содержание   ..  1  2  3  4  5  6  7  8  9  10    ..

ФИЗИОЛОГИЯ ДРОЖЖЕЙ

Энергетический и конструктивный обмен веществ. Многообразные проявления жизнедеятельности дрожжей можно наиболее полно и целенаправленно использовать при знании физиологии обмена веществ, особенностей биохимических процессов, характерных для них в естественных условиях. Основной функцией обменных процессов является накопление энергии и ее целесообразное расходование для поддержания жизнеспособности клеток, т. е. синтез и обмен элементов биологических структур.

Обмен веществ в клетке (превращение веществ, метаболизм) складывается из двух процессов — катаболизма и анаболизма. Схема процессов изображена на рис. 23.

Катаболизм (диссимиляция) — это ферментативное расщепление крупных молекул питательных веществ (углеводов, жиров, белков) для получения энергии.

Диссимиляция органического вещества дрожжами в процессе брожения или дыхания является основным источником получения соединений, из которых одни представляют собой ненужные продукты обмена и выделяются из клетки, а другие используются для биосинтетических реакций и таким образом включаются в анаболический процесс.

Извлекаемая энергия запасается в форме фосфатных связей аденозинтрифосфата (АТФ) или некоторых других богатых энергией соединений, которые используются на многочисленные реакции обмена веществ, обеспечивающие рост, развитие и размножение. Такой диссимиляционный процесс называют энергетическим обменом [65, 112, 165].

Анаболизм (ассимиляция) —это использование питательных веществ для биосинтеза сложных соединений, в частности, высокомолекулярных (полисахаридов, нуклеиновых кислот, белков, жиров), необходимых для роста и самовоспроизведения клетки из простых предшественников (аминокислот, пуриновых и пиримидиновых оснований, органических кислот, фосфатов сахаров). Синтез связан с потреблением свободной энергии, высвобождаемой при дефосфорилировании АТФ. Такой биосинтетический процесс часто называют конструктивным (строительным) обменом веществ.

Анаболический и катаболический процессы часто локализуются в разных структурных единицах клетки, однако протекают они одновременно, что обусловливается специфическими особенностями ферментов [165]. Скорость катаболизма в клетке регулируется не концентрацией тех или иных питательных веществ в окружающей среде, а потребностью клетки в энергии в каждый определенный момент. Используя энергию в форме АТФ, клетка для получения ее перерабатывает такое количество исходного материала, которое может удовлетворить потребность в энергии, 40 необходимой для выполнения жизненных функций.
 

Рис. 23. Схема обмена веществ у микроорганизмов [165]:
1 — окружающая среда; 2 — клеточная оболочка и цитоплазматическая мембрана; 3 — цитоплазма.

Таким образом, в результате обмена веществ дрожжи из питательной среды берут все необходимые элементы для накопления энергии, синтеза структурных элементов клетки, многочисленных ферментов и в нее возвращают промежуточные отработанные продукты.

В настоящее время установлено, что в природе существует единый универсальный способ энергетического и конструктивного метаболизма у живых организмов — анаэробная диссимиляция углеводов [66, 165, 166].

Процессы брожения и дыхания, или анаэробный и аэробный распад углеводов, играют основную роль в метаболизме дрожжевой клетки.

Дрожжи относятся к факультативным анаэробам. Микроорганизмы, принадлежащие к группе факультативно-анаэробных, в условиях анаэробиоза получают энергию в результате внутренних окислительно-восстановительных процессов. Попадая в аэробные условия, они обычно также используют свое «топливо» анаэробным способом, после чего продукты анаэробного расщепления окисляются молекулярным кислородом. Следовательно, анаэробное превращение глюкозы у дрожжей есть обязательная первая стадия, за которой может следовать аэробная фаза — дыхание, интенсивность которого находится в прямой зависимости от условий культивирования [66]:

Главным источником энергии у дрожжей бродящего типа является анаэробный распад шестиуглеродных сахаров, в первую очередь D-глюкозы. При этом потребленная глюкоза практически полностью расщепляется до этанола и СО2 с одновременным накоплением высших спиртов и других продуктов обмена. Разные сахара сбраживаются с различной скоростью. Легко сбраживаются глюкоза и фруктоза, медленнее — манноза и еще медленнее— галактоза. Дисахариды (сахароза и мальтоза) хорошо сбраживаются дрожжами. Пентозы дрожжами не сбраживаются.

