酵母的大分子營養需求與轉運策略（Ⅱ）

俞麗燕，章亭洲

（浙江科峰生物技術有限公司固態發酵與生物飼料研究院，浙江 海寧 314423）

3 酵母營養物質的轉運機制

營養物質轉運進入酵母細胞需要依次穿過細胞壁和細胞質膜。酵母細胞壁并非營養物質自由出入的結構，通常分子量大于700 u的分子難以穿過細胞壁。酵母細胞質膜作為營養物質進出的選擇性屏障，決定哪些營養物質進入細胞以及哪些代謝物排出細胞。

3.1 營養物質攝取的機制

（1）自由擴散。是脂溶性溶質被動通過細胞質膜的一種營養物質運送方式，溶質從濃度高的一側轉運至濃度低的一側，例如酵母對短鏈烷烴和長鏈脂肪酸的吸收，以及乙醇和氣體物質的外排等。這種方式是酵母中最簡單且效率最低的物質運送方式。

（2）促進擴散。是溶質在轉運蛋白協助下進行被動擴散的營養物質運送方式，如釀酒酵母對葡萄糖的吸收。由于轉運蛋白的參與，該方式比簡單擴散轉運速度快，常見的轉運蛋白包括通透酶（permease）、載體蛋白（carrier）和促進蛋白（facilitator），它們對轉運的溶質表現出立體特異性。

（3）擴散通道。是某些離子通過電壓依賴性離子通道順濃度梯度轉運營養物質的運送方式，如釀酒酵母對于K+的運送[15]。離子通道由蛋白質組成，酵母細胞處于靜息狀態時離子通道關閉，而受刺激后離子通道打開。K+通道是酵母中最主要的離子通道，還存在一些其他的通道。

（4）主動運輸。是營養物質逆濃度梯度通過細胞質膜的一種營養物質運送方式，其過程需要能量，如質子動力勢等。主動運輸是酵母中最主要的物質運送方式，不僅負責大多數營養物質的攝取，還負責很多代謝物的外排。

單純擴散是酵母細胞營養運輸最簡單、最慢的方式，脂溶性溶質通過質膜被動滲透。溶質從細胞外高濃度擴散到細胞內低濃度。被動擴散可能是酵母細胞吸收未解離有機酸、短鏈烷烴和長鏈脂肪酸以及輸出乙醇和氣態化合物的原因。在酵母細胞膜上產生適當電勢差驅動力時，帶電的溶質會積累。

促進擴散比單純擴散快，溶質以酶介導的方式隨跨膜濃度梯度向下轉移。該酶稱為滲透酶或載體或促進劑，它穿過膜并對被運輸的溶質顯示立體特異性。與被動擴散一樣，營養物質的運輸一直持續到細胞內的濃度等于細胞外的濃度為止，對于底物濃度而言，吸收是飽和的。某些糖以此方式運輸到細胞膜內，尤其是釀酒酵母中的葡萄糖。

擴散通道某些離子在酵母細胞中作為電壓依賴的“門”存在，使離子沿濃度梯度移動。這種蛋白通道通常在靜息酵母細胞的膜電位為負時關閉，當膜電位變為正時打開。B.J.Reid等[16]在分子上表征了釀酒酵母中通過膜去極化激活的K+外排通道。質膜K+通道是酵母中的主要離子通道，但線粒體和液泡膜等其他離子通道也存在于酵母細胞。例如，M.C.Gustin等[17]利用膜片鉗技術在酵母細胞膜上發現了一個機械敏感通道。這種通道為了維持細胞內Ca2+平衡，引導陽離子和陰離子參與酵母細胞鹽脅迫反應。質膜的擴散孔在酵母細胞膜上也存在，允許水和糖醇通過。

