تخمیر و تنفس بی هوازی | به زبان ساده

تخمیر (Fermentation) در بیوشیمی فرایندی است که توسط آنزیم‌ها کاتالیز شده و انرژی تولید می‌کند. در فرایند تخمیر، ترکیبات آلی به عنوان گیرنده و دهنده الکترون عمل می‌کنند. تخمیر می‌تواند در صورت عدم وجود اکسیژن رخ دهد و گاه این اصطلاح به عنوان مسیری در سلول‌ها تعریف می‌شود که مولکول‌های سوخت در آن به صورت بی هوازی تجزیه می‌شوند.

تخمیر یا تنفس بی‌ هوازی چیست؟

مخمرها چگونه می‌توانند جو را تخمیر کرده و به نوشیدنی تبدیل کنند یا اینکه زمانی که عضلات بدن در هنگام انجام ورزش‌های سنگین، دچار کمبود اکسیژن می‌شوند، چگونه می‌توانند به فعالیت خود ادامه دهند. هر دو این فرایندها می‌توانند از طریق مسیرهای جایگزین تجزیه گلوکز اتفاق بیفتند. این مسیرها زمانی فعال می‌شوند که تنفس سلولی نرمال با استفاده از اکسیژن (هوازی) غیرممکن است، یعنی وقتی اکسیژن در اطراف سلول‌ها وجود ندارد تا در انتهای زنجیره انتقال الکترون به عنوان پذیرنده عمل کند، مسیرهای جایگزین مورد استفاده قرار می‌گیرند.

فیلم آموزش زیست شناسی – پایه دوازدهم رشته تجربی – بخش یکم در فرادرس

کلیک کنید

این مسیرهای تخمیری شامل گلیکولیز است که برخی واکنش‌های اضافی در انتهای فرایند به آن‌ افزوده شده است. در مخمر، واکنش‌های اضافی باعث تولید الکل می‌شوند، در حالی که در ماهیچه‌های بدن اسید لاکتیک ایجاد می‌کنند. تخمیر یک مسیر گسترده است، اما تنها راه دریافت انرژی از سوخت‌ها به صورت بی‌ هوازی (در صورت عدم وجود اکسیژن) نیست، زیرا در برخی از سیستم‌های زنده سلول‌ها از یک مولکول غیرآلی به جز اکسیژن به عنوان مولکول گیرنده نهایی الکترون در زنجیره انتقال الکترونی استفاده می‌کنند. این فرایند تنفس سلولی بی هوازی نام دارد که در برخی از باکتری‌ها و آرکی باکترها انجام می‌گیرد.

در این مقاله نگاهی دقیق‌تر به تنفس سلولی بی‌ هوازی و انواع مختلف تخمیر خواهیم داشت.

تنفس بی هوازی

تنفس بی‌هوازی مشابه تنفس هوازی در سلول است که در آن الکترون‌هایی که از مولکول سوختی استخراج می‌شوند، در طول یک زنجیره انتقال الکترون حرکت می‌کنند و می‌توانند مولکول‌های ATP را سنتز ‌کنند. برخی از ارگانیسم‌ها از سولفات به عنوان پذیرنده نهایی الکترون استفاده می‌کنند، در حالی که گروه دیگری از ارگانیسم‌ها از نیترات، سولفور یا یکی از این قبیل مولکول‌ها به عنوان پذیرنده نهایی الکترون در زنجیره انتقال الکترون استفاده می‌کنند.

کدام ارگانیسم‌ها از تنفس سلولی بی هوازی استفاده می‌کنند؟

برخی از باکتری‌ها و آرکی باکترها که در محیط‌هایی با اکسیژن کم زندگی می‌کنند، برای تجزیه مولکول ‌سوختی سلول بر تنفس بی هوازی متکی هستند. برای مثال، برخی از آرکی باکترها که متانوژن‌ها نام دارند از دی اکسید کربن به عنوان آخرین پذیرنده الکترون استفاده می‌کنند و این آرکی‌ها متان تولید می‌کنند. متانوژن‌ها در خاک‌ها و در سیستم گوارشی نشخوارکنندگان که شامل گاوها و گوسفندان هستند، می‌توانند زندگی کنند.