Различают три биохимические фазы энергетического обмена [77].

В первой фазе, сопровождающейся выделением ничтожного количества энергии, происходит в основном гидролиз сложных питательных веществ.

Во второй фазе характер процессов энергетического обмена веществ определяется доступностью кислорода для клеток. В анаэробных условиях происходит выделение энергии в результате брожения углеводов с образованием этанола, что характерно для дрожжей бродящего типа; в аэробных — в результате окислительного (апотомического) превращения гексозомонофосфа-та, обычно характерного для дышащих дрожжевых клеток.

Третья фаза — цикл трикарбоновых кислот — основная фаза не только энергетического, но и конструктивного обмена веществ дрожжей в аэробных условиях.

Реакции обмена веществ в клетке катализируются ферментами
 

 Ферменты — самый крупный и наиболее высокоспециализированный класс белковых молекул.
В живой дрожжевой клетке, как и в других микроорганизмах, непрерывно протекает синтез ферментов, причем только тех, для которых имеются соответствующие гены. Количество различных ферментов в клетке фиксировано не строго и изменяется в соответствии с изменением химических и физических свойств среды. Синтезируются ферменты так же, как и неактивные белки — из свободных аминокислот. Активность одних ферментов зависит только от структуры белка, тогда как других ферментов — и от присутствия групп небелковой природы, так называемых кофакторов. Кофакторами могут быть или ионы металлов (магний, медь, кобальт, цинк, железо), или сложные органические соединения, называемые коферментами. или те и другие. Многие коферменты, например, содержат в качестве активных компонентов витамины. Так, в состав ферментов аминотрансфераз входит фосфопиридок-саль — производное витамина Be; в состав дегидрогеназ входит рибофлавин (витамин Вг) в соединении с фосфорной кислотой (флавинмононуклеотид); фосфорный эфир тиамина (витамина Вх), соединяясь с белком, образует пи-руватдекарбоксилазу, расщепляющую пировиноградную кислоту на уксусный альдегид и СО2, и т. д.

Ферменты подразделяются на б основных классов, каждый из которых в свою очередь делится на подклассы, а эти последние — на группы [88].

1. Оксидоредуктазы — это ферменты, катализирующие реакции биологического окисления и восстановления и, следовательно, связанные с процессами брожения и дыхания. К этому классу относятся дегидрогеназы: алкогольдегидрогеназа (алкоголь: НАД-оксидоредуктаза), лактатдегидрогеназа (L-лактат: НАД-оксидоредуктаза), глицеральдегидфосфатдегидрогеназа (D-гли-церальдегид-3-фосфат: НАД-оксидоредуктаза), малатдегидрогеназа (L-малат: НАД-оксидоредуктаза), цитохромоксидаза (цитохром с: Ог-оксидоредуктаза) и др. В качестве коферментов дегидрогеназы содержат НАД+ или НАДФ+, ФМН или ФАД.

Считают, что дегидрогеназы расположены в цитоплазме и в митохондриях [85].

Показано, что у дрожжей имеются три различные алкогольдегидрогена-зы, зависимые от НАД. Из них АД1 и АДН локализованы в цитоплазме, а АДШ — в митохондриях.

2. Трансферазы — катализируют перенос целых атомных групп (остатков фосфорной кислоты, моносахаридов и аминокислот и т. д.) с одной молекулы на другую. В зависимости от того, какую химическую группировку переносит данный фермент, природа кофермента различна.

Особенно активна в дрожжах транскетолаза (седогептулозо-Ь-фосфат: D-глицеральдегид-З-фосфат-гликольальдегидтрансфераза). Коферментом транс-кетолазы является тиаминпирофосфат-гексокиназа (АТФ: D-гексоза-б-фосфо-трансфераза), который катализирует реакцию фосфорилирования — перенос остатка фосфорной кислоты от АТФ на глюкозу, пентозу и др.

