酵母乙醇释放缓解压力

为什么有些酵母细胞生产乙醇吗?科学家们想知道这个明显浪费资源了几十年。现在,格罗宁根大学的科学家认为他们有一个解决方案:酵母细胞生产乙醇作为一个“安全阀”,防止过载时代谢操作达到临界水平。这个新理论的含义,这是1月7日发表在《自然代谢,可能是深远的,这也解释了为什么癌细胞浪费能源的生产乳酸,称为Warburg效应。

细胞利用葡萄糖等营养物质制造新的细胞。但是有时候,有些营养浪费。例如,酵母酿酒酵母,用于生产啤酒,使葡萄糖分解成乙醇而不是二氧化碳。“代谢形成六元分子,而不是二氧化碳,意味着能量和物质的一部分存储在葡萄糖。是没有意义的”,说马提亚Heinemann,格罗宁根大学的分子系统生物学教授。

新陈代谢

进化应该结束这样的浪费资源,所以生物学家试图找到其存在的理由。”,可以看到类似的浪费在其他细胞的,海恩曼说。一个广为人知的例子是癌细胞。这些快速增长的细胞分泌乳酸,这是一个类似的浪费能源。和许多细菌浪费能源。不同生物之间的这种相似性使我们怀疑有一个公分母”。

海的的研究领域是新陈代谢,化学反应网络,生成新细胞的构建块。他推测,有一个利率上限的细胞可以经营他们的新陈代谢。和他的博士生Bastian Niebel和西缅Leupold,他模仿的吉布斯能量耗散的细胞。这是所有化学反应释放的能量,发生在一个细胞。

普遍的东西

通过添加热力学与约1000化学反应模型,将模型与实验数据相结合,海是能够确定吉布斯能量耗散率的函数葡萄糖吸收。起初,吉布斯能量耗散率增加而增加葡萄糖的消耗,但随后到达高原,在这一点上,乙醇生产的开始。这是在细胞从呼吸转换到发酵的,解释了海。

海恩曼和他的团队获得了类似的结果对肠道细菌大肠杆菌,在同等水平的高原吉布斯能量耗散。海:“酵母和大肠杆菌生活在完全不同的环境,但有相同的耗散极限,甚至在相同的值。这表明这个极限是普遍的。确切的原因限制仍然是未知的,但是科学家们已经想出一个工作假说。“细胞新陈代谢的最大速率仍然可以运行。”这是达到时,细胞打开一个“安全阀”醋酸乙醇和葡萄糖分解,或乳酸,导致未使用的能源的一部分。

损害

那么,是什么导致了这个极限?”的一部分能量以热能的形式耗散,但这是打扰细胞太少。我们的想法是,当酶催化化学反应,在反应过程中,他们得到一个微小的推动,这使得它们的举动。如果他们工作非常快,这可能意味着有太多运动内部的细胞,这可能会损害某些细胞结构。“研究运动细胞内的酶在不同的代谢率可以证实这一点。

同时,海相信他已经解决了这个神秘的不仅仅是酵母的乙醇生产,而且Warburg效应在癌症细胞。近一个世纪前,已故诺贝尔奖得主奥托华宝观察到肿瘤细胞糖酵解与乳酸排泄率很高。这种浪费的能量和物质,Heinemann认为,“安全阀”:“有一些实验和药物乳酸块生产来治疗癌症。这些药物的机制可能是关闭细胞“安全阀”。

熵

不过,并不是所有的细胞需要一个安全阀。一些酵母菌株缓慢葡萄糖吸收,所以他们永远不会代谢过载的危险。事实上,这些酵母物种不生产乙醇,海恩曼说。

这个发现令人想到引用欧文薛定谔的开创性工作“生命是什么”:“新陈代谢是生物体的关键在于成功地摆脱所有的熵不能帮助生产而活着。海恩曼说,“这句话应该扩展,使用以下:“不过,有一个利率上限的细胞可以摆脱这个熵,而这限制控制细胞如何经营他们的新陈代谢。

这篇文章被转载材料所提供的格罗宁根大学。注:材料可能是长度和内容的编辑。为进一步的信息,请联系引用源。

参考
一个上限吉布斯能量耗散控制细胞的新陈代谢。巴斯蒂安·Niebel西缅Leupold &马提亚海。自然Metabolismvolume 1, pages125 - 132 (2019), https://doi.org/10.1038/s42255 - 018 - 0006 - 7。