Глава 12
ОБМЕН АЗОТИСТЫХ ВЕЩЕСТВ ПРИ БРОЖЕНИИ
Для развития, размножения и осуществления алкогольного брожения винным дрожжам необходимы азотистые вещества. Они способны усваивать аммиачный азот и азот органических соединений, главным образом аминокислот. Что касается окисленных форм азота (нитриты, нитраты и др.), то они должны быть восстановлены до аммиака.
Из органических форм азота дрожжи потребляют в основном l-формы аминокислот, а также мочевину. Но вместе с тем дрожжи весьма энергично используют в качестве источника азота сернокислый и фосфорнокислый аммоний, а также аммиачные соли янтарной, уксусной и молочной кислот. Для дрожжей аммиачные соли являются главным предшественником органического азота. Пептиды могут быть использованы при непосредственном дезаминировании за счет свободных аминогрупп. Они также сначала подвергаются гидролизу до составных аминокислот, а потом дезаминированию.
Для потребления неорганического (аммонийных солей) и органического азота (аминокислот и амидов) винным дрожжам необходимо присутствие витаминов. Благоприятное влияние оказывают биотин, тиамин (Β1), пиридоксин (В6), пантотеновая кислота и др.
Пиридоксинфосфат и тиаминпирофосфат (декарбоксилаза) играют важную роль в обмене аминокислот, в частности в декарбоксилирования переаминировании и других процессах.
Ферментативное расщепление аминокислоты
Винные дрожжи расщепляют аминокислоты двумя путями, один из которых связан с декарбоксилированием, а другой — с дезаминированием. В этих процессах участвуют различные ферментативные системы. Характер превращения в значительной степени зависит от реакции среды. Дрожжи в зависимости от pH среды способны декарбоксилировать или дезаминировать аминокислоты. В кислой среде декарбоксилаза более активна и процесс протекает более интенсивно по схеме
Эта реакция имеет биологическое значение, так как образующиеся амины нейтрализуют кислоты.
В щелочной среде увеличивается активность дезаминаз и при этом усиливается процесс дезаминирования аминокислот.
Реакция окислительного дезаминирования, наиболее широко осуществляемая в процессе жизнедеятельности дрожжей, протекает по уравнению
Как видно из уравнения, окислительное дезаминирование сопровождается образованием α-кетокислоты и аммиака.
Существуют и другие пути дезаминирования. Так, при восстановительном дезаминировании из аминокислоты получается жирная кислота и аммиак:
Гидролитическое дезаминирование аминокислоты сопровождается образованием аммиака и соответствующей оксикислоты:
По представлению Ф. Эрлиха процесс дезаминирования является основным источником азота для использования аминокислоты дрожжами.
Было также установлено, что смесь двух аминокислот повышает прирост биомассы и усиливает алкогольное брожение по сравнению с одной аминокислотой. Исходя из этого, возможен и другой путь дезаминирования согласно реакции Л. Стикленда, который считает, что дезаминирование происходит в результате сопряженного окисления и восстановления пары аминокислот, одна из которых окисляется, а другая восстанавливается. К окисленным аминокислотам, т. е. донаторам водорода, относятся аланин, валин, серин, лейцин, аспарагиновая и глутаминовая кислоты. Восстанавливаемыми аминокислотами являются глицин, пролин, орнитин, аргинин и др.
Одна из аминокислот в процессе окисления дезаминируется в кетокислоту, которая затем в результате реакции окислительного декарбоксилирования превращается в жирную кислоту. Образовавшийся в результате окисления аминокислоты НАД-Н2 акцептируется восстанавливающейся аминокислотой. Сопряженные реакции окисления и восстановления можно представить двумя реакциями:
При таком механизме дезаминирования, где участвуют несколько аминокислот, питательная ценность сред для дрожжей повышается.
Как показали исследования Р. Торне, по сравнению с отдельными аминокислотами смесь двух аминокислот ускоряет размножение и рост дрожжей на 20%, смесь трех аминокислот — на 28%, а смесь восьми аминокислот — на 50% [48]. Это подтверждается тем, что наилучшей питательной средой для дрожжей является смесь аминокислот, содержащаяся в автолизатах.
Работами С. А. Коновалова показано, что дрожжи способны ассимилировать непосредственно аминокислоты. Позднее это было подтверждено Р. Торне.
Следует указать, что винные дрожжи в отличие от некоторых других гетеротрофных микроорганизмов способны синтезировать все аминокислоты, входящие в состав их белков, непосредственно за счет неорганических азотистых соединений, главным образом из аммиачных солей. Для построения углеродной цепочки аминокислот дрожжи используют продукты распада углеводов, которые образуются в процессе брожения и дыхания. Винные дрожжи способны синтезировать аминокислоты и белки за счет неорганического азота и углеводов. Они могут употреблять углекислоту для синтеза углеродного скелета аминокислоты. Так, например, дрожжи способны карбоксилировать пировиноградную кислоту с образованием щавелевоуксусной с последующим аминированием ее в аспарагиновую.
Первым продуктом биологической ассимиляции неорганического азота является аминокислота. Синтез аминокислот из их кетоаналогов дрожжи осуществляют путем восстановительного аминирования, катализируемого дегидрогеназой по схеме
С. П. Костычев [53] считал, что прямое аминирование кетокислот аммиаком имеет большое значение как связывающее звено между обменом углеводов, с одной стороны, и азотистым обменом — с другой.
Аналогичная связь осуществляется и при реакции ферментативного переаминирования:
Аминокислота передает свои аминогруппы кетокислоте; последняя аминируется в аминокислоту, а аминокислота превращается в соответствующую кетокислоту.
Известно, что если дрожжи при размножении не обеспечивать смесью всех аминокислот для биосинтеза белков, то они способны ассимилировать их без предварительного дезаминирования.
Наоборот, если в среде отсутствует несколько необходимых аминокислот, то дрожжи часть их дезаминируют, чтобы получить аммиак для синтеза недостающих аминокислот.
Виноградное сусло является наилучшей питательной средой для роста и размножения винных дрожжей. Многочисленные исследования показали, что они интенсивно потребляют содержащиеся в виноградном соке азотистые вещества, в первую очередь аммиачные соли, а затем аминокислоты.
Исследования С. Фланзи, М. Фланзи и Ч. Пу показали, что дрожжи при брожении виноградного сока ассимилируют весь аммиачный азот и около половины аминокислот, а также и пептиды.
