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        酵母生產乙醇以防止代謝過載
        
			
        
				2019-01-08 10:22:39
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        為什么有些酵母細胞會產生乙醇?幾十年來，科學家一直在想這種明顯的資源浪費?，F(xiàn)在，格羅寧根大學的科學家認為他們有一個解決方案：酵母細胞產生乙醇作為“安全閥”，以防止當他們的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 ” 雜志上的這一新理論的意義可能是深遠的，因為它也解釋了為什么癌細胞通過產生乳酸而浪費能量，稱為Warburg效應。
        

        酵母生產乙醇以防止代謝過載
        

        細胞利用葡萄糖等營養(yǎng)素制造新細胞。但有時，這些營養(yǎng)素中的一些會被浪費掉。例如，用于生產啤酒的酵母釀酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)將葡萄糖分解成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就會丟失。格羅寧根大學分子系統(tǒng)生物學教授Matthias Heinemann說，這毫無意義。
        

        代謝
        

        進化應該結束這種資源的浪費，因此生物學家試圖找到它存在的理由。海涅曼說，在其他細胞中可以看到類似的浪費。眾所周知的例子是癌細胞。這些快速生長的細胞分泌乳酸，這是一種類似的能量浪費。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的研究領域是新陳代謝，這是一種化學反應網絡，可為新細胞提供構建模塊。他假設細胞能夠運作新陳代謝的速率上限。他的博士生是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)生的所有化學反應釋放的能量。
        

        一些普遍的東西
        

        通過將熱力學加入到具有約1,000個化學反應的模型中并將模型與實驗數(shù)據(jù)相結合，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，吉布斯能量消耗隨著葡萄糖消耗速率的增加而增加，但隨后達到平臺 - 此時乙醇生產開始。“這是細胞從呼吸轉向發(fā)酵的關鍵點，”海涅曼解釋說。
        

        Heinemann和他的團隊獲得了腸道細菌大腸桿菌的類似結果，其平臺處于可比較的吉布斯能量耗散水平。Heinemann：'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。這表明這種限制具有普遍性。這種限制的確切原因尚不清楚，但科學家們提出了一個有效的假設。“細胞新陳代謝的最大速率仍然可以運作。” 當達到此目的時，細胞打開“安全閥”，葡萄糖被分解為乙醇，乙酸鹽或乳酸鹽，留下部分能量未使用。
        

        損傷
        

        那么是什么造成了這個限制?'部分能量以熱量的形式消散，但這太少而不能打擾細胞。我們的想法是，當酶催化化學反應時，它們在反應過程中受到微小的推動，這使它們移動。如果它們工作得非?？?，這可能意味著細胞內部運動過多，這可能會破壞某些細胞結構。研究不同代謝率下細胞內酶的運動可以證實這一點。
        

        與此同時，海涅曼認為，他現(xiàn)在已經解決了不僅酵母中乙醇生產的神秘面紗，還解決了癌細胞中華寶效應的神秘面紗。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的糖酵解速率和乳酸排泄。Heinemann認為，這種能量和物質的浪費是“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閉細胞的安全閥。
        

        熵
        

        但是，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，這些酵母物種不會產生乙醇，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”：“新陳代謝的關鍵在于有機體成功地將自己從活著時無法幫助的所有熵中解放出來。” Heinemann說，這個陳述應該擴展如下：'但是，有一個上限速率，細胞可以從這個熵中解脫出來，這個限制決定了細胞如何運作它們的新陳代謝。
        
			

			
          
        
			
        
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