酵母的大分子营养需求与转运策略（Ⅱ）

俞丽燕，章亭洲

（浙江科峰生物技术有限公司固态发酵与生物饲料研究院，浙江 海宁 314423）

3 酵母营养物质的转运机制

营养物质转运进入酵母细胞需要依次穿过细胞壁和细胞质膜。酵母细胞壁并非营养物质自由出入的结构，通常分子量大于700 u的分子难以穿过细胞壁。酵母细胞质膜作为营养物质进出的选择性屏障，决定哪些营养物质进入细胞以及哪些代谢物排出细胞。

3.1 营养物质摄取的机制

（1）自由扩散。是脂溶性溶质被动通过细胞质膜的一种营养物质运送方式，溶质从浓度高的一侧转运至浓度低的一侧，例如酵母对短链烷烃和长链脂肪酸的吸收，以及乙醇和气体物质的外排等。这种方式是酵母中最简单且效率最低的物质运送方式。

（2）促进扩散。是溶质在转运蛋白协助下进行被动扩散的营养物质运送方式，如酿酒酵母对葡萄糖的吸收。由于转运蛋白的参与，该方式比简单扩散转运速度快，常见的转运蛋白包括通透酶（permease）、载体蛋白（carrier）和促进蛋白（facilitator），它们对转运的溶质表现出立体特异性。

（3）扩散通道。是某些离子通过电压依赖性离子通道顺浓度梯度转运营养物质的运送方式，如酿酒酵母对于K+的运送[15]。离子通道由蛋白质组成，酵母细胞处于静息状态时离子通道关闭，而受刺激后离子通道打开。K+通道是酵母中最主要的离子通道，还存在一些其他的通道。

（4）主动运输。是营养物质逆浓度梯度通过细胞质膜的一种营养物质运送方式，其过程需要能量，如质子动力势等。主动运输是酵母中最主要的物质运送方式，不仅负责大多数营养物质的摄取，还负责很多代谢物的外排。

单纯扩散是酵母细胞营养运输最简单、最慢的方式，脂溶性溶质通过质膜被动渗透。溶质从细胞外高浓度扩散到细胞内低浓度。被动扩散可能是酵母细胞吸收未解离有机酸、短链烷烃和长链脂肪酸以及输出乙醇和气态化合物的原因。在酵母细胞膜上产生适当电势差驱动力时，带电的溶质会积累。

促进扩散比单纯扩散快，溶质以酶介导的方式随跨膜浓度梯度向下转移。该酶称为渗透酶或载体或促进剂，它穿过膜并对被运输的溶质显示立体特异性。与被动扩散一样，营养物质的运输一直持续到细胞内的浓度等于细胞外的浓度为止，对于底物浓度而言，吸收是饱和的。某些糖以此方式运输到细胞膜内，尤其是酿酒酵母中的葡萄糖。

扩散通道某些离子在酵母细胞中作为电压依赖的“门”存在，使离子沿浓度梯度移动。这种蛋白通道通常在静息酵母细胞的膜电位为负时关闭，当膜电位变为正时打开。B.J.Reid等[16]在分子上表征了酿酒酵母中通过膜去极化激活的K+外排通道。质膜K+通道是酵母中的主要离子通道，但线粒体和液泡膜等其他离子通道也存在于酵母细胞。例如，M.C.Gustin等[17]利用膜片钳技术在酵母细胞膜上发现了一个机械敏感通道。这种通道为了维持细胞内Ca2+平衡，引导阳离子和阴离子参与酵母细胞盐胁迫反应。质膜的扩散孔在酵母细胞膜上也存在，允许水和糖醇通过。

主动转运是一种基于化学渗透-能量依赖的运输模式，负责将大部分营养物质吸收到酵母细胞中。在主动转运过程中，营养物对抗浓度梯度的主要向内驱动力是质膜H+-ATP酶产生的膜电位和跨膜电化学质子梯度。后者利用ATP 水解的自由能挤压质子以控制细胞内的pH 值，是酵母营养和生长中至关重要的一种酶。水解每个ATP 的质子净流出量不是一个固定参数，K.Venema 等[18]讨论了酿酒酵母质膜H+-ATP酶转运偶联的代谢调控。质子原动力使营养物既可以如同向运动机制中的质子流进来，也可以如反运动机制中的质子外流。对于许多酵母，质子共生发生糖的集中摄取。值得注意的是，代谢物可以通过这种方式从酵母中排出。质子原动力使营养物随同向运动的质子流进来，也可以随反向运动的质子流出。对许多酵母来说，高浓度的糖吸收是通过质子共聚发生的。酵母也可以通过主动转运的方式排出代谢产物。

特定的渗透酶（组成型或诱导型）可促进质子的转运。术语“转运蛋白”而不是“渗透酶”，更准确地描述此类载体，在经典酶学上不起作用。它们跨越细胞膜，并利用质子梯度产生的能量催化营养物质的可逆矢性转运。

3.2 细胞壁的重要性

酵母菌细胞内和外的溶质运动存在几个障碍：即包膜层、细胞壁、周质、细胞膜和胞内（细胞器）膜。虽然酵母细胞壁不像质膜那样是一种选择性渗透屏障，但它也不是自由多孔结构。一般酵母细胞壁被认为是多孔的，可以容纳平均分子量在300 u左右的分子，可以截留700 u 左右的分子。但是，一些相对质量高达200 ku或400 ku的大分子通常能自由扩散通过酵母细胞壁。与其他酵母细胞器一样，细胞壁就其结构而言应视为动态系统。J. G.De Nobel 等[19]揭示了酿酒酵母细胞壁在生长和细胞分裂过程中孔隙率的变化。例如，芽生长期细胞壁孔隙比稳定期细胞大，细胞壁处于可塑、膨胀的状态。另外，当经受诸如热冲击的环境时，酵母细胞壁变弱，质膜拉伸，导致细胞包膜对大分子（包括外源DNA）的通透性增强。