Аминотрансферазы осуществляют перенос аминогруппы с аминокислот на кетокислоты, например, тирозин-аминотрансфераза (L-тирозин: 2-оксоглутарат-аминотрансфераза).

3. Гидролазы — катализируют реакции расщепления более сложных соединений на более простые с присоединением воды. К этому классу относятся эстеразы, расщепляющие и синтезирующие сложные эфиры (липазы, тана-зы, пектинэстеразы, фосфатазы, сульфатазы). Гидролазы эфиров карбоновых кислот найдены в столовых винах, шампанском, хересе.

Инвертаза (Р-О-фруктофуранозид-фруктогидролаза, 3-фруктофуранозида-за) катализирует гидролиз сахарозы. Незначительная активность инвертазы в сусле некоторых сортов винограда значительно повышается после сбраживания его вследствие перехода этого фермента из дрожжей [7].

Протеолитические ферменты (протеазы) также относятся к классу гидро-лаз. Они катализируют гидролиз пептидов и белков и в связи с этим имеют большое значение в практике применения ферментных препаратов.

4. Лиазы катализируют реакции негидролитического отщепления каких-либо групп от субстрата. К ферментам этого класса относятся: пируватдекар-боксилаза, декарбоксилазы аминокислот, альдолаза.

Пируватдекарбоксилаза (карбоксилиаза 2-оксокислот) в качестве кофермента содержит тиаминпирофосфат, играет важную роль у дрожжей — катализирует образование спирта

Декарбоксилазы аминокислот содержат в качестве кофярмента пири-Доксальфосфат.

Альдолаза (кетозо-1-фосфат-альдегид-лиаза) играет важную роль в углеводном обмене. В процессе брожения молекула фруктозы с присоединенными остатками фосфорной кислоты под действием альдолазы разрывается с образованием двух молекул фосфотриоз, которые впоследствии образуют спирт.
 

Активность дрожжевой альдолазы специфически усиливают ионы калия, поэтому введение хлористого калия ускоряет процесс спиртового брожения.

5. Изомеразы — это ферменты, катализирующие превращения органических соединений в их изомеры (аминокислот, оксикислот и углеводов или их производных). Например, УДФ глюкозо-эпимераза превращает галактозу в глюкозу. С наличием или отсутствием у дрожжей данного фермента связана способность или неспособность сбраживать галактозу (Sacch. oviformis галактозу не сбраживают).

6. Лигазы (синтетазы) катализируют процесс соединения двух молекул, протекающий одновременно с расщеплением АТФ. К этому классу принадлежат карбоксилазы, содержащие биотин, которые катализируют при участии АТФ реакции карбоксилирования различных органических кислот. Пируват-карбоксилаза [пируват: СО2— лигаза (АДФ)] катализирует синтез щавелевоуксусной кислоты из пировиноградной кислоты и СО2. К классу лигаз относится ацетил-КоА синтетаза [ацетат: КоА-лигаза (АМФ)], которая катализирует важную реакцию синтеза самых разнообразных соединений, в том числе и стероидов. К лигазам относятся аспарагинсинтетаза и глютаминсинтетаза, катализирующие при участии АТФ синтез аспарагина и глютамина из соответствующих дикарбоновых аминокислот.

Различные ферменты и ферментные системы локализуются обычно в органеллах или просто растворены в цитоплазме. Все детали клетки, на которых размещены ферменты, построены из мембран, содержащих белковые и липидные компоненты. Ферменты гликолиза локализуются в растворимой фракции цитоплазмы. Инвертаза и пермеазы, обеспечивающие транспорт питательных веществ в клетку, так же как и гексокиназа — важнейший фермент фосфорилирования,— находятся в оболочке дрожжевой клетки. Ферменты, участвующие в окислении пировиноградной кислоты, жирных кислот и некоторых аминокислот, находятся в митохондриях. В рибосомах находятся ферменты, обеспечивающие синтез белков.