ФЕРМЕНТАТИВНЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ, ПРОИСХОДЯЩИЕ ВНУТРИ ДРОЖЖЕВЫХ КЛЕТОК В ПРОЦЕССЕ ИХ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ

В основе жизнедеятельности клеток Saccharomyces cerevisiae лежат биохимические ферментативные внутриклеточные превращения. Обмен веществ в дрожжевых клетках реализуется с помощью каталитического центра ферментов. Аллостерический эффект, который может присутствовать в белковой части фермента, также участвует в регуляции ферментативной активности. Присоединение к этому центру конечных продуктов ферментативных реакций — негативных эффекторов приводит к снижению его активности, а при комплексовании с позитивными эффекторами — к увеличению активности. Часть ферментов представлена сложными белками, содержащими кроме апофермента (белковой части) кофермент. Простетическая группа (кофермент) определяет природу катализируемых реакций и влияет на их скорость. Группа коферментов, влияющих на интенсивность дыхания и брожения, представлена НАД⁺ (никотинамидадениннуклеотид) и НАДФ⁺ (никотинамидадениндинуклеотидфосфат), ионами металлов, витаминами. Коферменты, переносящие ионы водорода или электроны, связаны с окислительно-восстанови­тельными ферментами — оксидоредуктазами, к которым принад­лежат дегидрогеназы. В состав дегидрогеназ входит рибофлавин. Дегидрогеназы, например глицератдегидрогеназа, алкогольдегид-рогеназа, лактатдегидрогеназа, в активной группе содержат НАД⁺ и НАДФ⁺. К числу активирующих ионов металлов относятся ионы калия, натрия, магния, марганца, цинка, кальция и ряд других.

Вторая группа коферментов, участвующая в переносе групп атомов, связана с трансферазами, представлена АТФ, фосфатами глюкозы, маннозы, коферментом А (КоА), в состав которого входят пантотеновая кислота, тетрагидрофолиевая кислота и пири-доксаль-5-фосфат.

К третьей группе коферментов, катализирующей реакции синтеза, распада и изомеризации углеродных связей и связанной с действием лиаз, изомераз и лигаз, относятся тиаминпирофосфат, биотин и производные витамина В₁₂ (цианкобаламин).

Процессы обмена веществ в дрожжевой клетке протекают с участием биологических катализаторов, в состав которых входят экзо- и эндоферменты. Первые выделяются клеткой для гидролиза сложных веществ среды на простые, которые затем проникают через пористую клеточную оболочку дрожжей внутрь; вторые не выделяются в среду и действуют внутри клетки. Различают конструктивные и адаптивные ферменты. У конструктивных ферментов субстратов для их индукции служат метаболиты, образующиеся в клетке в процессе ее жизнедеятельности; у адаптивных — индуктором служит субстрат, содержащийся в питательной среде.

Большая часть ферментов находится внутри клетки. Эндоферменты располагаются в клеточных органоидах, но могут находиться и в цитоплазме. Так, ферменты, участвующие в процессе брожения: фосфогексоизомераза, фосфогексокиназа, альдолаза, гидролитические ферменты и др., содержатся в цитоплазме. Гидролитические ферменты — протеазы (катепсины), липазы, фосфатазы, нуклеазы сконцентрированы в лизосомах. В митохонд­риях локализованы ферменты, катализирующие окислительные процессы: аконитаза, изоцитратдегидрогеназа, a-кетоглутаратдегидрогеназа, сукцинатдегидрогеназа, фумараза и малатдегидрогеназа. Фермент аденозинтрифосфатаза, катализирующий отщепление остатка фосфорной кислоты в АТФ (аденозинтрифосфат), находится также в митохондриях. Кроме того, в них сконцентрированы ферменты энергетического метаболизма.

В рибосомах локализованы ферменты, участвующие в синтезе белков, и кислые фосфатазы, в цитоплазматической мембране — пермеазы, катализирующие транспорт веществ, и другие ферменты.

Взаимосвязь дрожжевых клеток с питательной средой, приспособление к ней создают благоприятные физико-химические условия и предопределяют активность ферментов, дополнительный их синтез, ускоряют и обеспечивают внутриклеточные биохимические превращения. В условиях хлебопекарного производства факторами, влияющими на рациональный ход техноло­гического процесса и качество продукции, являются исходная биологическая активность дрожжей и способность их адаптироваться к анаэробным условиям в полуфабрикатах. От этих факторов зависят их бродильная активность, углеводный и азотный обмен, образование ферментов.

Условия культивирования биомассы Saccharomyces cerevisiae на дрожжевых заводах способствуют образованию в дрожжах активного ферментного зимазного комплекса, а также фермента β-фруктофуранозидазы. Ферменты восстановительного действия в клетках находятся в малоактивном состоянии, так как аэрация культуральной среды и отсутствие в ней индуктора — мальтозы не стимулируют их синтез.

В связи с тем, что жизнедеятельность хлебопекарных дрожжей Saccharomyces cerevisiae, используемых в полуфабрикатах для разрыхления, резко отличается от метаболизма последних, используемых при культивировании с целью накопления биомассы, анаэробная активность в начале брожения проявляется недостаточно. Дрожжевые клетки должны «переключаться» с дыхательного на бродильный образ жизнедеятельности, при этом изменяется их внутренняя структура и уменьшается потребление кислорода на дыхание.

Используя научные концепции метаболизма дрожжей с учетом их «биологической инерционности», коэффициента распределения питательных веществ между клетками и окружающей средой, наличия антагонистов и коферментов, можно достичь высокой активности микроорганизмов в анаэробных условиях.

Таким образом, создание условий, обеспечивающих активное поступление в клетку веществ, необходимых для осуществления конструктивного и энергетичного обмена в анаэробных условиях, позволит направить ферментативные реакции в дрожжевой клетке в сторону брожения. Направленность этого биохимического процесса зависит от наличия питательных веществ в среде, их доступности для потребления дрожжевой клеткой и специфи­ческого физического воздействия на нее, а также от рас и штаммов, использованных для получения дрожжей.

В аэробных условиях при росте и размножении дрожжей основные функции последних связаны с их метаболизмом при дыхании. При изменении состава питательной среды и условий жизнедеятельности дрожжевые клетки способны производить перестройку внутриклеточной ферментной системы и метаболических путей; переход дрожжей с одного типа жизнедеятельности (аэробного) на другой (анаэробный) связан с аденозинтри-фосфатом (АТФ).