Витамины в метаболизме дрожжей

Аэробный метаболизм дрожжей, при котором имеет место максимальное накопление биомассы и отсутствие синтеза этилового спирта, не может протекать в отсутствии или недостатке таких витаминов, как В₁, В₂, В₇ и В₈. Эти же витамины необходимы дрожжам в условиях брожения, когда часть глюкозы идет на синтез биомассы, а другая часть – на образование спирта и других продуктов брожения.

Тиамин (В₁)

Тиамин входит в состав пируватдекарбоксилазы и играет положительную роль в процессах, связанных с образованием спирта. Вместе с тем этот витамин необходим в аэробном метаболизме дрожжей. Это связано с тем, что он входит в состав пируваткарбоксилазного комплекса, который контролирует синтез ацетил-S-КоА, исходного компонента дыхательного метаболизма дрожжей. Кроме того, тиамин необходим для работы ЦТК, он является одним из факторов, способствующих замыканию этого цикла, т.е. превращения 2-оксоглутарата в сукцинат, благодаря чему возможен аэробный обмен у дрожжей и высокий выход энергии, необходимой для синтеза биомассы.

Пантотеновая кислота (В₃)

Пантотеновая кислота входит в состав Ко-А-SН (кофермента ацелирования). Он участвует во многих ферментативных реакциях, в которые вовлечены не только ацетильные, но и любые другие ацильные группы, при этом Ко-А-SH выполняет функции промежуточного переносчика ацильных групп. Большинство штаммов пекарских, винных и пивных дрожжей являются ауксотрофами по витамину В₃.

Роль витамина В₃ в ЦТК

Прежде всего следует остановиться на двух, практически необратимых, а следовательно выполняющих регуляторную роль, реакциях, в которых участвует КоА-SН.

Первая реакция. Реакция декарбоксилирования пирувата с образованием ацетил-S-КоА, который является исходным, наряду с оксалоацетатом, субстратом в цепи реакций ЦТК. Этот процесс идет под контролем сложной полиферментной системы, носящей название пируватдегидрогеназный комплекс, который содержит пируватдегирогеназу с простетической группой –тиаминпирофосфат и коферментом – Mg⁺²; дигидролипоилтрансацетилазу с простетической группой – липоевая кислота и дигидролипоилтрансацетилазу, которая содержит флавиновый кофермент. Кроме того, участвует в реакции НАД. Таким образом для осуществления этой реакции необходимы витамины В₁, В₂, В₃ и В_5, а также Mg⁺². Активатором является кислород, т.е. недостаток кислорода приводит к образованию неактивной формы фермента.

Вторая реакция – это декарбоксилирование 2-оксоглутарата с образованием сукцинил-S-КоА, замыкающая ЦТК в условиях аэробиоза. Этот процесс проходит при участии полиферментной системы 2-оксоглутаратдегидрогеназы, которая по составу, входящих в него коферментов и простетических групп, напоминает пируватдегидрогеназный комплекс.

Система состоит из трех ферментов: α-кетоглутаратдекарбоксилазы дигидролипоилтрансацетилазы и дигидролипоилдегидрогеназы.

В этой реакции, также как и в первой, помимо ферментных белков, участвует тиаминпирофосфат, липоевая кислота, флавин, КоА-SH, Mg⁺² и НАД.

Роль витамина В₃ в биосинтезе жиров

Участие витамина В₃ в биосинтезе жиров связано с ацетил-КоА (см. рис. 5.4)

Ацетил-КоА является исходным соединением для синтеза жирных кислот и, следовательно, жиров. Особенно важны непредельные жирные кислоты, которые входят в состав всех мембран органоидов клетки, и, следовательно, они определяют интенсивность процесса роста и размножения дрожжей.

Для синтеза жиров из ацетил-КоА необходим также глицерофасфат, образующийся в процессе метаболизма сахаров. Кроме того, ацетил-КоА участвует в образовании стероидов.

В синтезе непредельных жиров также необходим витамин В₇ и ионы марганца Mn⁺².

Следует отметить, что отсутствие в питательной среде витамина В₃ отрицательно влияет на синтез эргостерина в дрожжах, который используется для получения витамина Д.

В производственных питательных средах содержание пантотеновой кислоты не всегда достаточно для синтеза биомассы, особенно это касается солодового сусла.

Биотин

Практически все штаммы пекарских, винных и пивных дрожжей являются абсолютными ауксотрофами по биотину, т.е. не способны расти и размножаться в его отсутствии.

Биотин входит в состав 6-ти карбоксилаз. Он играет роль переносчика карбоксильных (-СОО-) групп во многих реакциях ферментативного карбоксилирования, протекающих с участием АТФ.

Наибольший интерес с точки зрения регулирования обмена в дрожжах представляют пируваткарбоксилаза, ацетил-КоА-карбоксилаза.

Роль биотина в аэробном метаболизме дрожжей.

