Питание и метаболизм дрожжей

Все штаммы, классифицированные как S. cerevisiae, способны в аэробных условиях рас­ти на глюкозе, сахарозе, мальтозе и трегалозе, но не могут расти на лактозе и целлобиозе. Однако отно­шение к некоторым другим сахарам у всех этих штам­мов неодинаково: например, те из них, которые рань­ше назывались S. carlsbergensis и S. uvarum, полно­стью утилизируют рафинозу, а штаммы, относившиеся ранее к S. diastaticus и S. chevalieri, растут на крах­мале. Способность дрожжей использовать различные сахара может меняться в зависимости от того, в аэроб­ных или анаэробных условиях растут клетки.

Все штаммы S. cerevisiae могут использовать в ка­честве единственного источника азота аммиак и моче­вину и не могут утилизировать нитраты, так как не обладают способностью восстанавливать их до ионов аммония. Источником азота могут служить также большинство аминокислот, небольшие пептиды и ос­нования. Однако гистидин, глицин, цистин и лизин ус­ваиваются с трудом. S. cerevisiae не секретирует протеаз и поэтому не может утилизировать внеклеточ­ный белок.

Дрож­жам необходим также фосфор, который они ассими­лируют в виде дигидрофосфат-иона (Н₂РО₄^-), и сера, усваиваемая ими либо в форме сульфата (SO₄^2-), ли­бо в форме органических соединений, таких, как метионин и цистин. Потребность дрожжей в калии может отчасти компенсироваться за счет других щелочных металлов и даже аммиака. Кроме перечисленных ме­таллов для хорошего роста дрожжей необходимы так­же магний, кальций, цинк, железо и медь.

МЕТАБОЛИЗМ ДРОЖЖЕЙ

Аэробное дыхание

В процессе аэробного роста при низком содержа­нии глюкозы дрожжи утилизируют ее, образуя угле­кислый газ и воду, подобно тому, как это делают большинство растительных и животных тканей.

Брожение

При выращивании дрожжей в анаэробных усло­виях они превращают глюкозу в пируват главным об­разом посредством метаболического пути Эмбдена-Мейергофа-Парнаса (ЭМП). Од­нако накапливающийся пируват не может принять участие в ЦТК, и NaDH₂, образовавшийся при гликолизе, не окисляет­ся цитохромной системой. В этих условиях пируват декарбоксилируется другим ферментом до ацетальдегида, который восстанавливается в этанол с помощью NADH₂, накопившегося в ходе гликолиза. Таким об­разом, NAD регенерируется и может быть повторно использован, что способствует дальнейшему протека­нию гликолиза.

В ходе превращения глюкозы в этанол путем бро­жения образуются только 4 молекулы АТФ, так что брожение — это менее эффективный процесс, чем аэробное дыхание. Количество АТФ, требуемое для биосинтеза, одинаково вне зависимости от того, рас­тут ли клетки в аэробных или анаэробных условиях, поэтому при анаэробном метаболизме для производст­ва такого же количества клеточного материала дрож­жам необходимо утилизировать гораздо больше глюкозы. В этом состоит биохимическое объяснение эф­фекта Пастера.

Как уже указывалось, спиртовое брожение проис­ходит не только в анаэробных условиях. Дрожжевые клетки, растущие в аэробных условиях при высоком уровне глюкозы в среде, также сбраживают глюкозу в этанол. Подавление аэробного дыхания высоким со­держанием глюкозы, или, точнее, высокой скоростью усвоения глюкозы называется эффектом Крэбтри или катаболитной репрессией. Этот эффект не наблюда­ется при выращивании S. cerevisiae на среде с менее легко усвояемым сахаром, таким, как галактоза. Катаболитная репрессия аэробного дыхания влияет не только на образоваиие энергии, но и на уровень интермедиатов из ЦТК. В клетках, растущих в усло­виях брожения, подавлены и ЦТК, и глиоксилатный цикл. При этом необходимые для биосинтеза кис­лоты ЦТК образуются в результате карбоксилирования пирувата.

Глюконеогенез

Когда вся глюкоза переведена в спирт, катаболитная репрессия снимается и клетки могут продолжать рост путем аэробного усвоения этанола, накопившего­ся на стадии брожения. В такой ситуации единствен­ным источником углерода оказывается этанол, и син­тез сахаров - гексоз, нужных для построения клеточной стенки и других функций, осуществляется с помощью обращения пути ЭМП. Этот процесс называется глюконеогенезом.

