Метаболизм дрожжей

Метаболизм объединяет все ферментативные реакции, которые протекают в клетке, а также организацию и регуляцию этих реакций. С биохимической точки зрения обычно рассматриваются отдельные метаболические пути, однако в действительности они не существуют изолированно, а являются частью единого процесса.

Каждый биохимический путь состоит из ряда химических реакций, катализируемых ферментами. Фермент повышает скорость химической реакции и дает ей возможность протекать при физиологическом уровне температуры и рН. Экстремальные температура и/или рН инактивируют молекулу фермента, вызывая денатурацию белка.

Биохимические пути объединяют катаболические, анаболические, амфиболические и анаплеротические пути. Катаболические пути осуществляют распад более сложных соединений на менее сложные, при этом освобождается энергия в виде молекул АТФ. Анаболические (биосинтетические) пути потребляют энергию и синтезируют (обычно в процессе восстановления) простые молекулы, которые в дальнейшем участвуют в синтезе макровеществ. Амфиболические пути имеют как катаболические, так и анаболические функции: они являются центральными метаболическими путями, доставляющими от последовательных катаболических реакций промежуточные продукты, которые являются субстратами анаболических реакций. Когда во время действия катаболического ряда амфиболического пути промежуточные продукты удаляются для биосинтетических целей, катаболизм прекращается, пока снова не потребуются продукты для действия анаплеротических реакций. Функция анаплеротических реакций заключается в возмещении тех промежуточных продуктов, которые связывают катаболизм и анаболизм, таким образом обеспечивая продолжение действия амфиболических путей.

Энергия, образуемая в процессе окисления углеводов и потребляемая в биосинтетических реакциях, запасается в форме аденозинтрифосфата (АТФ). При гидролизе АТФ до аденозиндифосфата (АДФ) и неорганического фосфора освобождается при стандартных условиях около 30,5 кдж/моль. Эта величина является функцией рН, температуры и концентраций АТФ, АМФ и фосфора. Окислительные катаболические реакции включают перенос электронов от промежуточных продуктов. Этот процесс контролируется дегидрогеназами и часто включает участие кофактора - никотинамидадениндинуклеотида (НАД⁺). Электроны переносятся к НАД⁺ в форме водородного иона [H⁺] с образованием НАДН₂:

НАД⁺ + [2 H⁺] ®НАДН + Н⁺(или НАДН₂)

Биосинтетические реакции проходят при участии энергии АТФ.

Регуляция метаболизма осуществляется, во-первых, за счет того, что биохимические реакции проходят в различных органеллах, которые локализованы в определенных местах клетки. Кроме того, контроль биохимических путей осуществляется с помощью других механизмов, таких как

- регуляция количества синтезируемого фермента;

- регуляция деградации фермента;

- изменения скорости ферментативной активности с помощью аллостерического торможения или активации;

- использование ферментов, для осуществления одних и тех же реакций для разных целей. Например, алкогольдегидрогеназа (АДН) существует в виде двух форм: АДН1 используется, когда клетки растут на этаноле, превращая спирт в ацетальдегид, в то время как АДН2 используется клетками при росте на глюкозе и превращает ацетальдегид в этанол.

Далее будут обсуждены только основные аспекты метаболизма дрожжей, имеющих значение в технологии дрожжей.

Гликолиз

Дрожжи сахаромицеты относятся к факультативным анаэробам, поэтому катаболизм глюкозы в клетке может проходить как в аэробных, так и в анаэробных условиях, его основная функция - это синтез АТФ

В обоих случаях глюкоза через ряд ферментативных реакций расщепляется с образованием двух молекул пировиноградной кислоты (пирувата). Этот процесс носит название гликолиза или «путь Эмбдена- Мейергофа-Парнаса (ЭМП)».

Аэробное окисление глюкозы

В аэробных условиях глюкоза окисляется до СО₂ и Н₂О. Суммарное уравнение:

С₆Н₁₂О₆ + 6О₂ → 6СО₂+ 6Н₂О + 2880 кДж/моль.

Этот процесс включает несколько стадий:

1. Аэробный гликолиз. В нем происходит окисления 1 глюкозы до 2 ПВК, с образованием 2 АТФ (сначала 2 АТФ затрачиваются, затем 4 образуются) и 2 НАДН₂;

2. Превращение 2 ПВК в 2 ацетил-КоА с выделением 2 СО₂ и образованием 2 НАДН₂;

3. ЦТК. В нем происходит окисление 2 ацетил-КоА с выделением 4 СО₂, образованием 2 ГТФ (дают 2 АТФ), 6 НАДН₂ и 2 ФАДН₂;

Исходным субстратом гликолиза является D-глюкоза

Кроме того, после предварительного гидролиза до моносахаров дрожжи утилизируют сахарозу, мальтозу, мальтотриозу, а также внутренние углеводные резервы трегалозу и гликоген.

