Анаэробы и брожение: виды брожения, продукты, биотехнология и болезни

В 1861 году Луи Пастер рассматривал под микроскопом каплю жидкости, в которой шло маслянокислое брожение, — то самое, от которого прогоркает масло. В капле двигались палочковидные бактерии, и Пастер заметил удивительную вещь: в центре капли они активно плавали, а у краёв, где жидкость соприкасалась с воздухом, замирали. Он пропустил через бродящую жидкость воздух — и брожение остановилось, бактерии погибли. Пастер сделал вывод, поразивший современников: есть живые существа, для которых кислород воздуха не нужен и даже смертелен. Он назвал их анаэробами («живущими без воздуха»), а брожение определил как «жизнь без воздуха» [1].

Это восьмая статья серии об обмене веществ и энергии в клетке (начало — «Обмен веществ клетки»). Здесь подробно разобрано, кто такие анаэробы, что такое брожение и какие виды брожения бывают, какие продукты брожения человек использует тысячелетиями — от хлеба и вина до кефира и силоса, — как анаэробы служат биотехнологии и почему некоторые из них — опасные возбудители болезней.

• 1. Кто такие анаэробы
• 2. Пастер и «жизнь без воздуха»
• 3. Брожение в истории человечества
• 4. Что такое брожение
• 5. Спиртовое брожение
• 6. Дрожжи — самый изученный эукариот
• 7. Биология вина и пива
• 8. Хлеб: от закваски до прессованных дрожжей
• 9. Молочнокислое брожение
• 10. Кисломолочные продукты народов мира
• 11. Силос: консервы для скота
• 12. Как микробы делают сыр
• 13. Молочная кислота в мышцах
• 14. Маслянокислое брожение
• 15. Пропионовокислое брожение
• 16. «Уксуснокислое брожение» — на самом деле не брожение
• 17. Ацетон, бутанол и Первая мировая война
• 18. Другие виды брожения
• 19. Чай, какао и соевый соус: что такое «ферментация» в быту
• 20. Энергетика брожения
• 21. Не путать: анаэробное дыхание
• 22. Брожение в нашем кишечнике
• 23. Анаэробы как объекты биотехнологии
• 24. Как выращивают анаэробов в лаборатории
• 25. Брожение и кариес
• 26. Анаэробы — возбудители болезней
• 27. Как защищаются от столбняка и ботулизма
• 28. Брожение в природе
• 29. Почему в болоте не гниют остатки
• 30. Растения без кислорода
• 31. Частые ошибки
• 32. Интересные факты
• 33. Частые вопросы
• 34. ЕГЭ
• 35. Для олимпиад
• 36. Задания с разбором
• Литература

1. Кто такие анаэробы

Анаэробы — организмы, способные жить и размножаться без кислорода. По отношению к кислороду их делят на несколько групп [2].

• Облигатные (строгие) анаэробы не только не нуждаются в кислороде, но и гибнут в его присутствии. Таковы клостридии (возбудители столбняка, ботулизма, газовой гангрены), бактероиды кишечника, метанообразующие археи.
• Аэротолерантные анаэробы кислород не используют, но и не гибнут от него. Таковы молочнокислые бактерии: они всегда получают энергию брожением, даже на воздухе.
• Факультативные анаэробы при наличии кислорода дышат, а без него переходят на брожение или анаэробное дыхание. Таковы дрожжи, кишечная палочка, многие другие бактерии.

Противоположная группа — аэробы, которым кислород необходим. Большинство животных, растений, грибов — облигатные аэробы, хотя отдельные клетки их тела могут временно работать без кислорода.

Почему кислород ядовит для строгих анаэробов? При контакте клеток с кислородом в них образуются активные формы кислорода — супероксид и пероксид водорода. Аэробы обезвреживают их ферментами супероксиддисмутазой и каталазой, а у многих строгих анаэробов этих ферментов нет или мало. Кроме того, у них есть ферменты, которые кислород необратимо повреждает. Поэтому строгие анаэробы живут только там, где кислорода нет: в глубине ила и почвы, в кишечнике животных, в глубоких ранах, в консервах, в глубинах земных пород.

2. Пастер и «жизнь без воздуха»

Изучение брожения превратило Луи Пастера из химика в микробиолога. В 1856 году к нему, тогда декану факультета в Лилле, обратился местный промышленник Биго, на заводе которого брожение свекловичного сока иногда шло неправильно: вместо спирта получалась кислая масса. Под микроскопом Пастер увидел, что в «хорошем» соке живут круглые клетки дрожжей, а в «испорченном» — мелкие палочки. Так он открыл, что молочнокислое брожение вызывают особые микроорганизмы, а спиртовое — дрожжи, и что каждое брожение связано со своим возбудителем [1].

Пастер вступил в спор с великим немецким химиком Юстусом Либихом, который считал брожение чисто химическим разложением, а дрожжи — лишь побочным продуктом. Пастер доказывал, что брожение — проявление жизнедеятельности живых клеток, получающих энергию без кислорода. Он же заметил, что дрожжи на воздухе тратят гораздо меньше сахара на то же количество собственного роста, чем без воздуха, — этот «эффект Пастера» объясняется тем, что дыхание даёт клетке намного больше энергии, чем брожение.

Спор разрешился лишь после смерти обоих учёных. В 1897 году Эдуард Бухнер показал, что брожение вызывает сок, выжатый из дрожжей, — без живых клеток [3]. Пастер был прав в том, что брожение — дело живых клеток, Либих — в том, что это химический процесс: его ведут ферменты, которые клетки синтезируют. В 1906 году англичане Артур Харден и Уильям Янг обнаружили, что для работы дрожжевого сока нужны неорганический фосфат и небольшая термоустойчивая молекула — «козимаза», которую позже назвали НАД [4]. С этого началась расшифровка гликолиза — первого понятого пути обмена веществ.

3. Брожение в истории человечества

Люди пользовались брожением задолго до того, как узнали о микробах. Самые древние следы сбраживания найдены в Китае: в глиняных сосудах поселения Цзяху, которым около 9 тысяч лет, сохранились следы напитка из риса, мёда и плодов. В Древнем Египте хлеб и пиво были основой питания: рабочие, строившие пирамиды, получали в день по нескольку хлебов и кувшинов пива, которое было густым и питательным. Глиняные сита для отделения сыворотки, найденные в Польше и датированные примерно 7 тысячами лет назад, несут следы молочного жира — это древнейшее свидетельство сыроделия.

Кочевники степей тысячелетиями готовили кумыс — слабоалкогольный напиток из кобыльего молока, в котором идут одновременно молочнокислое и спиртовое брожение. В России с древних времён делали квас, квасили капусту, мочили яблоки, готовили простоквашу и творог. Брожение было способом сохранить урожай на зиму: кислая среда, создаваемая молочнокислыми бактериями, защищала продукты от порчи без холодильников.

Квашеная капуста сыграла роль и в истории мореплавания. Капитан Джеймс Кук в 1768–1771 годах взял в кругосветное плавание несколько тонн квашеной капусты и заставлял матросов её есть. Цинга, косившая экипажи в долгих плаваниях, на его кораблях почти не появлялась. Сегодня известно, что квашеная капуста сохраняет значительную часть витамина C исходной капусты: кислая среда и отсутствие кислорода защищают витамин от разрушения.

4. Что такое брожение

Брожение — бескислородное расщепление органических веществ (чаще всего углеводов), при котором энергия запасается в АТФ только путём субстратного фосфорилирования, а электроны, отнятые у субстрата, передаются на органическую молекулу — продукт того же расщепления [5].

