Обмін речовин (метаболізм) дріжджів [+1977 Главачек Ф., Лхотскій А.

Обмін речовин (метаболізм) дріжджів

Мікроорганізми здійснюють свої життєві функції, головним проявом яких є зростання і розмноження за рахунок численних безперервно відбуваються і взаємопов'язаних хімічних реакцій, зазвичай званих обміном речовин або метаболізмом. Метаболізм являє собою два типи процесів, а саме:

анаболизм або асиміляція характеризується синтетичними реакціями, при яких споживається енергія, організми беруть із середовища речовини (харчування), ці речовини вони здатні переробити в продукти, що компенсують втрати, викликані споживанням і розщепленням, і придатні для утворення нових речовин для росту і розмноження;

катаболізм або дисиміляція, т. е. сума реакцій розкладання, багатих енергією високомолекулярних речовин, на речовини найпростіші, бідні енергією, а звільняється енергія споживається на процесі асиміляції.

метаболізм сахаридов

В обміні речовин дріжджів і всіх живих систем взагалі велике значення мають цукру (цукориди), при розщепленні яких виходить енергія для фізіологічних процесів і для біологічного синтезу багатьох речовин. Розщеплення цукрів (гліколіз) є одним з основних процесів. Якщо він протікає при прямій участі кисню повітря, т. Е. При аеробних умовах, таких, як окислювальний обмін речовин, мова йде про процес, який зазвичай називають диханням (respirace). При анаеробних умовах бродіння (ферментація) протікає як антиокислювальний обмін речовин.

Дихання і бродіння - це ферментативні процеси, складний механізм яких в початкових стадіях подібний. Вони протікають спочатку через ряд проміжних стадій, а потім на певній стадії поділяються і йдуть до кінцевих продуктів своїми власними шляхами. При диханні кінцевим продуктом є вуглекислий газ і вода

C6H12O6 + 6O2 = 6CO2 + 6H2O + 2830 кДж (674 ккал)

і при бродінні спирт (етанол) і вуглекислий газ

C6H12O6-> 2C2H5OH + 2CO2 + 924 кДж (22 ккал).

Кількість енергії, що звільнилася при цих катаболічних (діссіміляціонних) процесах, залежить від ступеня окислення. Чим вище теплота згоряння, що утворяться, тим менше енергії звільнилося для клітини. Метаболізм сахаридов (вуглеводів) і його ставлення до всього обміну речовин висловлює наступна схема [5]:

Полісахариди і олігосахариди (мальтоза, сахароза) або спочатку розщеплюються на моносахариди і фосфорилюються, прямо переходять в фосфати гексози. Останній з них фруктозо-1,6-дифосфат розщеплюється на два фосфорілірованний С3-цукру (за схемою Ембден-Мейергофа) або вже на попередній стадії глюкозо-6-фосфат дегідрогенізіруется на 6-фосфоглюконової кислоту і шляхом окисної декарбоксілаціі перейде в пентозофосфатов, який є голозідним компонентом рибонуклеїнових кислот. Фосфати пентози в так званому пентозофосфатному циклі переходять через гептози, гексози, тетрози в фосфати триоз і гексоз, через які приєднуються до схеми Ембден-Мейергофа.

З тріозофосфата (дігідроксіацетонфосфата) утворюється як побічний продукт гліцерин, основна речовина для синтезу нейтральних жирів і фосфатидів.

Основний шлях розщеплення сахаридов веде від тріозофосфата через різні проміжні стадії до піровиноградної кислоти. При декарбоксілаціі і відновленні утворюються основні продукти анаеробного гліколізу, т. Е. Етанол і вуглекислий газ. Крім того, піровиноградна кислота, віддає свій вуглецевий скелет амінокислоті аланина, який утворюється в результаті трансамінування.