باکتری‌های احیا کننده سولفات و آرکی باکترهایی که از سولفات به عنوان پذیرنده نهایی الکترون استفاده می‌کنند، سولفید هیدروژن را به عنوان محصول جانبی تولید می‌کنند. تصویر زیر حضور باکتری‌های احیا کننده سولفات را نشان می‌دهد که به صورت لکه‌های سبز رنگ در آب مشخص هستند.

تخمیر

قندها سوبسترای مشترک مسیرهای مختلف تخمیر هستند و از نمونه‌های بارز محصولات تخمیر می‌توان به اتانول، اسید لاکتیک و هیدروژن اشاره کرد. با این حال، ترکیبات دیگری مانند بوتیریک اسید و استون می‌توانند در طول تخمیر تولید شوند. تخمیر و تنفس سلولی در مسیر گلیکولیز مشترک هستند. در تخمیر پیرواتی که در گلیکولیز تولید می‌شود، مسیر اکسیداسیون و چرخه کربس را ادامه نمی‌دهد و همچنین زنجیره انتقال الکترون آغاز نمی‌شود. زمانی که زنجیره انتقال الکترون عملکردی نداشته باشد، مولکول‌های NADH که در طول گلیکولیز تولید می‌شوند، نمی‌توانند الکترون‌های خود را وارد زنجیره الکترونی کنند و به همین دلیل +NAD ایجاد نمی‌شود.

فیلم آموزش بیوشیمی عمومی – جامع و به زبان ساده در فرادرس

کلیک کنید

واکنش‌های اضافی در تخمیر، صرف تولید حامل الکترونی +NAD از NADH تولید شده در مسیر گلیکولیز می‌شود. واکنش‌های اضافی باعث می‌شوند که الکترون‌های NADH به مولکول‌های آلی مانند پیروات (محصول نهایی گلیکولیز) منتقل شوند. این انتقال الکترونی کمک می‌کند تا واکنش‌های گلیکولیز با ذخیره مناسبی از +NAD ادامه پیدا کند.

گلیکولیز بخش مهمی از تخمیر است که در سلول‌های ماهیچه‌ای، مخمر، برخی باکتری‌ها و گیاهان مشترک است. در گلیکولیز، قند شش کربنی گلوکز (Glc) به دو مولکول اسید پیرویک (Pyr) اکسید می‌شود و مقدار کمی از انرژی شیمیایی (به شکل ATP) برای انجام فعالیت‌های سلولی تولید می‌شود. در صورت عدم وجود اکسیژن، دو مسیر اصلی برای محصول نهایی پیروات وجود دارد که در زیر به بررسی هر یک از آن‌ها می‌پردازیم.

تخمیر اتانول

تخمیر اتانول (که توسط مخمر و برخی از انواع باکتری‌ها انجام می‌شود) پیروات را به اتانول و دی اکسید کربن تجزیه می‌کند. مخمر در اینجا در اصل فرآیند تخمیر را رقم می‌زوند. در تخمیر الکلی NADH الکترون‌های خود را به پیروات منتقل می‌کند و از این طریق اتانول تولید می‌شود.

تبدیل پیروات به اتانول در طی دو مرحله انجام می‌شود. در مرحله اول یک گروه کربوکسیل از پیروات جدا شده و به شکل دی اکسید کربن آزاد می‌شود. در این حالت یک مولکول ۲ کربنی به نام استالدهید ایجاد می‌شود. در مرحله دوم، NADH الکترون‌های خود را به استالدهید منتقل می‌کند و +NAD و اتانول تولید می‌شود.

تخمیر الکی که در مخمرها اتفاق می‌افتد، اتانول را تولید می‌کند. الکل در مقادیر بالا برای مخمر سمی است (همان طور که برای انسان در مقادیر زیاد سمی است). تحمل اتانول مخمرها در حدود ۵ تا ۲۱ درصد اندازگیری شده که بر حسب گونه مخمر و شرایطی محیطی متفاوت است.

تخمیر اسید لاکتیک

در تخمیر اسید لاکتیک، NADH الکترون‌های خود را به طور مستقیم به پیروات منتقل می‌کند و در این بین لاکتات به عنوان محصول حد واسط ایجاد می‌شود. لاکتات شکل دپروتونه شده از لاکتیک اسید به شمار می‌آید.

