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

Вторая ступень:

Карбоксибиотин-фермент+Ацетил-КоА→Малонин-КоА+Биотин- фермент

Ацетил-КоА образуется в митохондриях либо из пирувата (реакции 1 и 2), либо при окислении жирных кислот, содержащих в углеродной цепи от 4 до10 атомов углерода. Эти низкомолекулярные жирные кислоты свободно проходят через мембрану митохондрий (перенос облегчается соединением их с карнитином). Исходными метаболитами в образовании Ац-КоА могут быть также аминокисло-

ты (рис. 5.4).

Рис. 5.4. Биосинтез жирных кислот

Следует обратить внимание, что синтез жиров происходит в цитоплазме. Между тем внутренняя мембрана митохондрий непроницаема для ацетил-КоА. Поэтому он сначала конденсируется с оксалоацетатом с образованием цитрата, который легко проникает в цитоплазму. В цитоплазме цитрат при участии АТФ распадается под дей-

61

ствием цитрат омыляющего фермента на оксалоацетат и исходный ацетил-КоА. Именно в этом заключается регуляторная роль цитрата в синтезе жиров (см. рис. 5.4).

Метаболизм жиров тесно связан с кислородом, поэтому хорошее и достаточное аэрирование питательной среды имеет решающее значение для синтеза жирных кислот. Кроме того, в среде должно быть достаточное количество витамина В1, В3, а также ионов Mg

и Mn (см. рис. 5.4).

При недостатке кислорода и несбалансированности питательной среды наблюдаются нарушения в процессах метаболизма клеток. Так, например, при возрастании концентрации Ацетил-КоА в дрожжах происходит накопление кетосоединений (ацетоацетата, β-оксибутирата и ацетона). Ацетил-КоА также служит донором ацетильной группы в синтезе различных эфиров. Поэтому появление запаха этих соединений свидетельствует о нарушении технологических процессов с участием дрожжей.

Ненасыщенные жирные кислоты образуются из насыщенных в ходе ферментативной реакции, в которой молекулярный кислород действует в качестве акцептора водорода. Эта реакция осуществляется оксидазой со смешанной функцией, использующей в качестве акцептора НАДФ+.

Если у дрожжевых клеток слишком мало длинноцепочечных ненасыщенных жирных кислот, то способность клеточной мембраны пропускать вещества из окружающей среды сильно уменьшается, а потребление аминокислот может вообще прекратиться. В результате снижается не только выход биомассы, но и ухудшается физиологическое состояние дрожжей.

Биосинтез стеринов

Синтез зимостерина тесно связан с ростом и размножением дрожжей. В аэробно выращенной дрожжевой биомассе содержится до 5 мг/г СВ. При этом следует учитывать, что с использованием 1 мг стерина может образоваться 1000 мг дрожжей в пересчете на

100 % СВ.

Исходным метаболитом в синтезе стеринов является ацетилКоА, из которого образуется сначала сквален. Далее сквален в присутствии кислорода окисляется в сквален-2,3-эпоксид, который затем

62

циклизируется в эргостерин. Синтез стеринов идет при участии НАДФ+-зависимой смешанно-функциональной оксидазы. Потребность дрожжей в молекулярном кислороде для синтеза стеринов больше, чем для образования жирных кислот. Отсутствие в питательной среде витамина В3 также отрицательно влияет на синтез эргостерина в дрожжах.

Существует связь синтеза стеринов с метаболизмом гликогена. Гликоген расходуется в первые часы после внесения дрожжей в питательную среду. На каждый грамм израсходованного гликогена образуется 69 мг стерина.

6. ПИТАНИЕ ДРОЖЖЕЙ

Жизнедеятельность дрожжей заключается в процессах питания, дыхания, роста и размножения. Одновременно с этими процессами идет синтез вторичных метаболитов, которые представляют большой интерес для пивоварения и виноделия, так как они обусловливают вкус и аромат напитков.

