5.6.4. Жировой обмен
Липиды дрожжей представлены триацилглицеридами, фосфолипидами и стеринами. Триацилглицириды являются предшественниками длинноцепочечных жирных кислот и глицерина. Дрожжевые липиды содержат преимущественно жирные кислоты с 16 и 18 углеродными атомами, хотя найдены и цепи с 8-24 атомами.
Жирные кислоты могут быть насыщенными и ненасыщенными (с одной или двумя связями). В дрожжах преобладает содержание таких ненасыщенных аминокислот как пальмитиновая ( С 16:0) и стеариновая ( С 18:0). Ненасыщенные жирные кислоты в основном представлены пальмитолеиновтой (16:1), олеиновой (С 18:1) и линолевой (С 18:2) кислотами.
Фосфолипиды являются замещенными диацилглицерофосфатами: наиболее обычные заместители - холин, этаноламин, серин или инозит.
Липиды участвуют в регулировании окислительно-восстановительных процессов при дыхании клеток, входят в состав мембран всех органоидов клетки, в т.ч. мембран митохондрий, образуют липопротеиновый комплекс с белками, входящими в состав протоплазмы и т.д. При гидролизе 1 молекулы АТФ в дрожжевой клетке может освободиться до 52 кДж.
Кроме того, липиды выполняют роль запасных веществ клеток дрожжей. Распад нейтральных липидов и фосфолипидов происходит за счет гидролитического действия липаз, в результате образуется глицерин и жирные кислоты. Глицерин далее фосфорилируется до глицеро-1-фосфата, дегидрируется до диоксиацетон-фосфата, который участвует в процессе гликолиза. Жирные кислоты подвергаются -окислению в матриксе митохондрий. Жирные кислоты с короткой углеродной цепочкой, содержащей от 4 до 10 атомов углерода (ЖКК), проникают в митохондрию. Для длинноцепочечных жирных кислот (ЖКД) внутренняя мембрана непроницаема, они переходят в матрикс в виде ацилкарнитинов, которые образуются во внутримембранном пространстве. В результате полного окисления пальмитиновой кислоты образуется 8 молекул Ац-КоА, которые далее поступают в ЦТК. Общий выход АТФ составляет 17 молекул на каждый фрагмент из двух углеродных атомов.
Преобладающие стерины - эргостерин и зимостерин, обнаружены и другие стерины и их эфиры. Все три вида липидов являются важными компонентами клеточной мембраны дрожжей. Так как клеточная мембрана контролирует проникновение в клетку питательных веществ и выделение метаболитов из клетки, её функция необходима для роста и размножение клетки. Синтез стеринов также включает участие НАДФ+-зависимой смешанно-функциональной оксидазы. Потребность дрожжей в молекулярном кислороде более актуальна для синтеза стеринов, чем для образования жирных кислот. Недостаточная концентрация растворенного в среде кислорода уменьшает выход биомассы и снижает их жизнеспособность, так как клетки в этом случае не могут синтезировать ненасыщенные жиры для построения клеточной мембраны.
5.6.4.1. Синтез жирных кислот
Дрожжи могут усваивают жирные кислоты из питательной среды, либо синтезировать их самостоятельно.
Исходным метаболитом в синтезе насыщенных жирных кислот является цитоплазматический Ацетил-КоА и диоксид углерода, которые под действием фермента Ацетил-КоА-карбоксилазы, содержащего простетическую группу – биотин, превращается в малонин -КоА, непосредственного предшественника 14 из 16 атомов углерода молекулы пальмитиновой кислоты. Коферментом ацетил-КоА-карбоксилазы является Mn+2.
Реакция, катализируемая Ацетил-КоА-карбоксилазой, является лимитирующей стадией всего процесса синтеза жирных кислот. Биотин служит переносчиком молекулы СО2 в двухступенчатой реакции.
Первая ступень:
СО2 + АТФ + Биотин-фермент → Карбоксибиотин-фермент +АДФ +Ф
Реакция катализируется также ионами марганца ( Mn+2).
Вторая ступень:
Карбоксибиотин-фермент+Ацетил-КоА→Малонин-КоА+Биотин-фермент
Ацетил-КоА образуется в митохондриях либо из пирувата ( реакции 1 и 2), либо при окислении жирных кислот, содержащих в углеродной цепи 4- 10 атомов углерода. Эти низкомолекулярные жирные кислоты свободно проходят через мембрану митохондрий (перенос облегчается соединением их с карнитином). Исходными метаболитами в образовании Ац-КоА могут быть также аминокислоты ( рис. 5.4)
Следует обратить внимание, что синтез жиров происходит в цитоплазме. Между тем внутренняя мембрана митохондрий непроницаема для ацетил-КоА. Поэтому он сначала конденсируется с оксалоацетатом с образованием цитрата, который легко проникает в цитоплазму. В цитоплазме цитрат распадается под действием цитрат- омыляющего фермента при участии АТФ на оксалоацетат и исходный ацетил-КоА. Именно в этом заключается регуляторная роль цитрата в синтезе жиров (рис.5.4).
Рисунок 5.4. – Биосинтез жирных кислот
Метаболизм жиров тесно связан с кислородом, поэтому хорошее и достаточное аэрирование питательной среды имеет решающее значение для синтеза жирных кислот. Кроме того в среде должно быть достаточное количество витамина В1, В3, а также ионов Mg и Mn ( см. рис. 5.4).
При недостатке кислорода и несбалансированности питательной среды наблюдаются нарушения в процессах метаболизма клеток. Так например, при возрастании концентрации Ацетил-КоА в дрожжах происходит накопление кетосоединений (ацетоацетата, β-оксибутирата и ацетона). Ацетил-КоА также служит донором ацетильной группы в синтезе различных эфиров. Поэтому появление запаха этих соединений свидетельствует о нарушении технологических процессов с участием дрожжей.
Ненасыщенные жирные кислоты образуются из насыщенных в ходе ферментативной реакции, в которой молекулярный кислород действует в качестве акцептора водорода. Эта реакция осуществляется оксидазой со смешанной функцией, использующей в качестве акцептора НАДФ+.
Если у дрожжевых клеток слишком мало длинноцепочечных ненасыщенных жирных кислот, то способность клеточной мембраны пропускать вещества из окружающей среды сильно уменьшается, а потребление аминокислот может вообще прекратиться. В результате снижается не только выход биомассы, но и ухудшается физиологическое состояние дрожжей.