При аеробних умовах протікає також процес окислення, в результаті якого утворюється "активована оцтова кислота". При скупченні ацетілових залишків активованої оцтової кислоти утворюються жирні кислоти, стероли, каротиноїди і одночасно утворюється вуглецевий скелет ряду важливих амінокислот. Ці процеси зворотні і тому ацетилкофермент А є важливим проміжним речовиною розщеплення, перебудови і побудови сахаридов, білків, жирів, стеролов, каротиноїдів та інших речовин.

Остаточне перетворення ацетиленового залишку в вуглекислий газ і воду здійснюється в циклі лимонної кислоти, завдяки чому клітина набуває основну частину енергії. З проміжних продуктів α-кетоглютарової і щавелевоуксусной кислот при амінування і трансамінування утворюються глютаминовая і аспарагінова кислоти.

При пивоварному бродінні основним і переважним процесом є гліколіз (бродіння) за схемою Ембден-Мейергофа-Парнасова, при якому в якості основних продуктів утворюються етанол і вуглекислий газ. У присутності кисню на процес бродіння накладаються аеробні процеси (дихання), зокрема в стадії піровиноградної кислоти цикл лимонної кислоти (Кребса) або в стадії глюкозо-6-фосфату-пентозофосфатний цикл.

При низовому пивоварному бродінні приблизно 98% цукру зброджується і 2% використовуються на процес дихання.

Спиртове бродіння (схема Ембден-Ме йергофа)

Спиртове бродіння дуже складний процес, при вивченні якого поступово з'ясувалося, що він протікає як ланцюг ре-акцій, пов'язаних фосфорилюються механізмом.

У першій фазі бродіння (стадія фосфорилювання) утворюються різні фосфати гексоз. Останній з них (фруктозо-1,6- дифосфат) розпадається на два тріозофосфата: дігідроксіацетонфосфат і глицеральдегид-3-фосфат. Гліцеральдегід-3-фосфат дегідрогенізіруется при втручанні никотинамидадениндинуклеотида (НАД) і одночасно фосфорилируется в 1,3-фосфоргліцеріновую кислоту, яка наступною дегідрогенізаціі і дефосфорілізаціей переходить в пировиноградную кислоту. Кислота в свою чергу декарбоксилируется в вуглекислий газ і ацетальдегід, який в останній фазі відновлюється в спирт (етанол). Весь хід спиртового бродіння видно по при-веденной по Де Клерк (6) схемою, яка складена на основі наявних даних, що відносяться до вивчення цього складного процесу.

Сбраживаемости цукрів різна і залежить від виду цукру і від властивостей дріжджів. Спочатку вважали, що прямо сбраживаются тільки так звані зімогексози, т. Е. Глюкоза, фруктоза, маноза і умовно (після пристосування) також галактоза, при цьому всі тільки в оптичній D-формі. Олігосахариди вважалися зброжує тільки після розщеплення на гексози відповідними ферментами. Наприклад, низові пивоварні дріжджі містять инвертазу (сахарозу, β-фруктозідазу-β-D-фруктофуранозід фруктогідролазу, ЄК 3.2.1.26), каталізують розщеплення сахарози на глюкозу і фруктозу, далі мальтозу (α-глюкозидази-α-D-глюкозид глюкогідролазу, ЄК 3.2.1.21), яка каталізує розщеплення мальтози на дві молекули глюкози і, нарешті, мелибиаза (α-галактозидазу-α-D-галактозид галактогідролазу, ЄК 3. 2. 1. 23), яка при одночасному присутності сахарози розщеплює трисахарид на всі три його складові, т. е. галактозу, глюкозу і фруктозу. У верхових дріжджів мелибиаза відсутня і тому вони розщеплюють рафінозу на мелібіози і фруктозу, так що зброджують тільки її фруктозний компонент (1/3).

