Аэробное и анаэробное дыхание

Дыхание за счет кислорода воздуха называется аэробным. При отсутствии кислорода воздуха живой организм (зеленое растение, животное) не сразу умирает.

Некоторое время он живет за счет кислорода, получаемого от воды и органических веществ, имеющихся в организме. Такое дыхание называется анаэробным (бескислородным). При нем органическое вещество разлагается не до СО₂ и Н₂О, а лишь до спирта и углекислоты. Поэтому энергии выделяется значительно меньше. Анаэробное дыхание протекает по следующей суммарной формуле:

С₆Н₁₂О₆ ® 2С₂Н₅ОН + 2СО₂ + 24 ккал.

Две молекулы спирта содержат потенциальную энергию, равную
650 ккал. Малое количество энергии, получаемое от анаэробного дыхания, не дает возможности организму долго существовать, и он вскоре умирает. Напомним, что энергия организму нужна для всех жизненных процессов — роста, движения, размножения, передвижения веществ и т. д.

При аэробном (или нормальном) дыхании при окислении одной молекулы глюкозы выделяется 686 ккал, т. е. в 27 раз больше, чем в тех же условиях при анаэробном дыхании.

Брожение

Спиртовое брожение

Анаэробное дыхание, наблюдаемое при отсутствии кислорода у высших растений, является нормальным явлением для ряда низших организмов. Особенно энергично оно протекает у дрожжей. Их анаэробное дыхание называется спиртовым брожением.

Пастер в 1860 г. доказал, что для дрожжей спиртовое брожение необходимо, так как оно дает им энергию для существования в бескислородной среде. Брожение Пастер охарактеризовал как «жизнь без кислорода».

Спиртовому брожению подвергаются только углеводы с 3, 6 и 9 углеродными атомами. Другие углеводы должны предварительно превратиться в названные выше.

Суммарная формула спиртового брожения аналогична формуле анаэробного дыхания:

С₆Н₁₂0₆ ® 2СО₂ + 2С₂Н₅ОН + 24 ккал.

Дрожжи могут существовать до накопления 14—16 % спирта, поэтому крепость виноградных вин не превышает 14—16 °С. Более крепкие напитки естественным брожением не могут быть получены. Их изготовление проводится иным способом. Спиртовое брожение используется в виноделии, пивоварении, спиртовой промышленности и хлебопечении.

Кислотное брожение

Из других видов брожения наиболее важными являются молочнокислое, масляно-кислое и уксусно-кислое.

Молочно-кислое брожение вызывается бактериями, которые разлагают сахар на две частицы молочной кислоты с выделением небольшого количества энергии по формуле:

С₆Н₁₂О₆ = 2СН₃СНОНСООН + 24 ккал.

Эта реакция протекает при нормальном скисании молока. Она может протекать и при доступе кислорода. Кроме углеродсодержащих веществ, молочно-кислым бактериям для жизни требуются азотистые и зольные вещества, а также витамины.

Молочно-кислое брожение используется при изготовлении различных молочных продуктов (кефира, кумыса, ацидофилина), разнообразных сыров, при квашении капусты, огурцов, при силосовании кормов.

Масляно-кислое брожение вызывается масляно-кислыми бактериями (из рода клостридиум). Они разлагают сахар с образованием масляной кислоты, углекислоты и водорода по формуле:

С₆Н₁₂О₆ = СН₃СН₂СН₂СООН + 2СО₂ + 2Н₂ + 15 ккал.

Часто реакция несколько видоизменяется в связи с получением дополнительных продуктов.

Процесс идет лишь при полном отсутствии кислорода. Разложению подвергаются не только гексозы, но и другие соединения.

Уксусно-кислое брожение заключается в окислении спирта кислородом воздуха. Возбудителями его являются некоторые бактерии, дрожжи и плесневые грибы.

Это брожение можно выразить уравнением:

СН₃СН₂ОН + О₂ = СН₃ СООН + Н₂О + 117 ккал.

Уксусно-кислое брожение отличается от предыдущих. Исходным продуктом здесь является этиловый спирт, а не глюкоза. Кроме того, этот тип брожения хотя и вызывается низшими организмами, требует доступа кислорода, т. е. имеет сходство с дыханием высших растений.

Поскольку этиловый спирт окисляется не до Н₂О и СО₂, а до Н₂О и уксусной кислоты, которая сама еще может быть окислена, выделяется всего 117 ккал.

Уксусно-кислое брожение является причиной прокисания пива, виноградного вина. Его используют для получения уксуса из слабых виноградных вин и разведенного спирта.