酵母生产乙醇以防止代谢过载

为什么有些酵母细胞会产生乙醇?几十年来，科学家一直在想这种明显的资源浪费。现在，格罗宁根大学的科学家认为他们有一个解决方案：酵母细胞产生乙醇作为“安全阀”，以防止当他们的代谢操作达到临界水平时过载。1月7日发表在“ 自然代谢 ” 杂志上的这一新理论的意义可能是深远的，因为它也解释了为什么癌细胞通过产生乳酸而浪费能量，称为Warburg效应。

细胞利用葡萄糖等营养素制造新细胞。但有时，这些营养素中的一些会被浪费掉。例如，用于生产啤酒的酵母酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)将葡萄糖分解成乙醇而不是二氧化碳。“将六碳分子代谢为二碳分子，而不是二氧化碳，意味着能量的一部分，葡萄糖中储存的物质就会丢失。格罗宁根大学分子系统生物学教授Matthias Heinemann说，这毫无意义。

代谢

进化应该结束这种资源的浪费，因此生物学家试图找到它存在的理由。海涅曼说，在其他细胞中可以看到类似的浪费。众所周知的例子是癌细胞。这些快速生长的细胞分泌乳酸，这是一种类似的能量浪费。许多细菌也会浪费能量。“不同生物之间的这种相似性使我们怀疑是否存在共同点。”

Heinemann的研究领域是新陈代谢，这是一种化学反应网络，可为新细胞提供构建模块。他假设细胞能够运作新陈代谢的速率上限。他的博士生是Bastian Niebel和Simeon Leupold，他模仿了Gibbs在细胞中的能量耗散。这是在细胞中发生的所有化学反应释放的能量。

一些普遍的东西

通过将热力学加入到具有约1,000个化学反应的模型中并将模型与实验数据相结合，Heinemann能够确定作为葡萄糖摄取函数的吉布斯能量耗散率。起初，吉布斯能量消耗随着葡萄糖消耗速率的增加而增加，但随后达到平台 - 此时乙醇生产开始。“这是细胞从呼吸转向发酵的关键点，”海涅曼解释说。

Heinemann和他的团队获得了肠道细菌大肠杆菌的类似结果，其平台处于可比较的吉布斯能量耗散水平。Heinemann：'酵母和大肠杆菌生活在完全不同的环境中，但具有相同的耗散极限，甚至大约相同的值。这表明这种限制具有普遍性。这种限制的确切原因尚不清楚，但科学家们提出了一个有效的假设。“细胞新陈代谢的最大速率仍然可以运作。” 当达到此目的时，细胞打开“安全阀”，葡萄糖被分解为乙醇，乙酸盐或乳酸盐，留下部分能量未使用。

损伤

那么是什么造成了这个限制?'部分能量以热量的形式消散，但这太少而不能打扰细胞。我们的想法是，当酶催化化学反应时，它们在反应过程中受到微小的推动，这使它们移动。如果它们工作得非常快，这可能意味着细胞内部运动过多，这可能会破坏某些细胞结构。研究不同代谢率下细胞内酶的运动可以证实这一点。

与此同时，海涅曼认为，他现在已经解决了不仅酵母中乙醇生产的神秘面纱，还解决了癌细胞中华宝效应的神秘面纱。大约一个世纪以前，已故的诺贝尔奖获得者Otto Warburg观察到癌细胞具有高的糖酵解速率和乳酸排泄。Heinemann认为，这种能量和物质的浪费是“安全阀”：'有一些实验正在进行阻止乳酸生成的药物作为治疗癌症的方法。这些药物的作用机制可能是关闭细胞的安全阀。

熵

但是，并非所有细胞都需要安全阀。'一些酵母菌株的葡萄糖摄取缓慢，因此它们永远不会有代谢过载的危险。事实上，这些酵母物种不会产生乙醇，Heinemann说。

这一发现让人想起ErwinSchrödinger的开创性着作“生命是什么”：“新陈代谢的关键在于有机体成功地将自己从活着时无法帮助的所有熵中解放出来。” Heinemann说，这个陈述应该扩展如下：'但是，有一个上限速率，细胞可以从这个熵中解脱出来，这个限制决定了细胞如何运作它们的新陈代谢。