Останнім часом за допомогою хроматографічного методу підтвердилося існування трансфераз, здатних переносити гексозних одиниці з однієї молекули дисахарида або трісахаріди на іншу, або навіть всередині молекули з одного зв'язку на іншу. Так, під дією трансглюкозідази може утворитися наприклад, з сахарози трисахарид фруктозо-фруктозо-глюкоза або фруктозо-глюкозо-фруктоза. Утворилися таким чином цукру під дією трансфераз розщеплюються (сбраживаются) безпосередньо ферментами бродіння. Сбраживаемости цукрів залежить також від проникності клітинної оболонки дріжджів. Відомо, що всередину дріжджів проникають дітрісахаріди, а вищі цукру і декстрини ніколи.

Яка відповідно до рівняння бродіння з 100 г глюкози теоретично виходить 51,1 г спирту (етанолу) і 48,9 г вуглекислого газу. Практично вихід завжди нижче і відповідає в середньому 48,6% етанолу і 46,4% вуглекислого газу. Близько 2% глюкози дріжджі асимілюють і залишок приблизно 3% переходить в побічні продукти, т. Е. Ацетілдегід, гліцерин, оцтову і молочну кислоту.

Цикл лимонної кислоти

На початку бродіння сусло завжди містить певну кількість розчиненого кисню повітря, в присутності якого дріжджі "дихають". Тим самим змінюється первісна схема анаеробного метаболізму. Відновлення ацетілдегіда сповільнюється, так що починається накопичуватися пировиноградная кислота, незначний надлишок якої аеробно декарбонізіруется в циклі лимонної кислоти, або в трикарбоксилову циклі, званому також на ім'я його відкривача циклом Кребса.

У реакцію включається наступний комплекс ферментів, що каталізує у присутності коферменту А освіту ацетил коферменту А з дуже невеликої кількості піровиноградної кислоти. При його дії на щавлевооцтову кислоту утворюється лимонна кислота, а з неї поступово кислоти цісаконітовая, L-ізолімонная, щавелевоянтарная, α-кетоглутарова, фумарова, L-яблучна і, нарешті, щавелевоуксусная, яка залишається в циклі. Її реакцією з піровиноградної кислотою починається новий цикл.

Вже раніше було відомо, що при повному виключенні дихання знижується життєздатність пивних дріжджів, а тим самим знижуються і їх фізіологічні функції і бродильная активність. Вайнфуртнер [3] призводить, як висновок з нових досліджень [15], відомості про те, що енергія, що отримується при диханні, фізіологічно нерівноцінні енергії, отриманої при бродінні, оскільки без дихання дріжджі поступово втрачають здатність до розмноження.

пентозофосфатний цикл

Останнім часом виявилося, що при диханні дріжджів до 30% глюкози розщеплюється прямим окисленням [16] в наступному так званому пентозофосфатному або гексозомонофосфатном циклі за схемою Варбурга, Дікенса і Хорекера. При спиртовому бродінні він накладається на схему Ембден-Майергофа в стадії глюкозо-6-фосфату, який окислюється в 6-фосфоглюконової кислоту (через δ-лактон). При декарбоксілаціі через 6-фосфо-3-кетоглутаровую кислоту утворюється рибулозо-5 фосфат. Остання утворює з рибоза-5-фосфатом седогептулозо-7-фосфат і глицеральдегид-3-фосфат, який повертається в нормальне схему Ембден-Мейергофа. Седогептулозо-7-фосфат розщеплюється в еритроза-4-фосфат і дігідроксіацетон. У присутності глицеральдегид-3-фосфату утворюється фруктозо-6-фосфат, який починає наступний цикл.

Одним кільцем пентозофосфатного циклу одна молекула глюкозо-6-фосфату декарбонізуется в рибулозо-5-фосфат. При цьому відновлюються дві молекули тріфосфопірідіннуклеотіда (ТВП), який знову повинен окислюватися киснем повітря.