در باکتری تولید کننده ماست، تخمیر اسید لاکتیک اتفاق می‌افتد، علاوه بر این در گلبول‌های قرمز نیز تخمیر اسید لاکتیک انجام می‌شود، زیرا این سلول خونی فاقد میتوکندری است و نمی‌تواند تنفس سلولی انجام دهد. در سلول‌های ماهیچه‌ای تخمیر اسید لاکتیک تنها زمانی صورت می‌‌گیرد که آن‌ها در کمبود شدید اکسیژن برای ادامه تنفس هوازی قرار بگیرند، این اتفاق اغلب زمانی که فرد ورزش سنگین انجام می‌دهد، پیش می‌آید. در ابتدا تصور می‌شد که تجمع لاکتات در ماهیچه‌ها، دلیل درد و کوفتگی ناشی از ورزش است اما تحقیقات اخیر نشان داده که این تصور درست نیست.

لاکتیک اسیدی که در ماهیچه‌ها تولید می‌شود به وسیله جریان خون به کبد می‌رود و در آنجا دوباره به پیروات تبدیل می‌شود و وارد روند طبیعی تنفس سلولی می‌شود.

تخمیر اسید لاکتیک، پیروات را به اسید لاکتیک تجزیه می‌کند. این نوع تخمیر در بعضی از باکتری‌ها و قارچ‌ها مشاهده می‌شود. به عنوان مثال، در تولید ماست، باکتری‌ها لاکتوز را به اسید لاکتیک تبدیل می‌کنند و به ماست مزه ترش می‌دهند. در انسان همان طور که در بالا ذکر شد، در دوره‌های ورزش شدید، ممکن است تنفس سلولی، اکسیژن را در ماهیچه‌ها سریع‌تر از دریافت آن توسط سلول‌ها، مصرف کند.

بی هوازی اختیاری و بی هوازی اجباری

بسیاری از باکتری‌ها و آرکی‌ باکترها «بی هوازی اختیاری» (Facultative Anaerobes) هستند، به این معنا که آن‌ها می‌توانند بین تنفس هوازی و مسیرهای بی هوازی (تخمیر یا تنفس بی هوازی)، با توجه به میزان دسترسی به اکسیژن انتخاب کنند. این سیستم به آن‌ها این اجازه را می‌دهد تا زمانی که اکسیژن در محیط وجود دارد، ATP بیشتری از مولکول‌های گلوکز خود به دست آورند، زیرا تنفس سلولی هوازی ATP بیشتری نسبت به مسیرهای بی هوازی ایجاد می‌کند اما برای زنده ماندن در شرایط کمبود اکسیژن استفاده از مسیرهای بی هوازی ضرورت دارد.

گروه دیگری از باکتری‌ها و آرکی باکترها «بی هوازی اجباری» (Obligate Anaerobes) هستند، یعنی آن‌ها می‌توانند در محیط‌های فاقد اکسیژن رشد و زندگی کنند. برای این ارگانیسم‌ها اکسیژن سمی است، به طوری که در زمانی که این میکروارگانیسم‌ها در معرض اکسیژن قرار بگیرند ممکن است از بین بروند. به عنوان مثال، باکتری کلستریدیوم که عامل تولید سم بوتولیسم است (سمی که در مواد غذایی ایجاد می‌شود) از نوع بی هوازی اجباری محسوب می‌شود. اخیرا برخی از جانوران چندسلولی در اعماق رسوبات دریا شناسایی شده‌اند که قادر هستند در محیط‌های فاقد اکسیژن زندگی کنند.

تخمیر در صنعت

در یک زمینه صنعتی، اصطلاح تخمیر به طور گسترده‌تر مورد استفاده قرار می‌گیرد تا به رشد انبوه میکروارگانیسم‌ها در یک محیط کشت اشاره شود. بسیاری از فرآیندهای میکروبیولوژیکی وجود دارند که در صورت تولید محصولات اکسیداسیون ناقص، در حضور هوا (هوازی) رخ می‌دهند.