Биотин является активным компонентом биоцитина - простетической группы пируваткарбоксилазы – фермента, катализирующего реакцию превращения пирувата в оксалоацетат. Помимо биотина для протекания этой реакции необходим Zn⁺², который является коферментом. Это наиболее важная реакция, которая обеспечивает работу ЦТК, она носит название анаплеротической (возмещающей) (см. рис.5.1).

Пируваткарбоксилаза - аллостерический фермент. Скорость катализируемой ею реакции образования оксалоацетата в отсутствии ацетил-КоА очень низка, когда же ацетил-КоА имеется в избытке, стимулируется синтез оксалоацетата. Поэтому при дефиците биотина наиболее уязвим именно этот участок метаболизма, однако это не влияет на скорость гликолиза. В результате в клетках накапливается пируват, который частично выделяется в среду даже при наличии достаточного количества растворенного в среде О₂. Если же концентрация растворенного кислорода невелика - идет образование спирта.

Роль биотина в синтезе углеводов.

Пируваткарбоксилаза участвует и в другом процессе - образовании фосфоенолпирувата (см. рис.5.3). В этом случае она действует в комплексе с другими ферментами, в частности с карбоксикиназой. Карбоксикиназная активность зависит от многих причин, в т.ч. от содержания сахарозы в среде: чем выше ееконцентрация, тем ниже активность фермента.

Роль биотина в синтезе жиров.

Биотин играет большую роль в синтезе длинноцепочечных жирных кислот, входящих в клеточные мембраны (см. рис. 5). Исходным метаболитом в синтезе жирных кислот является цитоплазматический Ац-КоА и диоксид углерода, которые под действием Ацетил-КоА-карбоксилазы, содержащей в качестве простетической группы биотин, превращается в малонин-КоА, непосредственного предшественника 14 из 16 атомов углерода молекулы пальмитиновой кислоты.

Таким образом, недостаток биотина в среде культивирования влечет за собой нарушение всех видов обмена: белкового, жирового, углеводного, а также синтеза нуклеиновых кислот.

Нарушение синтеза жирных кислот приводит к увеличению проницаемости клеток и выходу жизненно важных метаболитов в среду культивирования. Также меняется химический состав запасных веществ дрожжевой клетки: вместо гранул гликогена откладываются гранулы низкомолекулярных липидов из короткоцепочечных жирных кислот. В результате снижается интенсивность размножения дрожжей и выход биомассы.

Обычно для возмещения недостатка биотина в сложные питательные среды, такие как меласса и солодовое сусло, биотин вносят из расчета 0,25 мг на прирост 1 кг дрожжей с массовой долей сухих веществ 25%. При этом следует иметь ввиду, что дрожжи обладают способностью накапливать внутриклеточные запасы биотина, однако количество связанного биотина в ферментах всегда постоянно. В связи с этим имеющийся резерв витамина может быть использован дрожжами на следующих стадиях культивирования.

Избыток биотина также не желателен, так как при этом наблюдается замедление его транспорта в клетку, поэтому при расчете расхода источников биотина на процесс культивирования следует учитывать содержание биотина в среде и в самих дрожжах.

Инозит (В₈)

Для дрожжей только один из изомеров – мезоинозит (мио-инозит) – является фактором роста. Содержание этого витамина в дрожжах может колебаться в пределах от 200 до 500 мг/100 г АСБ.

Установлено, что мезоинозит играет важную роль в жировом обмене сахаромицетов, в частности, клеточные мембраны дрожжей содержат до 20% фосфотидилинозита – фосфолипида, в состав которого входит инозит. При его недостатке нарушается синтез фосфолипидов, а также РНК, белка и происходят изменения в структуре клеточных мембран (они становятся более хрупкими), при этом увеличивается содержание низкомолекулярных липидов в клетках. При недостатке В₈ в клетках содержание жиров может достичь 4,5%, в то время как в обычных условиях - 1,6%. Все это приводит к снижению интенсивности размножения клеток, нарушению обмена, задержке цитокинеза (почки не отделяются от материнских клеток), в результате падает выход биомассы и снижается их бродильная активность.

Содержание этого витамина в производственных средах достаточно велико, поэтому он не является лимитирующим рост дрожжей фактором.

В связи с большой ролью витаминов при составлении питательных сред следует рассчитывать количество лимитирующих рост дрожжей витаминов с учетом потребности дрожжей в этих факторах роста (табл.7.4).

Таблица 7.4 – Потребность дрожжей в факторах роста

Витамин	Мг/кг СВ (Бекер)	Мг/ кг СВ (Уайт)
Пантотенат Ca
Биотин	0,75-2,5	1,0
Мезоинозит	2000 -5000

Сведений о потребности дрожжей в витамине В₁ отсутствуют, однако для винных дрожжей рекомендуется вносить тиамин из расчета 0,5 мг/л сусла.