3.3 细胞膜的重要性

酵母细胞膜是将细胞与环境隔离的重要选择性屏障，它支配着营养物质的进入和代谢产物的排出。酵母细胞膜的转运机制控制着酵母代谢、生长和分裂的速率，具有重要的生理意义。

值得注意的是，酵母细胞偶尔也会通过内吞作用运输大分子，这种方式与动物细胞中发现的吞噬并没有太大的区别。例如，酿酒酵母α因子信息素可能在质膜出芽过程中被内化，形成核内体并进入液泡。酵母内吞突变体的研究为真核细胞的膜转运提供了新见解。酵母细胞膜吸收营养和代谢产物有四种基本机制：单纯扩散、促进扩散、扩散通道（孔）和主动转运。

3.4 酵母中营养物质的胞内转运

一旦营养物质从细胞外培养基转运穿过质膜进入细胞内环境，它们可以被快速代谢（分解代谢或合成代谢）或储存起来供细胞后续使用。对于无机离子，也可以被胞浆或膜结合室（如液泡）中的细胞内螯合剂隔离。实际上，细胞内螯合和分隔是酵母控制其离子稳态的主要手段。例如，酵母细胞将磷酸盐运输到液泡中来控制细胞质中的正磷酸盐浓度，在液泡中它被线性聚合成不溶性多磷酸盐。该聚合物的储存程度取决于生长培养基中磷酸盐的可用性和细胞的代谢活跃度。在酿酒酵母液泡中磷酸盐浓缩了是细胞质浓度的100倍。实际上，液泡是酵母细胞内营养物存储的主要位置。该细胞器会积累二价金属阳离子（Mg2+、Mn2+、Ca2+和Zn2+）、氨基酸（尤其是精氨酸，还有其他几种氨基酸）和三羧酸衍生物（柠檬酸盐、苹果酸、α-酮戊二酸）。液泡膜吸收的主要机制是质子营养反转运。

4 酵母对大分子营养的转运策略

4.1 糖类

酵母细胞转运糖类的方式多样，包括自由扩散、促进扩散和主动运输[3-4]。酵母采用何种方式转运糖类取决三个因素：酵母菌株本身、环境中存在的糖分子种类以及酵母生长的环境。酵母能利用很多己糖作为碳源，包括葡萄糖、果糖、甘露糖和半乳糖等。通常情况下，酵母优先转运葡萄糖[20]。酿酒酵母中含有20 余种己糖转运蛋白，它们的丰度和对己糖的亲和力不同。与葡萄糖和单糖相比，工业发酵培养基二糖的含量更高，包括蔗糖、麦芽糖、乳糖和纤维二糖等。酿酒酵母采用主动运输方式转运这些二糖。目前对于酵母转运寡糖和多糖的研究较少，酿酒酵母无法转运和利用多糖。

4.2 氨基酸和肽类

在酵母发酵工业中，发酵基质中通常含有大量的氨基酸和肽类[21]。氨基酸不仅可以直接参与蛋白质的合成，还可以经分解代谢为酵母细胞提供氮源和碳源。酵母转运氨基酸的过程包括：（1）结合，特定的受体识别氨基酸；（2）移位，细胞质膜上的通透酶介导氨基酸的转运；（3）释放，在细胞质中释放氨基酸。酵母中含有两套氨基酸摄取系统，一种是通用型系统，能摄取所有的天然氨基酸；第二种是特异性系统，仅能转运一种或少数几种氨基酸。实验室和工业发酵常用的酵母培养基中含有丰富的蛋白水解物，如蛋白胨等。这些蛋白水解物的成分主要是由二肽、三肽、寡肽和多肽等。酿酒酵母中含有直接转运二肽和三肽的系统，而寡肽通常需要降解成小肽和氨基酸后才能被转运。

4.3 醇类

酵母能通过被动扩散的方式转运小的脂溶性醇类，如甘油和乙醇等[22]。酿酒酵母的细胞质膜在正常生长条件下对于甘油几乎是不通透的，然而当甘油作为唯一碳源时对甘油的转运能力大大提高。酵母对甘油转运的方式包括自由扩散和促进扩散。酵母不仅能通过自由扩散方式从外界摄取乙醇，也能将发酵后的乙醇自由扩散到细胞外。

4.4 脂肪酸

一些产油酵母能在细胞内积累大量的脂肪酸[23]。南极假丝酵母产生的饱和三酰甘油最高可达到细胞干重的40%。目前已从解脂耶氏酵母中鉴定出两套脂肪酸转运载体蛋白，一种特异性转运C12和C14脂肪酸，另一种转运C16、C18和不饱和脂肪酸。

4.5 嘌呤、嘧啶和维生素

酵母利用主动运输和促进扩散两种方式转运嘌呤和嘧啶，其中腺嘌呤、胞嘧啶和鸟嘌呤的转运由主动运输介导，而尿嘧啶的转运由促进扩散介导。酵母对于维生素的转运是一种主动运输过程，需要载体蛋白参与，并且这些蛋白质对维生素的亲和力很高。

5 展 望

由于酵母容易培养且对营养物质的需求比较简单，因此容易忽视营养成分对酵母培养的影响。酵母细胞生长和代谢与营养物质转运效率密切相关，不同酵母对于营养物质需求和转运方式不同，因此有必要从多个角度深入研究酵母对营养物质的摄取方式，尤其是对大分子营养物质的转运。这不仅能指导实验室和发酵工业更好地培养酵母，还能为富集营养物质的酵母类产品的开发和利用奠定基础。