فیلم آموزش صنایع تخمیری + نکات مهم و کاربردی در فرادرس

کلیک کنید

نمونه‌هایی از این فرایند‌های میکروبیولوژیکی شامل تشکیل اسید استیک (سرکه) از الکل توسط باکتری‌های سرکه و اسید سیتریک از قند توسط کپک‌های خاص (مانند آسپرژیلوس نیجر) هستند. این فرآیندهای میکروبی اهمیت صنعتی زیادی دارند و اغلب به آن‌ها تخمیر گفته می‌شود، اگرچه با مفهوم تخمیر «لوئیز پاستور» (Louis Pasteur) به عنوان تجزیه در صورت عدم وجود هوا مطابقت ندارند.

انسان‌ها روش‌های بی‌شماری برای استفاده از تخمیر به منظور تولید مواد غذایی و نوشیدنی‌ها ابداع کرده‌اند و محصولاتی مانند پنیر، ماست، فرآورده‌های گوشتی، میسو یا خمیر سویا، سس سویا، کیمچی و غیره را بر همین اساس تولید می‌کنند.

اعتقاد بر این است که قبل از غلظت زیاد اکسیژن در اتمسفر، مسیر اصلی تولید انرژی در موجودات اولیه فرایند تخمیر بوده است. بنابراین، تخمیر یک شکل قدیمی‌تر از تولید انرژی در سلول‌ها نسبت به تنفس هوازی به شمار می‌آید.

تخمیر در بیوشیمی

تخمیر در بیوشیمی در سه بخش واکنش‌های تخمیری، بازده انرژی و محصولات مورد بررسی قرار می‌گیرد.

واکنش‌های تخمیر

واکنش‌های تخمیر بر طبق مولکول‌های سوختی و محصول نهایی می‌توانند متفاوت باشند. در واکنش شیمیایی زیر، مولکول قندی واکنش، گلوکز و محصول نهایی اتانول هستند.

فیلم آموزش بیوشیمی عمومی – جامع و به زبان ساده در فرادرس

کلیک کنید

C₆H₁₂O₆ → 2C₂H₅OH + 2CO₂ + 2 ATP

بازده انرژی

تخمیر یک روش تجزیه مولکول‌های غذایی به صورت متابولیسم بی هوازی است و به عنوان مثال مولکول‌های گلوکز را بدون نیاز به اکسیداسیون می‌شکند. تخمیر تمام انرژی در دسترس مولکول‌ها را آزاد نمی‌کند. این روش تنها به گلیکولیز اجازه می‌دهد با استفاده از کوآنزیم‌های احیا کننده، مسیر را ادامه دهد. گلیکولیز فرایندی است که از هر مولکول گلوکز، دو مولکول ATP تولید می‌کند.

محصولات تخمیر در بر دارنده انرژی شیمیایی هستند، اما تا زمانی که آن‌ها نتوانند در حضور اکسیژن متابولیزه شوند (یا در حضور سایر پذیرنده‌های الکترونی مناسب)، به عنوان مواد دفعی در نظر گرفته می‌شوند. به همین دلیل بازده تولید ATP در طی فرایند تخمیر نسبت به فرایندهای فسفوریلاسیون اکسیداتیو کمتر است. در فسفوریلاسیون اکسیداتیو یا تنفس هوازی محصول نهایی گلیکولیز یا پیروات به طور کامل اکسید شده به شکل دی اکسید کربن در می‌آید. محصولات فرایندهای بی هوازی دو مولکول ATP به ازای هر مولکول گلوکز است که در مقایسه با تنفس هوازی با بازده ۳۶ مولکول‌ ATP بسیار ناچیز است.

اگرچه در متابولیسم انسان در درجه اول، از تنفس هوازی استفاده می‌شود، اما در مواقع کمبود اکسیژن (به عنوان مثال در مواقعی که عضلات به شدت فعالیت دارند و دچار کمبود اکسیژن شدن یا در زمان انفارکتوس ماهیچه قلب) پیروات می‌تواند به شکل محصول دفعی لاکتات تبدیل شود، این اتفاق با انتقال هیدروژن به پیروات انجام می‌شود. این واکنش که به عنوان نمونه‌ای از تخمیر به شمار می‌آید، راه حلی برای حفظ جریان متابولیکی پس از گلیکولیز در شرایط نبود یا کمبود اکسیژن است.

