Пастеровский эффект и механизмы его регулирования

В присутствии кислорода дрожжи сравнительно быстро к нему адаптируются. Эту способность впервые обнаружил Пастер и явление было названо пастеровским эффектом (ПЭ). Суть ПЭ заключается в подавлении брожения дыханием, снижении скорости потребления субстрата (глюкозы) и увеличении доли сахара, идущего на синтез биомассы.

Регулирование эффекта Пастера проходит на двух уровнях: на энергетическом и субстратном.

Регулирование эффекта Пастера на энергетическом уровне.

Повышение содержания АТФ в клетках 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 можно 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 (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, т.к. пируватдегидрогеназа имеет более выраженное сродство к пирувату, чем пируватдекарбоксилаза.

Эффект Кребтри

Особенность метаболизма сахаромицетов заключается в наличии у них эффекта Кребтри (или глюкозный эффект, или 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 в зависимости от массовой доли и природы углевода в среде, выход биомассы изменяется в широких пределах.

Для S.cerevisiae у становлено, 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

Йянг [1985] указывает, что мальтоза и мальтотриоза не вызывают репрессивного действия на дыхание у штаммов дрожжей низового брожения.

В отсутствии репрессирующей дыхание концентрации глюкозы и при 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 значит 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 (см. рис. 3.8. и 3.9).