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

ФИЗИОЛОГИЯ ДРОЖЖЕЙ

Дыхание дрожжей.

В присутствии кислорода воздуха дрожжи получают энергию за счет дыхания. Процессы гликолиза, протекающие при этом, поставляют относительно малое количество восстановленных соединений, которые могут быть переданы затем в дыхательную цепь. Обеспечение дыхательной цепи должно идти из каких-то других источников. Доказано, что цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса) является тем основным общим руслом, по которому осуществляется окончательное окисление не только продуктов обмена углеводов, но также белков, предварительно преобразованных молекул жиров.

Исходным продуктом превращений, состоящих из ряда последовательных ферментативных реакций, замкнутых в цикл, является пировиноградная кислота. Первое звено в цепи реакций— окислительное декарбоксилирование пировиноградной кислоты с образованием исходного метаболита цикла — ацетил-КоА. При каждом обороте цикла молекула уксусной кислоты в форме ацетил-КоА вступает во взаимодействие с щавелевоуксусной кислотой, образуя лимонную кислоту. Затем лимонная кислота превращается в изолимонную и затем — в а-кетоглутаровую кислоту, из которой в результате окислительного декарбоксйлирования образуется янтарная кислота. Последняя, как наиболее быстро превращающееся соединение цикла Кребса, окисляется далее до

щавелевоуксусной кислоты, которая может снова включаться в цикл.

На уровне а-кетоглутаровой кислоты от цикла Кребса имеется ответвление, ведущее к системе глутамин-глутамат. Эта система является узлом, от которого отходят метаболические пути, ведущие к образованию аминокислот аргинина и пролина.

Суммарная реакция цикла трикарбоновых кислот описывается уравнением

Из этого уравнения видно, что в цикл не вовлекается ни молекулярный кислород, ни неорганический фосфат, ни АТФ. Окисление происходит за счет кислорода воды и отщепления атомов водорода. Затем водород переносится на дыхательную цепь.

Дыхательная цепь дрожжей в принципе сходна с таковой высших организмов. Она включает ряд дегидрогеназ, связанных с НАД-Н (пируват-, изоцитрат-, а-кетоглутарат, лактат- и ма-латдегидрогеназы), флавопротеиды, кофермент Q (убихинон) и штохромы в, с1 с, а, а3. Особенностью ее является наличие ми-охондриальной НАД-зависимой алкогольдегидрогеназы, катализирующей окисление этанола помимо алкогольдегидрогеназы I и II, локализованной в цитоплазме [85, 88].

Механизм аэробного извлечения энергии из питательных веществ основан на реакции окислительного фосфор ил ирования АДФ.

Таким образом осуществляется акт дыхания, состоящий из ряда последовательных окислительно-восстановительных реакций между водородом, который отщепляется от карбоновых кислот в цикле Кребса, и молекулярным кислородом [77].

Следует отметить, что все ферменты, катализирующие индивидуальные реакции цикла, локализованы в дрожжевых митохондриях. Для непрерывной работы цикла обязательно требуются акцепторы водорода, и поскольку наиболее эффективным акцептором является кислород, то максимальная скорость цикла наблюдается только в условиях достаточного снабжения кислородом.

В условиях анаэробиоза происходит полная редукция основной энергетической функции митохондрий. Отсутствие дыхания компенсируется усилением гликолиза, который становится главным механизмом энергообеспечения клетки. Функционирует лишь модифицированный цикл Кребса, который приводит к накоплению в клетке пировиноградной и уксусной кислот, что в свою очередь способствует накоплению в среде этилового спирта [66, 85].

Для аэробных дрожжевых организмов основным механизмом конечного окисления метаболитов является цикл трикарбоновых кислот. Следовательно, условия культивирования, тип обмена дрожжей (аэробный, анаэробный) могут изменять относи тельную значимость цикла Кребса в обмене веществ.

Дрожжи рода Saccharomyces будучи полностью лишены источников питания часто сохраняют жизнеспособность и даже об наруживают признаки активного эндогенного метаболизме В этом случае они используют для получения энергии эндоген ный субстрат — осуществляют брожение и дыхание в первуь очередь за счет гликогена, а затем — трегалозы.

Таким образом, метаболизм углеводов является одним и центральных путей обмена, выполняя функцию не только ос новного поставщика энергии, но и главного источника углерод содержащих фрагментов, которые необходимы для синтеза все. других компонентов клетки [66, 166].

Важную роль в биосинтетических процессах играют кофер менты, обладающие макроэргическими связями: АТФ, УТФ, Kо1 и др. Процесс синтеза белка в рибосоме схематически протекает так [88]: активированные аминокислоты, соединенные

мРНК, переходят в рибосомы клетки, где и происходит их связывание в белки.

Биосинтетический путь образования полисахаридов (основных компонентов клеточной оболочки), сахаров и запасных по лимеров (гликогена) из неуглеводных предшественников начинается от пировиноградной кислоты. Это обратный процесс гликолиза [165].

Строительным материалом для высших жирных кислот, сте роидов и других соединений протоплазмы служит уксусная кис лота в форме ацетил-КоА [65].

Витамины группы В в обмене веществ выполняют роль ко ферментов или компонентов коферментов. Синтезируются они в очень небольших количествах. Исходным сырьем для биосинтеза большинства витаминов служат низкомолекулярные соединения, используемые также и в синтезе других клеточных компонентов.

Итак, в результате основного обмена питательные вещества поглощенные клеткой, ассимилируются и перерабатываются в компоненты цитоплазмы, обеспечивая этим прирост биомассы и ресинтез веществ клетки, и разлагаются, окисляются, освобождая нужную для жизни энергию. Продукты энергетического обмена выделяются из клетки вместе с продуктами диссимиляции компонентов клетки. Часть усвоенных веществ откладывается в виде запасных (жиров, гликогена, волютина), которые могут быть использованы наравне с поступающими питательными веществами [65] (см. рис. 23). В итоге сложных биохимических превращений происходит прирост биомассы и образуются продукты обмена. По этим конечным показателям судят об интенсивности энергетического и конструктивного обмена веществ.

Физиолого-биохимические изменения дрожжей в аэробных и анаэробных условиях. В процессе спиртового брожения в отсутствие молекул кислорода воздуха высвобождается лишь незначительная часть энергии (117 кДж), потенциально заложенной в одном моле глюкозы (2817 кДж), тогда как при дыхании — полном окислении глюкозы до СО2 и Н2О — значительно больше— 1504 кДж. Такое огромное различие в количестве высвобождаемой энергии определяет высокую чувствительность клеток дрожжей ко всяким изменениям окислительного метаболизма, вызывая в них различные функциональные изменения.

Принято считать, что в производственных условиях при ведении процесса брожения дрожжи получают необходимую для них энергию не только за счет анаэробного превращения углеводов, но и за счет дыхания [77]. Именно в начальной фазе анаэробного роста клеток энергия поступает и от аэробного окисления сахара (сбраживаемое виноградное сусло содержит до 7 мг/л растворенного кислорода) с возможным использованием метаболитов цикла Кребса.

Доступ кислорода, обеспечивающий более эффективное в энергетическом отношении аэробное дыхание, предохраняет клетки от излишних трат веществ, происходящих в процессе анаэробного дыхания. Подобное действие кислорода, выражающееся в угнетении брожения дыханием и в значительном снижении потребления элементов субстрата — глюкозы, названо эффектом Пастера. Эффект Пастера наиболее существенен при аэробном сбраживании малосахаристых сред. И наоборот, аэрация высокосахаристых сред вызывает противоположный сдвиг энергетического обмена у дрожжей — тормозит дыхание и активизирует брожение [85]. Этот эффект получил название эффекта Крэбтри. В настоящее время считают, что подавление дыхания в присутствии высоких концентраций глюкозы имеет генетическую природу и обусловлено подавлением синтеза цитохромов.