Дрожжи вырабатывают два запасных углевода — гликоген и трегалозу, которые могут составлять до 20% сухого веса клетки. Гликоген образуется в основ­ном в анаэробных условиях, а трегалоза синтезирует­ся в значительных количествах при аэробном росте.

РЕГУЛЯЦИЯ МЕТАБОЛИЗМА

Регуляция метаболизма дрожжей представляет со­бой очень сложный процесс. Рост клеток может про­текать аэробным и анаэробным путем, в условиях ка-таболитной репрессии и в нерепрессированном состо­янии. Каждый из этих вариантов характеризуется раз­личными уровнями функционирования пути ЭМП, пен-тозофосфатного пути, ЦТК и глиоксилатного цикла. Выяснение механизмов, контролирующих ак­тивность этих метаболических путей при различных условиях роста, чрезвычайно затруднено. Большинст­во этапов гликолиза представляет собой легко обрати­мые ферментативные реакции, однако три стадии (ка­тализируемые гексокиназой, фосфофруктокиназой и пируваткиназой) сделать обратимыми непросто. Эти стадии, видимо, играют решающую роль в регуляции гликолиза. При глюконеогенезе — пути, обратном гликолизу,— преодоление этих стадий осуществляется ли­бо при участии других ферментов, либо при помощи обходного пути, использующего другую последователь­ность ферментов.

ГЕНЕТИКА ДРОЖЖЕЙ

СТРУКТУРА ХРОМОСОМ

Основная часть ДНК в клетке сосредоточена в хромосомах ядра, хотя ДНК обнаруживается также в митохондриях и в маленьких кольцевых структурах, называемых двухмикронными плазмидами (2-мкм-плазмиды). Многолетние генетические исследования показали, что в дрожжах ядерный генетической мате­риал локализован в нескольких хромосомах, а не в одной, как у бактерий. Данные по сцеплению генов свидетельствуют о том, что в ядре дрожжей присут­ствуют по меньшей мере 17 хромосом, однако с помо­щью цитологических методов их трудно идентифици­ровать. Это и неудивительно, так как содержание ДНК в дрожжевой гаплоидной клетке составляет все­го 1О¹⁰ дальтон, что в 100 раз меньше, чем в клетке человека, и лишь в 10 раз больше, чем в Е. coli. A поскольку ДНК дрожжей распределена между 17 хро­мосомами, размер индивидуальных хромосом очень мал: многие из них вдвое меньше хромосомы Е. coli.

ПОЛОВОЕ РАЗМНОЖЕНИЕ

S. cerevisiae обладает половым циклом развития, в гаплоидных и диплоидных фазах которого клетки могут размножаться вегетативным путем. Популяция гаплоидных клеток состоит из двух клеток спаривания, обозначаемых обычно как а и α. данные клетки могут вести себя как гаметы и претерпевать процессы плазмогамии и кариогамии, в результате чего образуются диплоидные клетки, которые могут расти вегетативно. Однако если диплоидные клетки поместить в среду для споруляции. из них формируются гаплоидные аскоспоры; процесс их образования заключается в мейотическом уменьшении числа хромосом на едро. В этом половом цикле две фазы присущи только половому размножению: первая – это плазмогамия и кариогамия, представляющие собой слияние а- и α.-клеток и последующее слияние ядер; второе – образование аскоспор.

Важность полового размножения, безусловно связана с рекомбинацией наборов генов из двух гаметических ядер. Однако следует отметить. что биологическое значение этот процесс имеет лишь в том случае. если диплоидный штамм образуется при слиянии гамет из двух генетически различных штаммов. В дрожжах этому способствует то, что плазмогамия может происходить только между вегетативными клетками противоположных типов спаривания, т. е. между а и α. клетками.

ВИРУСОПОДОБНЫЕ ЧАСТИЦЫ В ДРОЖЖАХ

Беван и его сотрудники обнаружили, что некото­рые штаммы дрожжей секретируют вещество, убивающее другие штаммы (киллерный эффект). Это наблюдение привело к от­крытию того факта, что дрожжи (а на самом деле и многие другие грибы) содержат вирусоподобные час­тицы (ВПЧ). ВПЧ представляют собой полые сферы, составленные из белковых субъединиц и содержащие одну - две молекулы двухцепочечной РНК. Наличие РНК, которая, видимо, выполняет функцию генетичес­кого материала ВПЧ, вызывает удивление, поскольку в биологических системах двухцепочечные РНК ред­ки и встречаются лишь у немногих растительных и животных вирусов. ВПЧ дрожжей во многом похожи на эти вирусы, однако относить их к вирусам, вероят­но, неправильно, так как до сих пор не показано, что они могут передаваться от клетки к клетке путем ин­фекции.