در حالی که تخمیر در کوتاه مدت بسیار کمک کننده است اما برای مدت زمان طولانی در ارگانیسم‌های پیچیده هوازی مناسب نیست. به عنوان مثال در انسان، تخمیر اسید لاکتیک می‌تواند در حدود ۳۰ ثانیه تا ۲ دقیقه انرژی تولید کند.

در مرحله آخر این فرایند، تبدیل پیروات به محصول نهایی انرژی تولید نمی‌کند، با این حال برای یک سلول بی هوازی، بازسازی نیکوتین آمید آدنین دی‌نوکلئوتید (+NAD) جهت حفظ جریان متابولیسمی از طریق مسیر گلیکولیتیک در شرایط بی هوازی اهمیت ویژه‌ای دارد.

محصولات متکی به تخمیر

چندین نوع روش تخمیری وجود دارند که پیروات و NADH به طور بی هوازی برای تولید هر یک از انواع محصولات مختلف متابولیزه می‌شوند، در همه این روش‌ها یک مولکول آلی به عنوان پذیرنده نهایی هیدروژن عمل می‌کند. به عنوان مثال‌، باکتری‌های درگیر در تهیه ماست به راحتی پیروات را به اسید لاکتیک کاهش می‌دهند. در ارگانیسم‌هایی مانند مخمر آبجو، ابتدا یک گروه کربوکسیل از پیروات خارج می‌شود تا استالدهید و دی اکسید کربن تشکیل شود. استالدهید سپس به اتانول و +NAD کاهش می‌یابد. باکتری‌های بی هوازی قادر به استفاده از طیف گسترده‌ای از ترکیبات غیر از اکسیژن به عنوان پذیرنده نهایی الکترونی هستند.

سرکه یا استیک اسید محصول مستقیم متابولیسم باکتری‌ها است. باکتری‌ها برای تبدیل اتانول به استیک اسید به اکسیژن نیاز دارند. با حضور اسید، پروتئین کازئين شیر لخته می‌شود و از آن برای تولید پنیر استفاده می‌کنند. در ترشی وجود اسید موجب حفاظت از باکتری‌ها و پاتوژن‌های غذایی می‌شوند.

تخمیر در تولیدات غذایی

در تولید مواد غذایی اصطلاح تخمیر به طور معمول به تبدیل قند به الکل با استفاده از مخمر در شرایط بی هوازی اشاره دارد. تعریف کلی‌تر آن، تبدیل شیمیایی کربوهیدرات‌ها به الکل یا اسیدها است. تخمیر در تهیه مواد غذایی، برای ایجاد اسید لاکتیک در غذاهای ترش مانند خیار شور، کیمچی و ماست نیز به کار می‌رود. باکتری‌ها اغلب در ترکیب با مخمرها و قارچ‌ها، در تهیه غذاهای تخمیر شده مانند پنیر، ترشی، سس سویا، فرآورده‌های گوشتی، سرکه و ماست مورد استفاده قرار می‌گیرند.

طبق گفته «ویلیام استیكراوس» (William Clark Steinkraus) در سال ۱۹۹۵، تخمیر مواد غذایی پنج هدف اصلی را دنبال می‌کند:

• غنی سازی رژیم غذایی از طریق ایجاد تنوع طعم دهنده‌ها، عطرها و بافت‌ها در بسترهای غذایی
• حفظ و افزایش زمان نگهداری مقادیر قابل توجهی از غذا از طریق اسید لاکتیک، الکل، اسید استیک و تخمیر قلیایی
• غنی سازی بیولوژیکی ترکیبات غذایی با پروتئین، اسیدهای آمینه ضروری، اسیدهای چرب ضروری و ویتامین‌ها
• سم زدایی در طی فرآوری تخمیر مواد غذایی
• کاهش زمان پخت و پز و در نتیجه کاهش سوخت مورد نیاز برای پخت مواد غذایی

مواد غذایی را می‌توان با تخمیر حفظ کرد، زیرا تخمیر می‌تواند شرایط را برای میکروارگانیسم‌های نامطلوب نامناسب کند. به عنوان مثال، در ترشی، اسید تولید شده توسط باکتری‌های غالب، رشد سایر میکروارگانیسم‌ها را مهار می‌کند.