Источники питания, необходимые любому организму, в том числе и дрожжам, можно разделить на следующие группы:

–основные элементы: С, Н, О и N;

–элементы, требующиеся в небольших количествах (макроэле-

менты): Р, К, S, Mg;

–микроэлементы (Zn, Mn, Co, Ca, Fe, Cu и др.);

–витамины.

Потребность дрожжей в питательных компонентах может различаться качественно и количественно в зависимости от условий культивирования, в частности может изменяться потребность в факторах роста при изменении температуры, рН и осмоляльности среды. Известно, что при небольшом количестве посевного материала требуется более богатая среда, чем для начала роста популяции с высокой плотностью. Это связано с тем, что многие элементы и витамины могут накапливаться в клетках при их культивировании

всредах с высоким содержанием элементов и затем использоваться

вбиосинтезе. Использование такого посевного материала приводит к снижению требований к питательной среде, в которую он вносится. Например, биосорбция ионов цинка в среде, содержащей 800 мг

63

Zn+2/л, может составлять 52,5 мг/г абсолютно сухой биомассы (АСБ), в то время как обычно дрожжи содержат всего 0,039 мг/г АСБ. В дрожжах также могут накапливаться витамины. Например, содержание биотина в клетках может достигать 0,6 мкг/г АСБ.

Дрожжи потребляют только растворенные в воде компоненты. Поступление веществ в клетки осуществляется путем пассивной диффузии, облегченной диффузии при участии специальных систем переноса, состоящих из белков – переносчиков (пермеаз), и путем активного транспорта при участии специфических пермеаз и затрате энергии в виде молекул АТФ.

Химический состав питательных веществ должен соответствовать химическому составу организма. Химический состав дрожжей приведен в разделе 4.

6.1. ИСТОЧНИКИ УГЛЕРОДА. УГЛЕВОДЫ

По типу питания дрожжи относятся к гетеротрофным организмам, усваивающим углерод из органических соединений.

Углерод используется для синтеза клеточных компонентов, дыхания и образования вторичных метаболитов.

Источники углерода включают моносахариды, такие, как D-глюкоза, D-манноза, D-фруктоза, D-галактоза, из пентоз – D-ксилоза. Дисахариды сахароза и мальтоза и трисахарид мальтотриоза утилизируются дрожжами, в то время как лактоза (молочный сахар) – нет.

Сахароза гидролизуется инвертазой (β-D-фрукто-фурано- зидазой). Обнаружены две основные формы инвертазы, одна репрессируемая, синтез которой ингибируется глюкозой (она локализована

вППП). Вторая лишена углеводной части, расположена внутри клетки, и ее синтез протекает независимо от содержания глюкозы в среде.

Под действием инвертазы сахароза расщепляется на глюкозу и фруктозу, которые поступают в клетку (рис. 6.1). Транспорт облегчается благодаря ферменту переносчику (пермеазе), который находится в цитоплазматической мембране. Скорость переноса глюкозы

вклетку при участии пермеазы в миллион раз быстрее, чем это могло бы произойти путем простой диффузии через мембрану.

64

Рис. 6.1. Схема потребления сахаридов дрожжами S. Cerevisiae

Мальтоза сначала поступает в клетку при участии специфических индуцибильных пермеаз. И только в клетке происходит гидролиз этого дисахарида ферментом α-глюкозидаза (мальтаза), который индуцируется одновременно с пермеазами и гидролизует мальтозу до глюкозы внутри клетки. По такой же схеме происходит потребление трисахарида мальтотриозы (см. рис. 6.1).

Трисахарид раффиноза в зависимости от штаммовых особенностей дрожжей либо сбраживается полностью (штаммы пивных дрожжей низового брожения), либо на 1/3 (пекарские дрожжи и пивные дрожжи верхового брожения).

Присутствующие в питательной среде глюкоза, фруктоза и сахароза используются дрожжами в первую очередь, затем потребляется мальтоза и далее мальтотриоза, олигосахариды с числом гликозидных остатков более трех и декстрины дрожжами не утилизируются (рис. 6.2).

Такие органические соединения, как глицерин, этанол и лактат, не сбраживаются, но в аэробных условиях ассимилируются дрожжами.

65