主動轉運是一種基于化學滲透-能量依賴的運輸模式，負責將大部分營養物質吸收到酵母細胞中。在主動轉運過程中，營養物對抗濃度梯度的主要向內驅動力是質膜H+-ATP酶產生的膜電位和跨膜電化學質子梯度。后者利用ATP 水解的自由能擠壓質子以控制細胞內的pH 值，是酵母營養和生長中至關重要的一種酶。水解每個ATP 的質子凈流出量不是一個固定參數，K.Venema 等[18]討論了釀酒酵母質膜H+-ATP酶轉運偶聯的代謝調控。質子原動力使營養物既可以如同向運動機制中的質子流進來，也可以如反運動機制中的質子外流。對于許多酵母，質子共生發生糖的集中攝取。值得注意的是，代謝物可以通過這種方式從酵母中排出。質子原動力使營養物隨同向運動的質子流進來，也可以隨反向運動的質子流出。對許多酵母來說，高濃度的糖吸收是通過質子共聚發生的。酵母也可以通過主動轉運的方式排出代謝產物。

特定的滲透酶（組成型或誘導型）可促進質子的轉運。術語“轉運蛋白”而不是“滲透酶”，更準確地描述此類載體，在經典酶學上不起作用。它們跨越細胞膜，并利用質子梯度產生的能量催化營養物質的可逆矢性轉運。

3.2 細胞壁的重要性

酵母菌細胞內和外的溶質運動存在幾個障礙：即包膜層、細胞壁、周質、細胞膜和胞內（細胞器）膜。雖然酵母細胞壁不像質膜那樣是一種選擇性滲透屏障，但它也不是自由多孔結構。一般酵母細胞壁被認為是多孔的，可以容納平均分子量在300 u左右的分子，可以截留700 u 左右的分子。但是，一些相對質量高達200 ku或400 ku的大分子通常能自由擴散通過酵母細胞壁。與其他酵母細胞器一樣，細胞壁就其結構而言應視為動態系統。J. G.De Nobel 等[19]揭示了釀酒酵母細胞壁在生長和細胞分裂過程中孔隙率的變化。例如，芽生長期細胞壁孔隙比穩定期細胞大，細胞壁處于可塑、膨脹的狀態。另外，當經受諸如熱沖擊的環境時，酵母細胞壁變弱，質膜拉伸，導致細胞包膜對大分子（包括外源DNA）的通透性增強。

3.3 細胞膜的重要性

酵母細胞膜是將細胞與環境隔離的重要選擇性屏障，它支配著營養物質的進入和代謝產物的排出。酵母細胞膜的轉運機制控制著酵母代謝、生長和分裂的速率，具有重要的生理意義。

值得注意的是，酵母細胞偶爾也會通過內吞作用運輸大分子，這種方式與動物細胞中發現的吞噬并沒有太大的區別。例如，釀酒酵母α因子信息素可能在質膜出芽過程中被內化，形成核內體并進入液泡。酵母內吞突變體的研究為真核細胞的膜轉運提供了新見解。酵母細胞膜吸收營養和代謝產物有四種基本機制：單純擴散、促進擴散、擴散通道（孔）和主動轉運。

3.4 酵母中營養物質的胞內轉運

一旦營養物質從細胞外培養基轉運穿過質膜進入細胞內環境，它們可以被快速代謝（分解代謝或合成代謝）或儲存起來供細胞后續使用。對于無機離子，也可以被胞漿或膜結合室（如液泡）中的細胞內螯合劑隔離。實際上，細胞內螯合和分隔是酵母控制其離子穩態的主要手段。例如，酵母細胞將磷酸鹽運輸到液泡中來控制細胞質中的正磷酸鹽濃度，在液泡中它被線性聚合成不溶性多磷酸鹽。該聚合物的儲存程度取決于生長培養基中磷酸鹽的可用性和細胞的代謝活躍度。在釀酒酵母液泡中磷酸鹽濃縮了是細胞質濃度的100倍。實際上，液泡是酵母細胞內營養物存儲的主要位置。該細胞器會積累二價金屬陽離子（Mg2+、Mn2+、Ca2+和Zn2+）、氨基酸（尤其是精氨酸，還有其他幾種氨基酸）和三羧酸衍生物（檸檬酸鹽、蘋果酸、α-酮戊二酸）。液泡膜吸收的主要機制是質子營養反轉運。

4 酵母對大分子營養的轉運策略

4.1 糖類

酵母細胞轉運糖類的方式多樣，包括自由擴散、促進擴散和主動運輸[3-4]。酵母采用何種方式轉運糖類取決三個因素：酵母菌株本身、環境中存在的糖分子種類以及酵母生長的環境。酵母能利用很多己糖作為碳源，包括葡萄糖、果糖、甘露糖和半乳糖等。通常情況下，酵母優先轉運葡萄糖[20]。釀酒酵母中含有20 余種己糖轉運蛋白，它們的豐度和對己糖的親和力不同。與葡萄糖和單糖相比，工業發酵培養基二糖的含量更高，包括蔗糖、麥芽糖、乳糖和纖維二糖等。釀酒酵母采用主動運輸方式轉運這些二糖。目前對于酵母轉運寡糖和多糖的研究較少，釀酒酵母無法轉運和利用多糖。

4.2 氨基酸和肽類

在酵母發酵工業中，發酵基質中通常含有大量的氨基酸和肽類[21]。氨基酸不僅可以直接參與蛋白質的合成，還可以經分解代謝為酵母細胞提供氮源和碳源。酵母轉運氨基酸的過程包括：（1）結合，特定的受體識別氨基酸；（2）移位，細胞質膜上的通透酶介導氨基酸的轉運；（3）釋放，在細胞質中釋放氨基酸。酵母中含有兩套氨基酸攝取系統，一種是通用型系統，能攝取所有的天然氨基酸；第二種是特異性系統，僅能轉運一種或少數幾種氨基酸。實驗室和工業發酵常用的酵母培養基中含有豐富的蛋白水解物，如蛋白胨等。這些蛋白水解物的成分主要是由二肽、三肽、寡肽和多肽等。釀酒酵母中含有直接轉運二肽和三肽的系統，而寡肽通常需要降解成小肽和氨基酸后才能被轉運。

4.3 醇類

酵母能通過被動擴散的方式轉運小的脂溶性醇類，如甘油和乙醇等[22]。釀酒酵母的細胞質膜在正常生長條件下對于甘油幾乎是不通透的，然而當甘油作為唯一碳源時對甘油的轉運能力大大提高。酵母對甘油轉運的方式包括自由擴散和促進擴散。酵母不僅能通過自由擴散方式從外界攝取乙醇，也能將發酵后的乙醇自由擴散到細胞外。

4.4 脂肪酸

一些產油酵母能在細胞內積累大量的脂肪酸[23]。南極假絲酵母產生的飽和三酰甘油最高可達到細胞干重的40%。目前已從解脂耶氏酵母中鑒定出兩套脂肪酸轉運載體蛋白，一種特異性轉運C12和C14脂肪酸，另一種轉運C16、C18和不飽和脂肪酸。

4.5 嘌呤、嘧啶和維生素

酵母利用主動運輸和促進擴散兩種方式轉運嘌呤和嘧啶，其中腺嘌呤、胞嘧啶和鳥嘌呤的轉運由主動運輸介導，而尿嘧啶的轉運由促進擴散介導。酵母對于維生素的轉運是一種主動運輸過程，需要載體蛋白參與，并且這些蛋白質對維生素的親和力很高。

5 展 望

由于酵母容易培養且對營養物質的需求比較簡單，因此容易忽視營養成分對酵母培養的影響。酵母細胞生長和代謝與營養物質轉運效率密切相關，不同酵母對于營養物質需求和轉運方式不同，因此有必要從多個角度深入研究酵母對營養物質的攝取方式，尤其是對大分子營養物質的轉運。這不僅能指導實驗室和發酵工業更好地培養酵母，還能為富集營養物質的酵母類產品的開發和利用奠定基礎。