پیشرفت‌های بیوشیمیایی در زمینه مسیرهای بی هوازی

اگرچه بیوشیمی تخمیر در قرن بیستم به طور کامل معرفی و شناخته شد، اما تخمیر الکلی از زمان‌های بسیار دور مورد استفاده قرار گرفته بود. رشته و علم بیوشیمی، به ویژه مطالعه آنزیم‌ها، در پیشرفت‌ها و توسعه صنعتی در زمینه تولید مواد غذایی و نوشیدنی‌ نقش بسزایی داشته است.

یکی از اولین آزمایشگاه‌هایی که برای مطالعات بیوشیمی تاسیس شد، در سال ۱۸۷۵ «آزمایشگاه کارزبرگ» (Carlsberg Laboratory) در شهر کپنهاگ بود. انواع گونه‌های مخمری که برای تولید نوشیدنی‌های الکلی به کار می‌رفت، در این آزمایشگاه جمع‌آوری و نام گذاری شدند. مفهوم pH در همین آزمایشگاه توسعه پیدا کرد و همچنین مطالعات بیوشیمی پروتئين‌ها نیز از این مکان آغاز شد.

تاریخچه شناخت و استفاده از مسیرهای بی هوازی

لویی پاستور شیمیدان فرانسوی که به عنوان اولین «مخمرشناس» (Zymologist) (اصطلاح اولیه برای معرفی دانشمندانی که بر روی فرایندهای تخمیری مطالعه می‌کنند) شناخته می‌شود، در سال ۱۸۵۷ ارتباط بین مخمر و فرایندهای تخمیری را مطرح کرد. پاستور توانست تخمیر به دلیل رشد میکروارگانیسم‌ها را اثبات کند و همچنین ارتباط رشد میکروارگانیسم‌ها در مایع گوشتی (شامل مواد مغذی) را با نظریه تولید خود به خودی (خلق الساعه) رد کرد.

در قرن نوزدهم، پاستور از اصطلاح تخمیر برای توصیف تغییرات ایجاد شده در رشد مخمرها و باکتری‌ها و دیگر میکروارگانیسم‌ها در شرایط فقدان اکسیژن استفاده کرد. او همچنین متوجه شد که اتیل الکل و دی اکسید کربن تنها محصولات فرایندهای تخمیری نیستند. پاستور در ابتدا این فرایند را به عنوان تنفس بدون هوا معرفی کرد.

شیمیدان آلمانی «ادوارد بوچنر» (Eduard Buchner)، برنده جایز نوبل سال ۱۹۰۷، مطرح کرد که تخمیر توسط ترشحات مخمرها انجام می‌شود، او آن‌ها را «زیماز» (Zymase) نام نهاد. آزمایشی که برای آن بوچنر برنده جایزه نوبل شد، شامل تولید یک عصاره بدون سلول از مخمر است که در محیط فاقد اکسیژن قند‌ها را تخمیر می‌کند.

در دهه 1920 دانشمندان کشف كردند كه در صورت نبود یا کمبود اکسیژن، لاکتات را می‌توان از سلول‌های عضله استخراج کرد که از گلوكز تشکیل شده است. علاوه بر این، دانشمندان به این نتیجه رسیده‌اند که همان ترکیبات واسطه‌ای که در تخمیر جو ایجاد می‌شود، توسط سلول‌های ماهیچه‌ای نیز تولید می‌شوند. این کشف وحدت اساسی در بیوشیمی را نشان داد، به این معنی که واکنش‌های تخمیر جز عملکرد مخمر نیست بلکه در بسیاری از مسیرهای دیگر مصرف گلوکز نیز رخ می‌دهد.

روشن شدن مسیر گلیکولیتیک در دهه‌های ابتدایی قرن بیستم مدیون تلاش‌های پیشگامانی مانند «گوستاو امبدن» (Gustav Embden)، «اتو میرهوف» (Otto Meyerhof)، «کارل نوبرگ» (Carl Neuberg)، «جاکوب پرناس» (Jacob Parnas)، «اتو واربورگ» (Otto Warburg) و «گریتی» (Gerty) و «کارل کوری» (Carl Cori) بود.