ефект Пастера

Основні зміни в метаболізмі дріжджів, пов'язаному з подачею повітря в процесі бродіння (анаеробний і аеробний процес), першим помітив Пастер. Він виявив, що кисень пригнічує бродіння (освіта спирту), проте прискорює ріст (розмноження) дріжджів. Це явище відоме як ефект Пастера. При аеробних умовах дріжджі НЕ зброджують (крім певних) цукор в етанол, а утворюється лише вуглекислий газ; при цьому в порівнянні з аеробних гликолизом споживання глюкози набагато менше. За теорією Лінена [17], діапазон розщеплення цукру регулює концентрація неорганічного фосфату і аденозиндифосфата (АДФ).

У пивоварних культурних дріжджів ефект Пастера не спостерігається [18]. З технологічної точки зору наявність ефекту Пастера свідчило б про порушення функцій пивоварних дріжджів.

Метаболізм азотистих речовин

Азотисті речовини в дріжджових клітинах постійно оновлюються. Одночасно з розщепленням протікає синтез білків. Як азотистих продуктів харчування дріжджовим клітинам служать солі амонію, амінокислоти і нижчі пептиди, якщо вони проникають через оболонку клітини.

Для росту, оновлення та відновлення живих систем особливе значення мають амінокислоти. Вони утворюються при введенні аміногрупи в α-кетокислот, які є проміжними продуктами при розщепленні сахаридов. Переважну частину споживання амінокислот (близько 75%) дріжджі здійснюють прямий асиміляцією і майже весь залишок дезаминированием за схемою Ерліха з утворенням вищих спиртів [19]. Для синтезу білків найбільш важлива глютаминовая і аспарагінова кислоти, аланін і аміди перших двох, т. Е. Глютамин і аспарагін.

Крім амінокислот дріжджі асимілюють також пептиди [20]. З азоту, асимільованого з сусла дріжджами, близько 11% припадає на пептиди. Тому значення пептидів в порівнянні з відповідними амінокислотами менше, а саме тому, що під дією екзопептідази вони спочатку повинні розщеплюватися в прості компоненти.

Усередині дріжджових клітин амінокислоти піддаються трансаминирования каталізованному трансамінозамі, що переносять аміногрупи з однієї молекули на іншу. Так, наприклад, аланін утворюється шляхом реакції глютамінової кислоти з піровиноградної. Високомолекулярні азотисті речовини утворюються конденсацією амінокислот за участю аденозинтрифосфату (АТФ). У пивному суслі амінокислоти є більш важливим джерелом азоту, ніж амонієві сполуки [21]. Легко асимільованими є аргінін, лізин, метіонін, глютамінова і аспарагінова кислоти. І, навпаки, пролін, валін та інші виділяються в середу.

Сусло завжди містить достатню кількість азотистих речовин. З 600 мг асимільованого азоту, що міститься в 1 л сусла (12% -ве), при бродінні дріжджі споживають близько 200 мг [22]. У стадії росту вміст азоту в дріжджах швидко зростає, поки не досягне майже двократної величини [23] і потім знову поступово падає аж до вихідної величини. Подальше зменшення вмісту азоту пов'язано з тим, що дріжджі виділяють в середу від 5 до 33% з власного обсягу азоту, найімовірніше у вигляді амінокислот і пептидів.

Метаболізм мінеральних речовин

Загальне значення мінеральних речовин в клітинному організмі випливає із наведеного нижче

вони поставляють основні (неорганічні) елементи для побудови органічних сполук (вуглець, азот, сірка і фосфор);

регулюють і підтримують в організмі певні величини деяких фізичних або фізико-хімічних властивостей, наприклад міцність клітинної оболонки, осмотичний тиск протоплазми, іонну рівновагу, pH, проникність клітинної оболонки, розчинність білків, активність ферментів і т. д .;

є складовою частиною деяких біологічних каталізаторів, головним чином ферментів (залізо, мідь), вітамінів (кобальт), барвників (магній), активують або пригнічують багато ферментативні реакції (магній, залізо, мідь, кальцій, калій, натрій, кобальт, цинк і т . д.) і тим самим прямо втручаються в метаболічні процеси.