Гликолиз (рис. 5.1) начинается с фосфорилирования глюкозы с образованием за счет макроэргической связи АТФ глюкозо-6-фосфата (Гл-6-Ф).

Рисунок 5.1 – Метаболизм этанола и глицерина

Источником D-глюкозы также служит гликоген, который является субстратом для фермента, отщепляющего гликозидные остатки с концов полисахаридных цепей гликогена. Следующая реакция на этом пути - изомеризация Гл-6-Ф во фруктозо-6-фосфат (Ф-6-Ф), осуществляемая глюкозофосфат изомеразой (ЕС 5.3.1.9). Эта реакция обратима. Фр-6-Ф также образуется из фруктозы, поступающей непосредственно из питательной среды, а также при гидролизе сахарозы.

Третий фермент гликолитического пути, 6-фосфофруктокиназа, осуществляет образование Фр-1,6-дифосфата (Ф-1,6-Ф) из Фр-6-Ф и АТФ. При этом на каждую молекулу глюкозы, вошедшую в цепь, потребляется две молекулы АТФ.

Затем фруктозо-дифосфат альдолаза – фермент, содержащий цинк, катализирует обратимое расщепление шестиуглеродной молекулы на две трехуглеродные – дегидроацетонфосфат и D-глицеральдегид -3- фосфат. Только последняя молекула подвергается дальнейшим превращениям по пути ЭМП и равновесие между двуми триозофосфатами поддерживается триозофосфатизомеразой.

D-глицеральдегид-3-фосфат далее идет на образование 1,3-дифосфо-глицерата при участии фермента глицеральдегид-фосфат дегидрогеназы. Для этой реакции требуется источник неорганического фосфата. Это первая реакция в гликолитической цепи, которая включает окисление субстрата. Более того, это первая реакция, в которой образуется макроэргическая связь и свободная энергия окислительного процесса запасается в этой связи. На следующей ступени происходит перенос энергии этой связи на АДФ, так что образуется АТФ и 3-фосфо-Д-глицерат, реакция катализируется фосфоглицерат-киназой. На этом участке цепи из каждой, вошедшей в нее молекулы D-глюкозы или D-фруктозы образуется две молекулы АТФ и две молекулы НАДН₂.

С помощью фосфоглицеромутазы 3-фосфо-Д-глицерат превращается в 2 -фосфо-D-Глицерат. Затем энолаза (ЕС 4.2.1.11) в качестве посредника способствует удалению воды из 2-фосфо-Д-глицерата, что приводит к образованию фосфоэнолпировиноградной кислоты (ФЕП). Богатая энергией связь в фосфоэнолпирувате (до = - 61.9 кдж/моль) используется затем для фосфорилирования АДФ, в результате чего образуется АТФ и пировиноградная кислота. В этой точке на каждую молекулу включенной в метаболизм глюкозы образуется две молекулы АТФ и 2 молекулы НАДН₂.

Таким образом в результате прохождения гликолитического пути образуется запас энергии в виде 2-х молекул АТФ.

Глюкоза ® 2 Пируват + 2 АТФ + 2 НАДН₂ (5.1)

В табл. 5.1 приведены ферменты, принимающие участие в гликолизе, их коферменты, активаторы и ингибиторы. Эти данные можно использовать для регулирования гликолиза при разработке технологии дрожжей, а также в других произвордствах, где используются дрожжи.

Таблица 5.1 Активаторы и ингибиторы гликолиза

Фермент	Кофермент, кофактор	Активатор, стимулятор	Ингибитор
Гексокиназа	Mg+2	Mg =2, АДФ	Г-6-Ф, ацетил-КоА, ФЕП, ЖК
Глюкозофосфат изомераза	Mg=2	-	АТФ, цитрат, ЖК
6-фосфофрукто-киназа	Mg+2	АДФ. АМФ, К+, NН4+	ФЕП, НАДН
Фруктозо-дифосфат-альдолаза	-	Zn+2 , Со+2, Fe+2, К+	цистеин
Триозофосфат- изомераза	Mg+2	-	Hg+2
Глицеральдегид- фосфат дегидрогеназа	Zn+2, НАД+	-	Иодацетат, Mg+
Фосфоглицерат-киназа	-	Mg+2	-
Фосфоглицеро-мутаза	Mg+2, 2,3-диФ- глицерат	-	-
Енолаза	Mg +2, Mn+2	-	F-, Ca=2
Пируватдекарбоксилаза	K +, Mg+2 или Mn+2	Фр-1,6-Ф, Г-6-Ф	Ca+2 АТФ, НАДН, ЖК, ацетальдегид
Гликогенфосфорилаза	Р(неорга-нический), пиридоксаль- фосфат	Фосфосерин
Фосфоглюкомутаза	Zn+2, Гл-1,6 -Ф	Серин

ЖК – жирные кислоты