Рассмотрение химизма процесса дыхания ясно показало, что ор­ганические кислоты образуются в процессе дыхания растений и представляют собой продукты неполного окисления сахара. Вместе с тем органические кислоты – исходный строительный материал для синтеза самых различных соединений – углеводов, аминокислот и жиров.

2 ОБМЕН ОРГАНИЧЕСКИХ КИСЛОТ У НИЗШИХ РАСТЕНИЙ

Образование и превращение органических кислот весьма детально исследовано у микроорганизмов – бактерий и особенно у плесневых грибов. Это объясняется тем, что многие из органических кислот, синтезируемых бактериями и плесневыми грибами, играют важную роль в различных отраслях промышленности, в частности в пищевой. Таковы, например, лимонная, фумаровая, глюконовая, молочная, итаконовая и уксусная кислоты. Необходимость разработки наиболее эффективных промышленных схем производства этих органических кислот послужила причиной интенсивного экспериментального исследования условий их образования и превращения под влиянием жизнедеятельности микроорганизмов.

Большие успехи в изучении обмена органических кислот у низших растительных организмов связаны с именами выдающегося советского биохимика — профессора

В. С. Буткевича, известного польского исследователя Т. Хшонща, французского ученого М. Мойара и работавшего в Праге К. Бернгауэра.

Интенсивное изучение образования органиче­ских кислот плесневыми грибами началось в кон­це прошлого столетия, после того как К. Вемеру в 1891 г. удалось показать, что многие плесне­вые грибы, культивируемые на сахарных раство­рах или на пептоне, образуют значительные коли­чества лимонной и щавелевой кислот. Позднее было установлено, что в культурах плесневых грибов образуются также фумаровая, глюконовая, янтар­ная, яблочная и другие органические кислоты.

В связи с большим значением лимонной кисло­ты в пищевой промышленности, а также вследствие ее применения в качестве консерванта при перели­вании крови условия ее образования и превраще­ния культурами плесневых грибов были изучены особенно детально.

Лимонную кислоту синтезируют многие плес­невые грибы, принадлежащие к родам Rhizopus, Aspergillus, Penicillium и др. Опыты Буткевича и его сотрудников показали, что при определенных условиях лимонная кислота образуется в количе­стве 90—100% от взятого сахара.

Решающими факторами, от которых зависит накопление лимонной кислоты в культурах плесневых грибов, являются подходящий штамм гриба и достаточная аэрация культуры. Благоприятное влияние кислорода на образование лимонной кислоты культурами плесневых грибов установлено при культивировании по­следних в атмосфере чистого кислорода, а также в опытах, в которых применя­лось усиленное встряхивание или перемешивание культуры. Таким образом, опыты показали, что лимонная кислота возникает лишь при доступе молекуляр­ного кислорода и, следовательно, ее образование теснейшим образом связано с процессом дыхания.

Весьма существенно, что фумаровая, яблочная и янтарная кислоты могут взаимно превращаться друг в друга под влиянием плесневых грибов. Так, в культурах грибов Rhizopus или Mucor, образующих фумаровую кислоту, с возрастом последняя исчезает, а количество яблочной кислоты, накапливающейся в молодых культурах в небольшом количестве, постепенно возрастает. Обратимое превраще­ние фумаровой кислоты в яблочную происходит под действием фермента фумаратгидратазы. Яблочная кислота легко синтезируется также в культурах Aspergillus niger из янтарной кислоты.

О том, что образование лимонной кислоты плесневыми грибами действитель­но идет таким образом, свидетельствуют результаты опытов, в которых плесне­вой гриб Aspergillus niger культивировали на растворе сахара в присутствии СО2, меченного радиоактивным углеродом 11С. Образовавшаяся при этом лимонная кислота содержала радиоактивный углерод, причем меченый углерод присутствовал только лишь в карбоксильных группах лимонной кислоты, что свидетельствует об использовании усвоенного грибом радиоактивного диоксида углерода на синтез карбоксильных групп щавелевоуксусной и лимонной кислот.

Таким образом, лимонная, яблочная, фумаровая и янтарная кислоты синтезируются плесневыми грибами благодаря наличию у них ферментных систем, обеспечивающих превращения, входящие в цикл Кребса.

Однако было высказано предположение, что янтарная и фумаровая кисло могут синтезироваться микроорганизмами из уксусной кислоты иным путем – путем конденсации двух молекул уксусной кислоты с отнятием двух атомов водорода. В результате возникает янтарная кислота, которая затем дегидрируется под действием соответствующей дегидрогеназы и дает фумаровую кислоту:

СН3-СООН -2H+ CH2-COOH -2H+ CHCOOH

+ → | → ||

СН3-СООН CH2-COOH CH-COOH

Образование фумаровой кислоты из этилового спирта происходит в результа­те предварительного окисления спирта в ацетальдегид, который при дальнейшем окислении дает уксусную кислоту:

-2H+ +HOH

CH3-CH2OH -----→ CH3-CHO ---→CH3-COOH

-2H+

Спирт Ацетальдегид Уксусная кислота

Некоторые микроорганизмы обладают специфической способностью осущест­влять прямое окисление тех или иных органических соединений за счет кислорода воздуха. При этом не происходит разрыва углеродной цепочки окисляемого сое­динения, и в результате образуются неСО2 и вода, а органические кислоты, содер­жащие еще большой запас энергии. Таким образом, при подобного рода окисли­тельных процессах (неправильно называемых иногда «окислительные брожения») выделяется значительно меньше энергии, чем при дыхании. Типичные примеры таких окислительных процессов – уксуснокислое и глюконовокислое «брожения».

При уксуснокислом «брожении» этиловый спирт окисляется в уксусную кислоту уксуснокислыми бактериями по уравнению

СН3-СН2ОН + O2= СН3-СООН + Н2O

с выделением 480 кДж на один моль окисленного спирта. Полное окисление этилового спирта до Н2О и СО2 сопровождается выделением 1361 кДж/моль. Таким образом, при уксуснокислом «брожении» образуется почти втрое меньше энергии, чем при полном окислении этилового спирта.

Окислив весь имеющийся спирт в уксусную кислоту, уксуснокислые бактерии далее окисляют ее до углекислоты и воды. Подобное переокисление иногда приводит к значительным потерям при производстве уксуса.

Окисляемый спирт Продукт окисления

H

|

HOH2C-C-CH2OH HOCH2-C-CH2OH

| ||

OH O

Глицерин Диоксиацетон

H H OH H H OH H

| | | | | | |

HOH2C-C—C—C—C—CH2OH HOCH2—C—C—C—C—CH2OH

| | | | || | | |

OH OH H OH O OH H OH

L-Сербит L-Сорбоза

H H OH OH H OH OH

| | | | | | |

HOH2C—C—C—C—C-CH2OH HOH2C—C—C—C—C—CH2OH

| | | | || | | |

OH OH H H O OH H H

D-Mаннит D-Фруктоза

Окислительным «брожением» считают также окисление глюкозы в глюконовую кислоту, вызываемое некоторыми бактериями и плесневым грибом Aspergillus niger. Глюконовая кислота широко применяется в фармацевтической промыш­ленности и медицине. Поэтому процесс превращения глюкозы в глюконовую кис­лоту, происходящий под влиянием микроорганизмов, исследован довольно хоро­шо. Важнейшие факторы, от которых зависит накопление глюконовой кислоты в культурах плесневых грибов, – состав питательной среды, доступ воздуха к культуре и штамм применяемого гриба.