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      酵母生產(chǎn)乙醇以防止代謝過載
      
			
      
				2019-02-20 09:13:36
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      為什么有些酵母細胞會產(chǎn)生乙醇?幾十年來，科學(xué)家們一直在想這種明顯的資源浪費?，F(xiàn)在，格羅寧根大學(xué)的科學(xué)家認為他們有一個解決方案：酵母細胞產(chǎn)生乙醇作為“安全閥”，以防止當(dāng)代謝操作達到臨界水平時過載。1月7日發(fā)表在“ 自然代謝 ” 雜志上的新理論可能會產(chǎn)生深遠的影響，因為它也解釋了為什么癌細胞通過產(chǎn)生乳酸而浪費能量，即Warburg效應(yīng)。
      

      酵母生產(chǎn)乙醇以防止代謝過載
      

      細胞利用葡萄糖等營養(yǎng)素來制造新細胞。但有時，這些營養(yǎng)素中的一些會被浪費掉。例如，用于生產(chǎn)啤酒的酵母釀酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)將葡萄糖分解為乙醇而不是二氧化碳。“將六碳分子代謝為二碳分子而不是二氧化碳，意味著能量的一部分，葡萄糖中儲存的物質(zhì)就會丟失。這沒有任何意義，”分子系統(tǒng)生物學(xué)教授Matthias Heinemann說。格羅寧根大學(xué)。
      

      代謝
      

      進化應(yīng)該結(jié)束這種資源浪費，因此生物學(xué)家試圖找到它存在的理由。“在其他細胞中可以看到類似的浪費，”海涅曼說。一個廣為人知的例子是癌細胞。這些快速生長的細胞分泌乳酸，這代表了類似的能量浪費。許多細菌也會浪費能量。“不同生物之間的這種相似性使我們懷疑是否存在共同點。”
      

      Heinemann的研究領(lǐng)域是新陳代謝，這是一種化學(xué)反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)，可為新細胞提供構(gòu)建模塊。他假設(shè)細胞能夠運作新陳代謝的速率上限。擁有博士學(xué)位 學(xué)生Bastian Niebel和Simeon Leupold，他模仿了Gibbs在細胞中的能量耗散。這是在細胞中發(fā)生的所有化學(xué)反應(yīng)釋放的能量。
      

      一些普遍的東西
      

      通過將熱力學(xué)加入到具有約1,000個化學(xué)反應(yīng)的模型中并將其與實驗數(shù)據(jù)相結(jié)合，Heinemann能夠確定作為葡萄糖攝取函數(shù)的吉布斯能量耗散率。起初，吉布斯能量耗散隨著葡萄糖消耗速率的增加而增加，但隨后達到穩(wěn)定水平 - 此時乙醇生產(chǎn)開始。“這是細胞從呼吸轉(zhuǎn)向發(fā)酵的關(guān)鍵，”海涅曼解釋說。
      

      Heinemann和他的團隊獲得了與腸道細菌大腸桿菌相似的結(jié)果，其平臺處于可比較的吉布斯能量耗散水平。海涅曼說，“酵母和大腸桿菌生活在完全不同的環(huán)境中，但具有相同的耗散極限甚至大約相同的值。這表明這種限制是普遍存在的。” 這種限制的確切原因尚不清楚，但科學(xué)家們提出了一個有效的假設(shè)。“細胞新陳代謝的最大速率仍然可以運作。” 當(dāng)達到此目的時，細胞打開“安全閥”，葡萄糖被分解為乙醇，乙酸鹽或乳酸鹽，剩余部分能量未使用。
      

      損傷
      

      那么是什么導(dǎo)致了這個限制?“部分能量以熱量的形式消散，但這對細胞來說太少了。我們的想法是，當(dāng)酶催化化學(xué)反應(yīng)時，它們會在反應(yīng)過程中受到微小的推動，這會使它們移動。如果它們工作得非?？?，這可能意味著細胞內(nèi)部運動過多，可能會破壞某些細胞結(jié)構(gòu)。“ 研究不同代謝率下細胞內(nèi)酶的運動可以證實這一點。
      

      與此同時，海涅曼認為，他現(xiàn)在已經(jīng)解決了不僅酵母中乙醇生產(chǎn)的神秘面紗，還解決了癌細胞中華寶效應(yīng)的神秘面紗。大約一個世紀以前，已故的諾貝爾獎獲得者Otto Warburg觀察到癌細胞具有高乳糖分解率和乳酸排泄。Heinemann認為，這種能量和物質(zhì)的浪費是“安全閥”：“有一些實驗正在進行阻止乳酸生成的藥物作為治療癌癥的方法。這些藥物的作用機制可能是關(guān)閉細胞的安全性閥。”
      

      熵
      

      但并非所有細胞都需要安全閥。“一些酵母菌株的葡萄糖攝取緩慢，因此它們永遠不會有代謝過載的危險。事實上，這些酵母菌不會產(chǎn)生乙醇，”Heinemann說。
      

      這一發(fā)現(xiàn)讓人想起ErwinSchrödinger的開創(chuàng)性著作“生命是什么”：“新陳代謝的關(guān)鍵在于有機體能夠成功地擺脫它活著時無法幫助產(chǎn)生的所有熵。”這個陳述應(yīng)該延伸，海涅曼說：“但是，細胞可以從這個熵中解脫出來，這個限制決定細胞如何運作新陳代謝。”
      
			

			
        
      
			
      
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