В основе почти всех видов брожения лежит гликолиз (подробно — в статье «Этапы энергетического обмена») — расщепление глюкозы до двух молекул пировиноградной кислоты (пирувата). При этом образуются 2 молекулы АТФ (чистый выход) и 2 молекулы НАД·Н:

C₆H₁₂O₆ + 2АДФ + 2Ф_н + 2НАД⁺ → 2C₃H₄O₃ + 2АТФ + 2НАД·Н + 2H⁺ + 2H₂O

Запас НАД⁺ в клетке очень мал. Если НАД·Н не окислять обратно, гликолиз остановится через секунды. У аэробов НАД·Н отдаёт электроны в дыхательную цепь митохондрий, где они попадают на кислород. Без кислорода клетке нужен другой «сток» для электронов — и им становится сама пировиноградная кислота или продукт её превращения. Она восстанавливается до молочной кислоты, этанола или другого вещества, а НАД⁺ возвращается в гликолиз.

Поэтому главный смысл второй стадии брожения — не получить энергию (АТФ на ней не образуется), а восстановить НАД⁺, чтобы гликолиз мог продолжаться. Разные организмы решают эту задачу по-разному, и в результате образуются разные конечные продукты, по которым и называют виды брожения.

5. Спиртовое брожение

Спиртовое брожение ведут дрожжи (прежде всего пекарские и винные дрожжи сахаромицеты), некоторые бактерии, а также клетки растений в условиях нехватки кислорода. Пировиноградная кислота сначала отщепляет углекислый газ, превращаясь в уксусный альдегид (фермент пируватдекарбоксилаза, коферментом которого служит производное витамина B₁), а затем уксусный альдегид восстанавливается НАД·Н до этилового спирта. Суммарно:

C₆H₁₂O₆ → 2C₂H₅OH + 2CO₂ (+ 2АТФ)

Спиртовое брожение — один из древнейших биотехнологических процессов. Следы вина в глиняных сосудах из Закавказья и Китая имеют возраст 7–9 тысяч лет. Человек использует его в нескольких направлениях:

• Хлебопечение. Дрожжи в тесте сбраживают сахара, образовавшиеся из крахмала муки, и выделяют углекислый газ; пузырьки газа поднимают тесто и делают хлеб пористым. Спирт при выпечке испаряется.
• Виноделие и пивоварение. В вине и пиве нужен спирт, а углекислый газ либо уходит, либо сохраняется (в игристых винах и пиве). Дрожжи гибнут, когда концентрация спирта достигает 12–16 %, поэтому крепость натурального вина не превышает этих значений; более крепкие напитки получают перегонкой.
• Квас — продукт смешанного брожения: спиртового (дрожжи) и молочнокислого (бактерии).
• Биотопливо. Этиловый спирт из сахарного тростника и кукурузы добавляют к бензину; в Бразилии многие автомобили ездят на чистом спирте.

Интересно, что пекарские дрожжи бродят даже на воздухе, если сахара много: при высокой концентрации глюкозы они подавляют дыхание и переходят на брожение. Это кажется невыгодным — брожение даёт в десятки раз меньше энергии, — но позволяет быстро «съесть» сахар и отравить конкурентов спиртом, который затем дрожжи окисляют сами, когда сахар кончится. Спиртовое брожение идёт и в растениях: в корнях на затопленных почвах, в набухающих семенах, в плодах при созревании и хранении (отсюда винный запах перезрелых яблок).

6. Дрожжи — самый изученный эукариот

Пекарские дрожжи Saccharomyces cerevisiae — одноклеточный гриб из отдела сумчатых. Их овальные клетки размером 5–10 мкм размножаются почкованием: на материнской клетке вырастает почка, которая отделяется, оставляя на стенке рубец. По числу рубцов можно узнать, сколько дочерних клеток родила клетка, — обычно не больше 20–30 за всю жизнь.

Дрожжи стали главным модельным организмом биологии эукариот. Их легко выращивать, они быстро размножаются и при этом устроены, как наши клетки: у них есть ядро, митохондрии, ЭПС, аппарат Гольджи. В 1996 году геном дрожжей стал первым полностью прочитанным геномом эукариот. На дрожжах были открыты гены, управляющие клеточным циклом (Нобелевская премия 2001 года), механизмы транспорта пузырьков в клетке (2013) и аутофагии — самопереваривания клеточных компонентов (премия японцу Ёсинори Осуми, 2016). Многие гены человека, связанные с болезнями, впервые изучены на их дрожжевых «родственниках».

7. Биология вина и пива

Вино получают сбраживанием виноградного сока. На кожице винограда живут дикие дрожжи, и в старину вино бродило «само». Сегодня в сусло обычно вносят чистую культуру винных дрожжей, чтобы брожение шло предсказуемо. Дрожжи сбраживают глюкозу и фруктозу винограда до спирта и CO₂; когда сахар кончается или спирт достигает 12–16 %, брожение останавливается. В красных винах сусло бродит вместе с кожицей, из которой переходят пигменты-антоцианы и дубильные вещества. После основного брожения у многих вин идёт вторичное — яблочно-молочнокислое: молочнокислые бактерии превращают кислую яблочную кислоту в более мягкую молочную.

Пиво делают из зерна, в котором сахара нет — есть крахмал, а дрожжи крахмал сбраживать не умеют. Поэтому зерно ячменя сначала проращивают: при прорастании клетки алейронового слоя выделяют амилазы, расщепляющие крахмал до мальтозы. Пророщенное и высушенное зерно — солод — размалывают, заливают горячей водой, и ферменты солода превращают крахмал в сахара (подробнее о ферментах — в статье «Ферменты»). Затем сусло варят с хмелем, придающим горечь и подавляющим посторонние бактерии, и сбраживают пивными дрожжами. Дрожжи низового брожения, работающие при 6–12 °C, оказались гибридом пекарских дрожжей и дикого холодолюбивого вида, найденного в 2011 году в лесах Патагонии.

8. Хлеб: от закваски до прессованных дрожжей

Древнейший хлеб был пресным — лепёшки из муки и воды. Квасной хлеб, по-видимому, появился в Древнем Египте: тесто, оставленное надолго, «заквашивалось» дикими дрожжами и молочнокислыми бактериями из воздуха и муки и поднималось. Часть такого теста стали оставлять для следующей выпечки — так появилась закваска. Ржаной хлеб в России веками пекли именно на закваске: молочнокислые бактерии не только дают кислый вкус, но и подавляют порчу и помогают тесту из ржаной муки, в которой мало клейковины, держать форму.

В XIX веке, когда Пастер показал, что брожение вызывают живые дрожжи, началось промышленное производство чистых культур. Прессованные хлебопекарные дрожжи стали выращивать на заводах в огромных ферментёрах на мелассе с интенсивной аэрацией. Сегодня пекарские дрожжи — один из самых массовых продуктов биотехнологии.

Почему тесто из пшеничной муки поднимается особенно хорошо? Белки муки — глиадины и глютенины — при замешивании с водой образуют клейковину, упругую сетку, которая растягивается пузырьками углекислого газа и удерживает их. Поэтому хлеб из пшеницы пышный, а из муки без клейковины (кукурузной, рисовой) поднимается плохо.

9. Молочнокислое брожение

Молочнокислое брожение — восстановление пировиноградной кислоты НАД·Н прямо до молочной кислоты (лактата), без выделения газа:

C₆H₁₂O₆ → 2CH₃–CH(OH)–COOH (+ 2АТФ)

Его ведут молочнокислые бактерии (лактобациллы, лактококки, стрептококки), а у животных — мышцы при интенсивной работе и эритроциты. Молочнокислые бактерии бывают двух типов. Гомоферментативные образуют почти исключительно молочную кислоту. Гетероферментативные (например, лейконосток) образуют, кроме молочной кислоты, этиловый спирт или уксусную кислоту и углекислый газ — поэтому квашеная капуста при брожении выделяет пузырьки газа.

Молочнокислое брожение — основа множества продуктов.

• Кисломолочные продукты: простокваша, йогурт (болгарская палочка и термофильный стрептококк), ряженка, творог, сметана. Молочная кислота свёртывает белок молока казеин и делает продукт кислым, что подавляет гнилостные бактерии.
• Кефир и кумыс — продукты смешанного брожения: в «кефирных грибках» живут вместе молочнокислые бактерии и дрожжи.
• Сыры: молочнокислые бактерии закисляют молоко и участвуют в созревании сыра.
• Квашеные овощи: капуста, огурцы, помидоры. Молочная кислота и соль подавляют гниение.
• Силос: зелёную массу трав и кукурузы плотно укладывают в ямы и траншеи без доступа воздуха, и молочнокислые бактерии «консервируют» корм для скота на всю зиму.
• Ржаной хлеб на закваске: закваска содержит и дрожжи, и молочнокислые бактерии, придающие хлебу кисловатый вкус.

10. Кисломолочные продукты народов мира

У каждого народа, разводившего молочный скот, сложились свои кисломолочные продукты, и в каждом работает своё сообщество микробов.

• Кефир пришёл с Северного Кавказа. Его закваска — «кефирные грибки», упругие белые комочки из полисахарида и белков, в которых живут десятки видов молочнокислых бактерий, уксуснокислых бактерий и дрожжей. Поэтому кефир содержит немного спирта и CO₂.
• Кумыс — напиток степных кочевников из кобыльего молока, в котором больше лактозы, чем в коровьем; спирта в нём образуется до 1–3 %.
• Йогурт (Балканы, Турция) — продукт совместной работы болгарской палочки и термофильного стрептококка при 40–45 °C: стрептококк быстро закисляет молоко, а палочка придаёт вкус и аромат.
• Мацони (Грузия, Армения), айран (тюркские народы), ряженка и варенец (из топлёного молока, Россия и Украина), скир (Исландия) — всё это варианты молочнокислого брожения с разными микробами и способами приготовления.

Кисломолочные продукты лучше переносят люди с непереносимостью лактозы: часть молочного сахара в них уже сброжена бактериями, а сами бактерии продолжают выделять фермент лактазу в кишечнике.

11. Силос: консервы для скота

Силосование — консервирование зелёных кормов молочнокислым брожением. Свежескошенную траву, кукурузу, подсолнечник измельчают, плотно утрамбовывают в траншеях, башнях или в плёночных рулонах, чтобы вытеснить воздух, и герметично укрывают. Сначала растительные клетки и аэробные бактерии расходуют оставшийся кислород. Затем начинают работать молочнокислые бактерии, всегда присутствующие на растениях: они сбраживают сахара растительного сока до молочной кислоты, и за 2–3 недели pH массы падает до 4 и ниже. В такой кислой среде без кислорода гнилостные и маслянокислые бактерии не размножаются, и корм сохраняется месяцами.

Хороший силос пахнет квашеными яблоками или хлебом. Если трамбовка была плохой или в траве мало сахаров (например, в бобовых травах — клевере, люцерне), молочная кислота накапливается медленно, и верх берут клостридии: силос приобретает резкий запах масляной кислоты, а споры клостридий через молоко коров попадают в сыр и портят его. Поэтому к трудносилосуемым травам добавляют сахаристую патоку, культуры молочнокислых бактерий или кислоты.

12. Как микробы делают сыр

Сыроделие — целая цепочка брожений. Сначала в молоко вносят закваску молочнокислых бактерий, которые сбраживают лактозу и закисляют молоко. Затем добавляют фермент химозин (раньше его получали из желудков телят, теперь чаще — с помощью генно-инженерных микроорганизмов): он отщепляет от белка казеина участок, удерживающий его в растворе, и молоко свёртывается в сгусток. Сгусток режут, отделяют сыворотку, прессуют и солят.

Самое интересное начинается при созревании, которое длится от нескольких недель до нескольких лет. Молочнокислые бактерии продолжают сбраживать остатки лактозы, а их ферменты и ферменты закваски медленно расщепляют белки и жиры до аминокислот, пептидов, жирных кислот, придающих сыру вкус и аромат. В швейцарских сырах работают пропионовокислые бактерии, образующие «глазки». В мягких сырах с белой корочкой и в голубых сырах свою роль играют плесневые грибы пенициллы. Каждый сорт сыра — это особое сообщество микробов, которое сыроделы поддерживают веками.

13. Молочная кислота в мышцах

При интенсивной работе мышцы получают кислорода меньше, чем нужно, и часть АТФ синтезируют гликолизом, превращая пировиноградную кислоту в молочную. Это позволяет быстро получить энергию: гликолиз идёт гораздо быстрее, чем дыхание, — хотя и даёт меньше АТФ на молекулу глюкозы. Эритроциты млекопитающих, у которых нет митохондрий, всегда получают энергию молочнокислым брожением.

Долгое время молочную кислоту считали «отходом» и причиной усталости и боли в мышцах. Сегодня известно, что это не так [6]. Молочная кислота с кровью уходит из мышц и используется как топливо сердцем, мозгом и другими мышцами, а в печени из неё снова синтезируется глюкоза. Этот путь — глюкоза мышц → молочная кислота → печень → глюкоза — называют циклом Кори, по имени открывших его супругов Карла и Герти Кори. Боль в мышцах, возникающая через день-два после непривычной нагрузки, связана не с молочной кислотой (она уходит из мышц за час-два), а с микроповреждениями мышечных волокон и воспалением.

14. Маслянокислое брожение

Маслянокислое брожение ведут строго анаэробные бактерии клостридии. Конечные продукты — масляная кислота, углекислый газ и водород:

C₆H₁₂O₆ → C₃H₇COOH + 2CO₂ + 2H₂ (+ 3АТФ)

Масляная кислота имеет резкий неприятный запах: именно её запах у прогорклого масла и испорченного силоса. Маслянокислые бактерии живут в почве и иле, разлагая растительные остатки. Издавна их использовали при мочке льна и конопли: стебли замачивали в воде, бактерии разрушали межклеточное вещество (пектин), и волокна легко отделялись. В сельском хозяйстве маслянокислое брожение — враг: оно портит силос и сыры, если в них попадают споры клостридий.

Маслянокислое брожение интересно тем, что на молекулу глюкозы даёт не 2, а 3 АТФ: часть энергии бактерия получает дополнительно, превращая ацетилфосфат в ацетат, а избыток электронов «сбрасывает» в виде газообразного водорода.

15. Пропионовокислое брожение

Пропионовокислые бактерии сбраживают молочную кислоту (или сахара) до пропионовой и уксусной кислот и углекислого газа. Они живут в рубце жвачных и в сырах. В твёрдых сырах швейцарского типа (эмменталь и другие) пропионовокислые бактерии на стадии созревания перерабатывают молочную кислоту, образованную молочнокислыми бактериями, и выделяют углекислый газ — от него в сыре образуются крупные «глазки», а пропионовая кислота придаёт сыру характерный сладковато-ореховый вкус. Пропионовокислые бактерии используют и для промышленного получения витамина B₁₂.

16. «Уксуснокислое брожение» — на самом деле не брожение

Если оставить вино открытым, через несколько дней оно скиснет и превратится в уксус. Этот процесс по традиции называют уксуснокислым брожением, но с точки зрения биохимии это не брожение, а неполное аэробное окисление. Уксуснокислые бактерии (ацетобактер) окисляют этиловый спирт кислородом воздуха до уксусной кислоты:

C₂H₅OH + O₂ → CH₃COOH + H₂O

Уксуснокислые бактерии — строгие аэробы: без кислорода процесс не идёт. Поэтому вино хранят в плотно закупоренных бутылках, а уксус, наоборот, делают при хорошем доступе воздуха — на поверхности жидкости образуется плёнка бактерий («уксусная матка»). Эту же группу бактерий вместе с дрожжами содержит «чайный гриб».

17. Ацетон, бутанол и Первая мировая война

Некоторые клостридии превращают сахара и крахмал в ацетон, бутиловый спирт и этанол. История этого брожения неожиданно связана с войной. В начале Первой мировой войны Великобритании остро не хватало ацетона — растворителя, необходимого для производства бездымного пороха кордита. Химик Манчестерского университета Хаим Вейцман незадолго до войны выделил бактерию, сбраживающую кукурузный крахмал с большим выходом ацетона и бутанола. Британское правительство построило заводы по его методу, и в годы войны значительная часть ацетона для пороха была получена бактериальным путём [7]. Сам Вейцман позднее стал первым президентом Государства Израиль.

После войны ацетон-бутанольное брожение было крупнейшей отраслью промышленной микробиологии, уступая лишь спиртовому. В середине XX века его вытеснило дешёвое получение этих веществ из нефти. Сегодня к нему возвращаются: бутанол считают перспективным биотопливом, а генетически улучшенные штаммы клостридий позволяют получать его из отходов сельского хозяйства.

18. Другие виды брожения

• Смешанное (муравьинокислое) брожение кишечной палочки и её родственников даёт смесь молочной, уксусной, янтарной, муравьиной кислот, этанола, CO₂ и водорода. По набору продуктов брожения в микробиологии различают виды бактерий.
• Метановое «брожение» — разложение органических веществ без кислорода сообществом микробов: одни расщепляют полимеры и сбраживают сахара до кислот, спиртов, водорода и CO₂, а метанообразующие археи превращают эти продукты в метан. Так образуется болотный газ и работает биогазовая установка, превращающая навоз и пищевые отходы в горючий газ и удобрение.
• Брожение аминокислот — например, клостридии сбраживают пары аминокислот, одну окисляя, другую восстанавливая. Продукты гниения белков — аммиак, сероводород, амины с неприятным запахом — образуются во многом при таком брожении.

19. Чай, какао и соевый соус: что такое «ферментация» в быту

В быту словом «ферментация» называют разные процессы, и не все они — брожение. При производстве чёрного чая листья скручивают, разрушая клетки, и собственные ферменты листа (полифенолоксидазы) окисляют дубильные вещества кислородом воздуха. Это не брожение и вообще не работа микробов, а ферментативное окисление — как потемнение разрезанного яблока. Поэтому чайщики называют этот этап «ферментацией» лишь по традиции.

Зато какао — настоящий продукт микробного брожения. Бобы какао вместе с мякотью плодов складывают в кучи или ящики на несколько дней. Сначала дрожжи сбраживают сахара мякоти до спирта, затем молочнокислые и уксуснокислые бактерии превращают его в кислоты; температура в куче поднимается до 45–50 °C. Кислоты и тепло проникают в бобы, убивают зародыш и запускают реакции, из которых потом при обжарке рождается вкус шоколада. Без брожения шоколад получился бы горьким и безвкусным.

Соевый соус, японский мисо, корейское кимчи, квашеная рыба — продукты многоступенчатого брожения. Для соевого соуса сначала выращивают на сое и пшенице плесневый гриб аспергилл, ферменты которого расщепляют белки и крахмал, а затем в солёном растворе месяцами работают молочнокислые бактерии и солеустойчивые дрожжи.

20. Энергетика брожения

При брожении молекула глюкозы расщепляется не до CO₂ и воды, а до сравнительно крупных молекул — спирта, молочной кислоты, — в которых остаётся большая часть энергии. Поэтому брожение даёт всего 2 молекулы АТФ (у некоторых бактерий — 3–4) на молекулу глюкозы, а полное аэробное окисление — 38 (по современным оценкам — около 30–32). Энергетически брожение в 15–19 раз менее выгодно.

Следствия этого видны повсюду. Бродильщики должны расщеплять огромное количество сахара, чтобы расти: дрожжи в тесте или сусле за несколько дней перерабатывают сахар, во много раз превышающий их массу. Продукты брожения содержат ещё много энергии: спирт горит, его используют как топливо; молочную кислоту в организме человека окисляют сердце и мозг; метан болот — природный газ. Но именно это делает брожение быстрым и простым: оно не требует ни кислорода, ни мембран, ни сложной дыхательной цепи, и его ферменты есть в цитоплазме всех клеток.

21. Не путать: анаэробное дыхание

Не всякая бескислородная жизнь — брожение. Многие бактерии и археи осуществляют анаэробное дыхание: у них, как у аэробов, есть цепь переносчиков электронов и АТФ-синтаза, но конечным акцептором электронов служит не кислород, а другое вещество — нитрат, сульфат, соединения трёхвалентного железа, сера, углекислый газ.

• Денитрифицирующие бактерии восстанавливают нитраты до молекулярного азота. Это важное звено круговорота азота, но в сельском хозяйстве — потеря азотных удобрений.
• Сульфатредуцирующие бактерии (десульфовибрион и другие) восстанавливают сульфаты до сероводорода. Именно они придают запах тухлых яиц и чёрный цвет илу болот и морских заливов; они же разрушают подземные металлические трубы.
• Железоредуцирующие бактерии восстанавливают трёхвалентное железо, растворяя его оксиды.

Анаэробное дыхание даёт больше энергии, чем брожение, но меньше, чем дыхание с кислородом. В отличие от брожения, при нём органическое вещество может окисляться полностью до CO₂. Поэтому в школьной формулировке «анаэробы получают энергию брожением» — упрощение: многие анаэробы дышат, только без кислорода (подробнее о хемосинтетиках, использующих похожие цепи, — в статье «Хемосинтез»).

22. Брожение в нашем кишечнике

В толстой кишке человека живут сотни видов бактерий, и большинство из них — анаэробы: кислорода там почти нет. Они сбраживают то, что не переварили наши ферменты, — пищевые волокна (целлюлозу, пектины, устойчивый крахмал), часть белков. Главные продукты — короткоцепочечные жирные кислоты: уксусная, пропионовая и масляная [8]. Масляная кислота — основное «топливо» для клеток эпителия толстой кишки, пропионовая уходит в печень и участвует в синтезе глюкозы, уксусная — в синтезе жиров. В сумме эти кислоты дают человеку до 5–10 % суточной энергии. Поэтому пищевые волокна, хотя мы их сами не перевариваем, важны для здоровья.

У жвачных роль бактериального брожения ещё больше. В рубце коровы бактерии, простейшие и грибы сбраживают целлюлозу травы до жирных кислот, которые и служат корове главным источником энергии, а метаногены превращают избыток водорода в метан. Без бродильщиков корова не смогла бы использовать траву как пищу.

Газы, образующиеся при брожении в кишечнике, вызывают вздутие, особенно после бобовых, капусты, а у людей с непереносимостью лактозы — после молока: непереваренный молочный сахар бродит в толстой кишке.

23. Анаэробы как объекты биотехнологии

Анаэробные микроорганизмы — одни из главных «рабочих» биотехнологии. Их ценят за то, что они превращают дешёвое сырьё в нужные вещества, не требуя дорогой аэрации, и за то, что их продукты накапливаются в среде в больших количествах.

• Пищевая промышленность: хлебопечение, виноделие, пивоварение, производство кисломолочных продуктов, сыров, квашеных овощей.
• Получение органических веществ: этанол (растворитель, топливо, сырьё химической промышленности), молочная кислота (консервант, сырьё для биоразлагаемого пластика полилактида, из которого делают одноразовую посуду и хирургические нити), бутанол, ацетон.
• Кормопроизводство: силосование зелёных кормов молочнокислыми бактериями.
• Энергетика: биогаз из навоза, отходов пищевых производств, осадка сточных вод; биоэтанол.
• Медицина: пробиотики — препараты живых молочнокислых бактерий и бифидобактерий; витамин B₁₂, получаемый пропионовокислыми бактериями; ботулотоксин в малых дозах как лекарство.
• Охрана среды: анаэробная очистка сильно загрязнённых сточных вод с получением биогаза; разложение отходов.

Промышленное брожение ведут в ферментёрах — огромных ёмкостях, где поддерживают нужную температуру, кислотность и стерильность. Для анаэробных процессов в ферментёр не подают воздух, а иногда, наоборот, продувают азотом. Сырьём служат меласса (отход сахарного производства), кукурузный и картофельный крахмал, молочная сыворотка, растительные отходы.

24. Как выращивают анаэробов в лаборатории

Выращивать строгих анаэробов трудно: даже следы кислорода губят их. В XIX веке бактерии культивировали в глубине толстого слоя питательной среды или в запаянных трубках, из которых откачан воздух. В 1950 году американский микробиолог Роберт Хангейт придумал методику, позволившую выращивать самых чувствительных анаэробов рубца коровы: все растворы кипятили, чтобы удалить кислород, продували бескислородным газом и добавляли восстановители, а бактерии выращивали в плотно закрытых пробирках, распределив агар тонким слоем по стенке. Сегодня работают в анаэробных боксах — герметичных камерах с атмосферой азота, водорода и CO₂, куда исследователь проникает руками через резиновые перчатки.

Благодаря этим методам выяснилось, что в кишечнике человека живут сотни видов строгих анаэробов, многие из которых до сих пор не удаётся вырастить, и изучают их в основном по ДНК.

25. Брожение и кариес

Самое распространённое заболевание человека — кариес — тоже связано с брожением. На поверхности зубов живёт плёнка бактерий — зубной налёт. Главный виновник кариеса — стрептококк мутанс и родственные ему молочнокислые бактерии. После каждого приёма сладкой пищи они за минуты сбраживают сахара до молочной кислоты, и кислотность в налёте падает ниже pH 5,5. При такой кислотности из эмали зуба начинают растворяться ионы кальция и фосфата. Слюна постепенно нейтрализует кислоту, и эмаль частично восстанавливается. Но если сладкое едят часто, «кислотные атаки» следуют одна за другой, эмаль не успевает восстанавливаться, и образуется полость.

Отсюда понятны правила профилактики: важно не столько количество сахара, сколько частота «перекусов»; полезно чистить зубы и удалять налёт; фтор, встраиваясь в эмаль, делает её устойчивее к кислоте. А сахарозаменители вроде ксилита бактерии почти не сбраживают — поэтому их добавляют в жевательную резинку «без сахара». Так знание о брожении помогает сохранить здоровые зубы на всю жизнь.

26. Анаэробы — возбудители болезней

Некоторые анаэробные бактерии опасны для человека. Самые известные — клостридии, строгие анаэробы, образующие эндоспоры. Споры клостридий очень устойчивы: они выдерживают высыхание, кипячение в течение часа, многие дезинфицирующие средства и годами сохраняются в почве и пыли. Попав в бескислородную среду, споры прорастают, и бактерии начинают размножаться и выделять сильнейшие яды [2].

• Столбняк вызывает клостридия столбнячная. Её споры живут в почве и навозе. Если они попадают в глубокую колотую рану (гвоздём, щепкой, при травме на огороде), где мало кислорода, бактерии размножаются и выделяют токсин — тетаноспазмин. Он блокирует выделение тормозных медиаторов в спинном мозге, и мышцы сводит судорогами: челюсти смыкаются, тело выгибается дугой. Без лечения столбняк часто смертелен.
• Ботулизм вызывает клостридия ботулинум. Её споры попадают в домашние консервы — грибы, овощи, мясо, рыбу, — которые плохо простерилизованы. В закрытой банке без кислорода бактерии размножаются и выделяют ботулотоксин — самый сильный из известных ядов: смертельная доза для человека — около одной десятимиллионной грамма. Токсин блокирует выделение ацетилхолина в нервно-мышечных синапсах, и развивается паралич, в том числе дыхательных мышц. Опасно, что заражённая банка может не вздуться и не изменить вкус.
• Газовая гангрена вызывается клостридиями, попавшими в обширные размозжённые раны с омертвевшими тканями. Бактерии разрушают ткани ферментами, а выделяемый ими газ скапливается в мышцах. В Первую мировую войну газовая гангрена была одной из главных причин смерти раненых.
• Псевдомембранозный колит вызывает клостридиоидес диффициле, которая размножается в кишечнике, когда антибиотики уничтожают нормальную микрофлору. Это одна из самых частых больничных инфекций.

Анаэробные бактерии полости рта и кишечника (бактероиды, фузобактерии и другие) участвуют в развитии кариеса, болезней дёсен, абсцессов и гнойных воспалений после операций. Против анаэробных инфекций, кроме антибиотиков, применяют кислород: тщательную обработку ран, удаляющую омертвевшие ткани, а иногда — лечение кислородом под повышенным давлением в барокамере.

Особенности обмена веществ анаэробов используют и при их лечении. Антибиотик метронидазол в обычных клетках неактивен, но в клетках анаэробов, где много особых переносчиков электронов с очень низким потенциалом, он восстанавливается и превращается в ядовитые частицы, повреждающие ДНК микроба. Поэтому метронидазол избирательно действует на анаэробных бактерий и некоторых простейших (лямблий, трихомонад), почти не затрагивая аэробные клетки человека.

27. Как защищаются от столбняка и ботулизма

Знание биологии анаэробов позволяет предотвращать эти болезни.

Против столбняка применяют прививку анатоксином — обезвреженным токсином, который вызывает выработку защитных антител, но не болезнь. Его в 1924 году создал французский ветеринар Гастон Рамон, обработав столбнячный токсин формалином при нагревании. А ещё раньше, в 1890 году, японец Китасато Сибасабуро и немец Эмиль фон Беринг показали, что сыворотка крови иммунизированных животных нейтрализует столбнячный токсин, — так появилась противостолбнячная сыворотка. При глубоких ранах, если человек давно не прививался, вводят противостолбнячные антитела. Благодаря прививкам столбняк в развитых странах стал редкостью.

Против ботулизма главное — правильное консервирование. Споры ботулинума не погибают при обычном кипячении при 100 °C, поэтому овощи, мясо и грибы промышленно стерилизуют в автоклавах при 115–121 °C. Бактерия не размножается в кислой среде (pH ниже 4,6), в рассолах с высоким содержанием соли, при низкой температуре. Поэтому опасны прежде всего домашние консервы из неспелых, малокислых продуктов — грибов, бобов, мяса, — закатанные без уксуса и стерилизации. Нитрит натрия, который добавляют в колбасы и ветчину, подавляет прорастание спор ботулинума. Не случайно само слово «ботулизм» происходит от латинского botulus — колбаса: в XIX веке им часто заболевали, поев домашней колбасы.

28. Брожение в природе

Брожение идёт везде, где есть сахара и нет кислорода, — и иногда с неожиданными последствиями. Осенью и зимой ягоды рябины, оставшиеся на деревьях, подмерзают, оттаивают и начинают бродить. Свиристели и дрозды, наевшиеся перебродивших ягод, иногда «пьянеют»: теряют координацию, разбиваются о стёкла. У некоторых птиц и млекопитающих, питающихся плодами, печень приспособлена быстро окислять спирт. Широко известная история о слонах, пьянеющих от перебродивших плодов дерева марула, скорее всего, преувеличение: чтобы опьянеть, слону пришлось бы съесть невероятное количество плодов.

Нектар многих цветков бродит под действием дрожжей, живущих в нём. Малайская перохвостая тупайя каждую ночь пьёт перебродивший нектар пальмы, содержащий до 3,8 % спирта, и при этом не пьянеет — её организм очень быстро перерабатывает этанол. Учёные предполагают, что любовь людей и человекообразных обезьян к запаху спирта восходит к тому, что наши предки ели перезрелые падалицы плодов, и способность расщеплять этанол у них заметно усилилась около 10 миллионов лет назад.

29. Почему в болоте не гниют остатки

На болотах растения отмирают, но не разлагаются полностью, а накапливаются в виде торфа — по миллиметру в год, тысячелетиями. Причина — в анаэробных условиях. Под слоем воды кислорода почти нет, а анаэробное разложение идёт медленно и не до конца; к тому же сфагновые мхи закисляют воду и выделяют вещества, подавляющие бактерии. Торфяники хранят огромное количество углерода — больше, чем все леса планеты, — и при осушении и пожарах он возвращается в атмосферу в виде CO₂.

Болотная среда сохраняет и тела. В торфяниках Дании, Германии, Ирландии нашли «болотных людей» — тела, пролежавшие две тысячи лет и более, с сохранившейся кожей, волосами, даже содержимым желудка. Человек из Толлунда, найденный в 1950 году, выглядел так, будто умер недавно. Холод, кислотность и отсутствие кислорода остановили работу гнилостных микробов.

30. Растения без кислорода

Растения — аэробы, но их корни часто попадают в условия нехватки кислорода: при затоплении почвы после дождей и паводков, в плотной глинистой почве, на болотах. Кислород в воде диффундирует в десять тысяч раз медленнее, чем в воздухе, и корни затопленных растений быстро начинают задыхаться. Они переходят на спиртовое и молочнокислое брожение, но энергии им не хватает, а накапливающийся спирт отравляет клетки. Поэтому большинство растений гибнет после нескольких дней затопления.

Растения болот и водоёмов приспособились: у риса, камыша, кувшинки, тростника в стеблях и корнях есть аэренхима — ткань с крупными воздушными полостями, по которой кислород от листьев доходит до корней. Мангровые деревья выставляют из ила дыхательные корни — пневматофоры. А рис, выращиваемый на затопленных полях, ещё и способен быстро вытягивать стебель над водой при наводнении. Набухающие семена в почве с нехваткой воздуха тоже бродят — поэтому семена, слишком глубоко заделанные во влажную плотную почву, часто «задыхаются» и не всходят.

31. Частые ошибки

• «Анаэробы — это организмы, которые не дышат». Многие анаэробы дышат без кислорода, используя нитраты, сульфаты и другие акцепторы; брожение — лишь один из способов получения энергии без кислорода.
• «Брожение даёт 4 АТФ». В гликолизе образуется 4 АТФ, но 2 расходуются в его начале; чистый выход брожения — 2 АТФ на молекулу глюкозы.
• «Спирт и молочная кислота образуются для получения энергии». Превращение пирувата в спирт или молочную кислоту энергии не даёт — оно нужно для восстановления НАД⁺.
• «Уксусную кислоту получают анаэробным брожением». Уксуснокислые бактерии — аэробы; они окисляют спирт кислородом.
• «Дрожжи — бактерии». Дрожжи — одноклеточные грибы, эукариоты.
• «При молочнокислом брожении выделяется углекислый газ». При гомоферментативном молочнокислом брожении газ не выделяется; CO₂ выделяется при спиртовом, маслянокислом и гетероферментативном молочнокислом брожении.
• «Мышцы болят на следующий день из-за молочной кислоты». Молочная кислота уходит из мышц за час-два; отсроченная боль связана с микроповреждениями волокон.
• «Кипячение убивает все бактерии». Споры клостридий выдерживают кипячение; для их уничтожения нужна стерилизация при 115–121 °C.

32. Интересные факты

• Пастер открыл анаэробов, заметив, что бактерии маслянокислого брожения замирают у краёв капли, где жидкость касается воздуха.
• Вину не меньше 8 тысяч лет: остатки виноградного вина найдены в глиняных сосудах эпохи неолита в Закавказье.
• Дрожжи гибнут, когда концентрация спирта достигает 12–16 %, поэтому натуральное вино не бывает крепче.
• «Глазки» в швейцарском сыре — пузыри углекислого газа, выделенного пропионовокислыми бактериями.
• Значительную часть ацетона для британского пороха в Первую мировую войну получили с помощью бактерий по методу Хаима Вейцмана — будущего первого президента Израиля.
• Ботулотоксин — самый сильный из известных ядов, но в микродозах его используют как лекарство.
• Слово «ботулизм» происходит от латинского botulus — колбаса.
• Бактерии толстой кишки сбраживают пищевые волокна и дают человеку до 5–10 % суточной энергии.
• Капитан Кук возил в кругосветное плавание тонны квашеной капусты — и на его кораблях почти не было цинги.
• Геном пекарских дрожжей стал первым полностью прочитанным геномом эукариот (1996).
• Свиристели, наевшиеся перебродившей рябины, иногда «пьянеют» и теряют координацию.

33. Частые вопросы

Чем брожение отличается от гниения?

Брожением обычно называют бескислородное расщепление углеводов с образованием спирта, кислот, газов; гниением — разложение белков микроорганизмами с образованием аммиака, сероводорода, аминов с неприятным запахом. Гниение может идти и с участием кислорода, и без него. Чёткой границы нет: гниение во многом — тоже брожение, только аминокислот.

Почему тесто поднимается, а кефир — нет, хотя в обоих идёт брожение?

В тесте дрожжи ведут спиртовое брожение и выделяют много углекислого газа, который задерживается в упругой клейковине и поднимает тесто. В кефире преобладает молочнокислое брожение, при котором газа почти нет; небольшое количество CO₂ дают дрожжи кефирных грибков — поэтому кефир слегка «покалывает» язык.

Почему в квашеной капусте не заводятся гнилостные бактерии?

Молочнокислые бактерии быстро накапливают молочную кислоту, и кислотность среды становится такой высокой (pH около 3,5–4), что гнилостные бактерии не могут размножаться. Соль подавляет их ещё сильнее и вытягивает из капусты сок с сахарами, которые нужны молочнокислым бактериям.

Почему домашние грибные консервы опаснее варенья?

В варенье очень много сахара, который отнимает воду у клеток микробов, а во многих ягодах высокая кислотность. Грибы, мясо, бобы малокислые, и в герметичной банке без кислорода споры ботулинума, пережившие обычное кипячение, могут прорасти и образовать токсин. Поэтому малокислые продукты консервируют с уксусом или стерилизуют под давлением.

Можно ли сказать, что дрожжи — анаэробы?

Дрожжи — факультативные анаэробы: при наличии кислорода они дышат и размножаются быстро, а без кислорода получают энергию спиртовым брожением. Поэтому для выращивания дрожжей (например, при производстве прессованных дрожжей) культуру продувают воздухом, а для получения спирта — держат без доступа воздуха.

Почему эритроциты получают энергию брожением, хотя переносят кислород?

У зрелых эритроцитов млекопитающих нет митохондрий — они утрачены при созревании, чтобы освободить место для гемоглобина и не расходовать переносимый кислород. Поэтому АТФ эритроциты получают только гликолизом с образованием молочной кислоты.

Что такое пробиотики и пребиотики?

Пробиотики — препараты и продукты с живыми полезными бактериями (чаще молочнокислыми и бифидобактериями). Пребиотики — вещества, которые не перевариваются ферментами человека, но служат пищей полезным бактериям кишечника, например некоторые пищевые волокна. Польза многих пробиотиков доказана лишь для отдельных состояний, но значение нормальной микрофлоры кишечника для здоровья несомненно.

Почему столбняком нельзя заразиться от больного человека?

Столбняк — не заразная болезнь в обычном смысле: возбудитель не передаётся от человека к человеку. Заражение происходит, когда споры из почвы попадают в рану с бескислородными условиями. Поэтому защищает от столбняка только прививка, а не изоляция больных.

Почему пиво и вино иногда «закисают» после открытия?

При доступе воздуха в напиток попадают уксуснокислые бактерии, которые окисляют спирт до уксусной кислоты. Поэтому вино хранят в закупоренных бутылках, а открытую бутылку стараются быстро допить или убрать в холод, где бактерии работают медленнее.

Чем отличаются хлебные дрожжи от пивных и винных?

Все они относятся к одному или близким видам сахаромицетов, но за тысячи лет одомашнивания разошлись в разные «породы». Хлебные дрожжи быстро выделяют много CO₂, винные выдерживают высокую концентрацию спирта, пивные низового брожения работают при низкой температуре. Генетики показали, что промышленные штаммы дрожжей разделились на группы, как породы собак, задолго до появления науки о микробах.

Можно ли сказать, что человек тоже бродит?

Отдельные клетки человека — да: эритроциты всегда, а мышцы при интенсивной нагрузке получают АТФ, превращая глюкозу в молочную кислоту. Кроме того, в кишечнике каждого человека живут триллионы бактерий-бродильщиков. Но в целом человек — облигатный аэроб: без кислорода его мозг гибнет за минуты.

Почему кефир помогает при непереносимости молока?

В кефире бактерии уже сбродили значительную часть лактозы, а живые бактерии продолжают выделять лактазу в кишечнике. Поэтому многие люди, плохо переносящие цельное молоко, нормально переносят кефир, йогурт и сыры (в твёрдых сырах лактозы почти нет).

Почему торф горит, а свежая трава — нет?

Торф — это плохо разложившиеся остатки растений, накопленные за тысячи лет без доступа кислорода; в нём сохранилась большая часть энергии, запасённой при фотосинтезе, и после осушения он горит, как топливо. Торфяные пожары тлеют в глубине месяцами и трудно поддаются тушению.

Что такое закваска и чем она отличается от дрожжей?

Закваска — живое сообщество микроорганизмов, которое переносят из одной порции продукта в другую: в хлебной закваске — дикие дрожжи и молочнокислые бактерии, в кефирной — «кефирные грибки». Магазинные дрожжи — чистая культура одного штамма дрожжей. Закваска даёт более сложный вкус и кислотность, но работает медленнее и менее предсказуемо.

Почему квашеные овощи не нужно стерилизовать, а маринованные огурцы — нужно?

При квашении молочнокислые бактерии сами создают кислую среду и вытесняют других микробов; продукт хранят в прохладе, и брожение медленно продолжается. При мариновании кислоту — уксус — добавляют готовой, живых полезных бактерий нет, и банку стерилизуют, чтобы уничтожить всех микробов и их споры, а затем герметично закрывают.

Почему в закрытой банке с вареньем иногда появляется «шипучка»?

Если в варенье мало сахара или банка была плохо простерилизована, в него попадают дрожжи. Они начинают спиртовое брожение: сахар превращается в спирт и углекислый газ, варенье пузырится, приобретает винный запах, а крышка может вздуться. Такое варенье уже нельзя считать безопасным: вместе с дрожжами могли размножиться и другие микроорганизмы.

34. ЕГЭ

Типичные задания: соответствие «организм — вид брожения — продукт»; выбор признаков брожения; задачи на подсчёт АТФ при неполном расщеплении глюкозы (часть молекул только бродит); вопросы второй части: «Почему дрожжи в анаэробных условиях расходуют больше сахара?», «Почему домашние консервы могут быть причиной ботулизма?», «Почему при беге на короткие дистанции в мышцах накапливается молочная кислота?».

Разбор типичного задания второй части

Задание: «Объясните, почему дрожжи в бескислородных условиях расходуют гораздо больше глюкозы, чем при доступе кислорода, чтобы получить одинаковое количество энергии». Полный ответ: 1) без кислорода дрожжи получают энергию спиртовым брожением, при котором глюкоза расщепляется только до этанола и CO₂; 2) при брожении образуется лишь 2 молекулы АТФ на молекулу глюкозы (гликолиз); 3) при доступе кислорода пировиноградная кислота полностью окисляется в митохондриях до CO₂ и H₂O, и образуется 38 молекул АТФ; 4) поэтому для получения того же количества АТФ без кислорода нужно расщепить примерно в 19 раз больше глюкозы.

35. Для олимпиад

Баланс восстановительных эквивалентов. В гликолизе на молекулу глюкозы образуется 2 НАД·Н. Брожение «сбалансировано», если весь этот НАД·Н окисляется обратно: при молочнокислом брожении — восстановлением 2 пируватов до 2 лактатов, при спиртовом — 2 ацетальдегидов до 2 этанолов. Степень окисления углерода в сумме продуктов равна его степени окисления в глюкозе (в среднем 0): в этаноле −2, в CO₂ +4; 2 · 2 · (−2) + 2 · (+4) = 0.

Энергетика. ΔG°′ спиртового брожения глюкозы — около −235 кДж/моль, молочнокислого — около −196 кДж/моль, полного окисления — около −2870 кДж/моль. При брожении запасается 2 · 30,5 ≈ 61 кДж — около 26–31 % выделившейся энергии, то есть КПД брожения не так уж мал; мала сама выделяющаяся энергия, потому что продукты брожения — ещё богатые энергией вещества.

Эффект Пастера и эффект Кребтри. У большинства факультативных анаэробов кислород подавляет брожение: дыхание выгоднее, и скорость гликолиза снижается (эффект Пастера; механизм — торможение фосфофруктокиназы АТФ и цитратом). Но пекарские дрожжи при высокой концентрации глюкозы бродят даже на воздухе (эффект Кребтри). Похоже ведут себя многие опухолевые клетки: они расщепляют глюкозу до молочной кислоты даже при достатке кислорода — это явление описал Отто Варбург в 1920-х годах, и на нём основана диагностика опухолей методом позитронно-эмиссионной томографии с меченой глюкозой.

Сколько сахара тратят дрожжи. При выращивании пекарских дрожжей с интенсивной аэрацией из 1 кг сахара получают около 0,5 кг сухой биомассы дрожжей, а при брожении без воздуха — лишь около 0,1 кг. Разница в несколько раз меньше, чем разница в выходе АТФ (около 30 и 2 молекулы на глюкозу), потому что часть глюкозы в любом случае идёт не на получение энергии, а на построение клеток: её углерод входит в белки, полисахариды стенки, липиды. Именно поэтому производители прессованных дрожжей продувают ферментёры воздухом и подают сахар понемногу, не давая дрожжам переключиться на брожение (эффект Кребтри).

Энергия маслянокислого брожения. Клостридии получают 3 АТФ на глюкозу: 2 в гликолизе и 1 при превращении ацетил-КоА через ацетилфосфат в ацетат или бутират. Избыток восстановленного переносчика они «сбрасывают», выделяя газообразный водород с помощью гидрогеназы, — поэтому маслянокислое брожение сопровождается выделением H₂.

36. Задания с разбором

Задание 1

Выберите три верных ответа. Брожение: 1) идёт без участия кислорода; 2) происходит в митохондриях; 3) даёт 2 молекулы АТФ на молекулу глюкозы; 4) завершается образованием CO₂ и H₂O; 5) начинается с гликолиза; 6) даёт больше энергии, чем дыхание.

Задание 2

Установите соответствие между видами брожения и их продуктами. Продукты: А) этанол и CO₂; Б) молочная кислота; В) масляная кислота, CO₂ и H₂; Г) пропионовая и уксусная кислоты, CO₂; Д) ацетон и бутанол. Виды: 1) спиртовое; 2) молочнокислое; 3) маслянокислое; 4) пропионовокислое; 5) ацетон-бутанольное.

Задание 3

Установите соответствие между организмами и отношением к кислороду. Организмы: А) возбудитель столбняка; Б) пекарские дрожжи; В) уксуснокислые бактерии; Г) возбудитель ботулизма; Д) кишечная палочка; Е) молочнокислые бактерии. Группы: 1) облигатные аэробы; 2) облигатные анаэробы; 3) факультативные анаэробы; 4) аэротолерантные анаэробы.

Задание 4

Найдите ошибки в тексте. (1) Брожение — бескислородное расщепление органических веществ. (2) Брожение идёт в митохондриях. (3) При спиртовом брожении образуются этанол и углекислый газ. (4) Молочнокислое брожение ведут дрожжи. (5) Брожение энергетически выгоднее аэробного дыхания.

Задание 5

Выберите три верных ответа. Продукты, получаемые с помощью молочнокислого брожения: 1) кефир; 2) вино; 3) квашеная капуста; 4) уксус; 5) силос; 6) пиво.

Задание 6

Почему при брожении образуется так мало АТФ? Какова роль превращения пировиноградной кислоты в молочную кислоту или этанол?

Задание 7

В процессе диссимиляции 8 молекул глюкозы подверглись расщеплению, причём 3 из них — полному окислению, а остальные — молочнокислому брожению. Сколько молекул АТФ образовалось? Сколько молекул молочной кислоты и CO₂?

Задание 8

Выберите три верных ответа. Клостридии: 1) строгие анаэробы; 2) образуют устойчивые споры; 3) вызывают столбняк и ботулизм; 4) используются для получения уксуса; 5) погибают при кипячении за минуту; 6) являются грибами.

Задание 9

Почему глубокая колотая рана, загрязнённая землёй, опасна заражением столбняком, а поверхностная ссадина — гораздо меньше?

Задание 10

Установите последовательность процессов при спиртовом брожении: А) образование уксусного альдегида и CO₂; Б) расщепление глюкозы до пировиноградной кислоты; В) восстановление уксусного альдегида до этанола; Г) поступление глюкозы в клетку дрожжей; Д) окисление НАД·Н до НАД⁺.

Задание 11

Почему уксуснокислое «брожение» не является брожением в биохимическом смысле?

Задание 12

Выберите три верных ответа. Значение анаэробных микроорганизмов для человека: 1) производство кисломолочных продуктов; 2) получение биогаза; 3) образование большей части кислорода атмосферы; 4) силосование кормов; 5) фиксация CO₂ в цикле Кальвина; 6) синтез хлорофилла.

Задание 13

Почему при консервировании грибов в домашних условиях рекомендуют добавлять уксус и стерилизовать банки долго?

Задание 14

Установите соответствие между характеристиками и процессами. Характеристики: А) конечный акцептор электронов — кислород; Б) конечный акцептор — органическое вещество; В) выход 38 АТФ на глюкозу; Г) идёт только в цитоплазме; Д) конечные продукты — CO₂ и H₂O; Е) продукт — молочная кислота. Процессы: 1) брожение; 2) аэробное дыхание.

Задание 15

Почему при беге на 400 метров у спортсмена в крови резко повышается концентрация молочной кислоты, а при спокойной ходьбе — нет?

Задание 16

Выберите три верных ответа. Анаэробное дыхание: 1) использует в качестве конечного акцептора электронов нитраты, сульфаты и другие вещества; 2) идёт с участием цепи переносчиков электронов; 3) свойственно некоторым бактериям и археям; 4) то же самое, что брожение; 5) требует кислорода; 6) свойственно всем растениям.

Задание 17

Почему тесто ставят в тёплое место, а при выпечке хлеба дрожжи погибают? Какой газ поднимает тесто?

Задание 18

Установите соответствие между болезнями и их особенностями. Особенности: А) заражение через глубокие раны со спорами из почвы; Б) заражение через плохо простерилизованные консервы; В) развивается при подавлении нормальной микрофлоры кишечника антибиотиками; Г) газ в мышцах при размозжённых ранах. Болезни: 1) столбняк; 2) ботулизм; 3) псевдомембранозный колит; 4) газовая гангрена.

Задание 19 (олимпиадное)

Дрожжи сбродили 1,8 кг глюкозы. Сколько граммов этанола образовалось и какой объём CO₂ (н. у.) выделился? Сколько молей АТФ получили дрожжи? Сколько глюкозы им понадобилось бы для получения того же количества АТФ при аэробном дыхании (38 АТФ на глюкозу)?

Задание 20 (олимпиадное)

Известно, что опухолевые клетки часто расщепляют глюкозу до молочной кислоты даже при достатке кислорода (эффект Варбурга). Почему при этом они потребляют глюкозу гораздо интенсивнее нормальных клеток? Как это используют в диагностике?

Литература

1. Barnett J. A. A history of research on yeasts 2: Louis Pasteur and his contemporaries, 1850–1880 // Yeast. 2000. Vol. 16. P. 755–771.
2. Madigan M. T., Bender K. S., Buckley D. H., Sattley W. M., Stahl D. A. Brock Biology of Microorganisms. 16th ed. Pearson, 2021.
3. Buchner E. Alkoholische Gährung ohne Hefezellen // Berichte der Deutschen Chemischen Gesellschaft. 1897. Bd. 30. S. 117–124.
4. Harden A., Young W. J. The alcoholic ferment of yeast-juice. Part II. The coferment of yeast-juice // Proceedings of the Royal Society of London. Series B. 1906. Vol. 78. P. 369–375.
5. Nelson D. L., Cox M. M. Lehninger Principles of Biochemistry. 8th ed. New York: W. H. Freeman, 2021.
6. Brooks G. A. The science and translation of lactate shuttle theory // Cell Metabolism. 2018. Vol. 27. P. 757–785.
7. Jones D. T., Woods D. R. Acetone-butanol fermentation revisited // Microbiological Reviews. 1986. Vol. 50. P. 484–524.
8. den Besten G., van Eunen K., Groen A. K., Venema K., Reijngoud D.-J., Bakker B. M. The role of short-chain fatty acids in the interplay between diet, gut microbiota, and host energy metabolism // Journal of Lipid Research. 2013. Vol. 54. P. 2325–2340.
9. Erbguth F. J. Historical notes on botulism, Clostridium botulinum, botulinum toxin, and the idea of the therapeutic use of the toxin // Movement Disorders. 2004. Vol. 19, Suppl. 8. P. S2–S6.
10. ФИПИ. Кодификатор проверяемых требований к результатам освоения основной образовательной программы и элементов содержания для проведения ЕГЭ по биологии, 2027 г. М.: ФИПИ, 2026.