиат получают в результате расщепления пирувата. Эта реакция катализируется ферментом пируватформиатлиаза (PFL), который играет важную роль в регулировании анаэробной ферментации в E. coli.
пируват + CoA → ацетил-CoA + формиат
Скелетная структура сукцинат сукцинат образуется в E. coli в несколько этапов.
Фосфоенолпируват (PEP), путь гликолиза промежуточное соединение, карбоксилируется ферментом PEP карбоксилазой с образованием оксалоацетата. За этим следует преобразование оксалоацетата в малат под действием фермента малатдегидрогеназы. фумаратгидратаза затем катализирует дегидратацию малата с образованием фумарата.
фосфоенолпирувата + HCO 3 → оксалоацетат + фосфат
оксалоацетат + NADH + H → малат + NAD
малат → фумарат + H 20
Конечной реакцией образования сукцината является восстановление фумарата. Он катализируется ферментом фумаратредуктаза.
фумарат + NADH + H → сукцинат + NAD
. Это восстановление является анаэробной реакцией дыхания в E. coli, поскольку она использует электроны, связанные с НАДН-дегидрогеназой и цепью переноса электронов. АТФ генерируется с использованием электрохимического градиента и АТФ-синтазы. Это единственный случай в процессе смешанной кислотной ферментации, когда АТФ не продуцируется путем фосфорилирования на уровне субстрата.
Витамин К 2, также известный как менахинон, очень важен для транспорта электронов к фумарату в E. coli. 61>
Формиат может быть преобразован в газообразный водород и диоксид углерода в E. coli. Для этой реакции требуется фермент формиат-гидрогенлиаза. Его можно использовать для предотвращения слишком кислой среды внутри клетки.
формиат → H2и CO2
Метиловый красный тест: в пробирке слева отображается положительный результат, так как кислотные конечные продукты образуются в результате смешанной кислотной ферментации в E. coli. Пробирка справа показывает отрицательный результат, поскольку при ферментации не образуются кислые продукты. Тест метиловый красный (MR) может определить, происходит ли смешанный путь кислотного брожения у микробов при введении глюкозы. Используется индикатор pH, который окрашивает тестовый раствор в красный цвет, если pH падает ниже 4,4. Если процесс ферментации прошел, полученная смесь кислот сделает раствор очень кислым и вызовет изменение цвета на красный.
Тест с метиловым красным относится к группе тестов IMViC.
Множественные бактериальные штаммы были метаболически сконструированы для увеличения индивидуальных выходов конечных продуктов, образованных смешанной кислотной ферментацией. Например, были разработаны штаммы для повышенного производства этанола, лактата, сукцината и ацетата благодаря полезности этих продуктов в биотехнологии. Основным ограничивающим фактором для этой инженерии является необходимость поддержания окислительно-восстановительного баланса в смеси кислот, продуцируемых путем ферментации.
этанол является этанолом. наиболее часто используемое биотопливо, которое может производиться в больших масштабах путем ферментации. Максимальный теоретический выход при производстве этанола был достигнут примерно через 20 лет. Ученые использовали плазмиду, несущую гены пируватдекарбоксилазы и алкогольдегидрогеназы из бактерий Z.mobilis. Это было вставлено в E. coli, что привело к увеличению выхода этанола. Геном этого штамма E. coli, KO11, недавно был секвенирован и картирован.
Формула скелета 
пакетиков из полимолочной кислоты (PLA) Штамм E. coli W3110 был генетически сконструирован, чтобы генерировать 2 моля ацетата на каждый 1 моль глюкозы, подвергающейся ферментации. Это известно как гомоацетатный путь.
Лактат можно использовать для производства биопласта, называемого полимолочной кислотой (PLA). Свойства PLA зависят от соотношения двух оптических изомеров лактата (D-лактата и L-лактата). D-лактат продуцируется смешанной кислотной ферментацией в E. coli. В ранних экспериментах был разработан штамм E.coli RR1 для производства одного из двух оптических изомеров лактата.
Более поздние эксперименты модифицировали штамм E.coli KO11, первоначально разработанный для увеличения производства этанола. Ученым удалось увеличить выход D-лактата от ферментации, выполнив несколько делеций.
Увеличение выхода сукцината от смешанной кислотной ферментации было сначала выполнено с помощью сверхэкспрессии фермент PEP карбоксилаза. Это давало выход сукцината, который был примерно в 3 раза больше обычного. Было проведено несколько экспериментов с использованием аналогичного подхода.
Альтернативные подходы изменили окислительно-восстановительный потенциал и баланс АТФ для оптимизации выхода сукцината.
Существует ряд других путей ферментации которые встречаются у микробов. Все эти пути начинаются с преобразования пирувата, но их конечные продукты и ключевые ферменты, которые им необходимы, различны. Эти пути включают:
