Материал: Меледина Т.В., Давыденко С.Г. Дрожжи Saccharomyces cerevisiae. Морфология, химический состав, метаболизм

Рис. 5.3. Образование фосфоенолпирувата

Регулирование эффекта Пастера на энергетическом уровне за-

ключается в повышении содержания АТФ в клетках, что приводит к замедлению скорости реакции превращения Фр-6-Ф во Фр-1,6- дифосфат, катализируемой ферментом фосфофруктокиназой, и, наоборот, АМФ интенсифицирует скорость этой реакции.

Регулирование эффекта Пастера на субстратном уровне мож-

но рассматривать с точки зрения влияния ацетил-КоА и оксалоацетата, с одной стороны, и цитрата – с другой.

Так при недостатке в питательной среде биотина и ионов Zn+2 резко уменьшается скорость образования оксалоацетата, в результате чего работа цикла замедляется, следовательно, снижается выход биомассы и увеличивается синтез этанола. К такому же эффекту приводит недостаточное снабжение клеток витаминами В1 (тиамин) и В3 (пантотеновая кислота). Это приводит к снижению скорости синтеза ацетил-КоА, в результате чего уменьшается образование цитрата – исходного компонента ЦТК.

Цитрат представляет собой второй аллостерический (по принципу обратной связи) регулятор активности фосфофруктокиназы

51

(ФФК): увеличение содержания цитрата в дрожжах приводит к торможению активности ФФК.

Еще одним активатором ПЭ является кислород. Так, в присутствии О2 пируват преимущественно превращается в Ац-КоА, так как пируватдегидрогеназа имеет более выраженное сродство к пирувату, чем пируватдекарбоксилаза.

5.5. ЭФФЕКТ КРЕБТРИ

Особенность метаболизма сахаромицетов заключается в наличии у них эффекта Кребтри (либо глюкозный эффект, либо катаболитная репрессия), суть которого состоит в том, что, несмотря на интенсивную аэрацию в среде с высокой концентрацией сахара, часть субстрата сбраживается на спирт, т.е. имеет место «аэробное брожение».

Для эффекта Кребтри характерно действие одновременно двух энергетических путей – аэробного и анаэробного. При этом выход биомассы изменяется в широких пределах в зависимости от массовой доли и природы углевода в среде.

Для S.cerevisiae установлено, что при концентрации глюкозы (фруктозы) в среде более 0,1 % наблюдается репрессия синтеза ферментов ЦТК, цитохромов и ферментов дыхательной цепи даже при отсутствии лимита по кислороду. Эффект Кребтри при использовании в качестве углеводного питания глюкозы и фруктозы выражен значительно сильнее, чем на мальтозе, мальтотриозе или галактозе.

Мальтоза и мальтотриоза не вызывают репрессивного действия на дыхание у штаммов дрожжей низового брожения.

Вотсутствие репрессирующей дыхание концентрации глюкозы

ипри наличии в среде достаточного количества растворенного молекулярного кислорода дрожжи метаболизируют глюкозу дыхательным

путем. В этом случае глюкоза полностью окисляется до СО2 и воды. Это достигается через деятельность гликолитического пути и ЦТК. Образованный НАДН2 окисляется до НАД+ с помощью цепи электронного транспорта с использованием кислорода в качестве акцептора водорода (таким путем образуется вода) и в процессе синтеза АТФ. Следовательно, именно массовая доля углевода в среде определяет преобладающий тип энергетического обмена в клетках, а зна-

52

чит, и выход биомассы. Во время катаболитной репрессии наблюдается деградация митохондрий, количество их уменьшается в 3–5 раз, кроме того, изменяется их морфология: увеличивается размер и исчезают кристы.

5.6. КОНСТРУКТИВНЫЙ ОБМЕН ДРОЖЖЕЙ

Метаболизм, или обмен веществ, включает в себя такие процессы, как:

–катаболизм – распад веществ до соединений с меньшей молекулярной массой;

–амфиболизм – синтез промежуточных веществ из этих соеди-

нений;

–анаболизм – образование из промежуточных соединений сложных веществ, например, белков, жиров и углеводов.

С целью регулирования химического состава дрожжей рассмотрим механизмы образования некоторых соединений: структурных, запасных углеводов, аминокислот, которые идут на синтез белка,

ижиров.

5.6.1. СИНТЕЗ РЕЗЕРВНЫХ УГЛЕВОДОВ

Резервные углеводы представлены в клетках дрожжей тремя фракциями: трегалозой, гликогеном, растворимым в уксусной кислоте, и гликогеном, растворимым в хлорной кислоте.

Метаболически активные фракции накапливаются не одновременно. Содержание гликогена растет в фазе замедления роста, в то время как трегалоза аккумулируется при переходе культуры к стационарной фазе.

Гликоген

Гликоген находится в цитоплазме в виде гранул, некоторое его количество обнаружено в клеточной оболочке. Это осмотически неактивный полисахарид, способный быстро использоваться в процессе метаболизма дрожжей.

53

Молекула гликогена представляет собой разветвленную структуру, в которой гликозидные остатки связаны между собой α-1,4 и α-1,6 связями.

Синтез гликогена начинается с образования уридиндифосфатглюкозы (УДФГл), катализируемого ферментом глюкозо-1-фосфату- ридилтрансферазой. Гликоген-синтаза-Д-фосфатаза катализирует последовательное присоединение глюкозного остатка УДФГл к полисахаридному акцептору:

Глюкоза Глюкоза-6-фосфат Глюкоза-1-фосфат УДФГлюкоза гликоген

Гликоген потребляется дрожжами как первичный источник энергии, поэтому его количество значительно уменьшается в первые 10–12 часов после введения дрожжей в питательную среду, а потом вновь возрастает. Масса гликогена может составлять до 30 % массы клетки (в пересчете на сухое вещество). Во время хранения дрожжей содержание гликогена в клетках уменьшается в связи с его использованием для поддержания их жизнедеятельности (эндогенного дыхания). Чем выше температура, при которой хранятся дрожжи, тем интенсивнее снижается в них количество гликогена.

Гликогенолиз (распад гликогена) начинается с деградации гликогена под действием фосфорилазы. В присутствии фосфата от гликогена отщепляется глюкозо-1-фосфат, который превращается фосфоглюкомутазой в глюкозо-6-фосфат. Энергетический выход гликогенолиза выражается в синтезе трех молекул АТФ в расчете на одно звено глюкозы молекулы гликогена.

Трегалоза

Трегалоза – резервный дисахарид, состоящий из двух гликозидных остатков. Трегалоза находится в цитоплазме дрожжевой клетки; часть трегалозы связана с клеточной стенкой и защищает ее от внешнего воздействия. В отличие от гликогена трегалоза, наряду с ее энергетической функцией, участвует в поддержании структуры цитозоля, а также может служить осмотическим барьером для выхода из клеток воды в стрессовых условиях.

54

Содержание трегалозы варьирует в зависимости от степени аэробиоза, в бродящих дрожжах ее может накопиться до 6 %, в дышащих – до 18 %.

Синтез трегалозы так же, как и гликогена, начинается с образования УДФГл, при этом трегалозо-фосфат синтезируется как из УДФГл, так и из Гл-6-Ф при участии , -трегалозофосфатсинтазы. Трегалоза образуется под действием трегалозофосфатазы по следующей схеме:

Глюкоза

Глюкозо-6-фосфат Трегалозо-6-фосфат

Глюкозо-1-фосфат УРДГл

Направление потока Гл-6-Ф на синтез того или другого углевода регулируется его концентрацией внутри клетки. При высокой концентрации образуется гликоген, при низкой – трегалоза.

Роль трегалозы и гликогена в метаболизме дрожжей

Первичным резервным веществом дрожжевой клетки является гликоген, так как во время хранения именно он используется в качестве эндогенного источника углеводного питания. Освободившаяся при этом энергия используется клеткой для поддержания собственных структур, при этом предотвращается распад структурных полисахаридов и ферментных белков, т.е. лизис дрожжей. Предполагается, что энергетические потребности клетки в процессе обезвоживания также удовлетворяются за счет гликогена. В период лаг-фазы метаболизм гликогена дает энергию и, вероятно, субстрат для синтеза стеролов, необходимых в процессе роста дрожжей. Следовательно, продолжительное хранение дрожжей может привести к истощению запаса гликогена без сопутствующего образования стеролов. В результате наблюдается ухудшение физиологического состояния дрожжей, а следовательно, снижение скорости роста клеток и выхода биомассы.

В отличие от гликогена роль трегалозы как резервного вещества подвергается сомнению, так как в отсутствие источников углевод-

55