俞麗燕，章亭洲

（浙江科峰生物技術(shù)有限公司固態(tài)發(fā)酵與生物飼料研究院，浙江 海寧 314423）

3 酵母營養(yǎng)物質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制

營養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)進(jìn)入酵母細(xì)胞需要依次穿過細(xì)胞壁和細(xì)胞質(zhì)膜。酵母細(xì)胞壁并非營養(yǎng)物質(zhì)自由出入的結(jié)構(gòu)，通常分子量大于700 u的分子難以穿過細(xì)胞壁。酵母細(xì)胞質(zhì)膜作為營養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)出的選擇性屏障，決定哪些營養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞以及哪些代謝物排出細(xì)胞。

3.1 營養(yǎng)物質(zhì)攝取的機(jī)制

（1）自由擴(kuò)散。是脂溶性溶質(zhì)被動(dòng)通過細(xì)胞質(zhì)膜的一種營養(yǎng)物質(zhì)運(yùn)送方式，溶質(zhì)從濃度高的一側(cè)轉(zhuǎn)運(yùn)至濃度低的一側(cè)，例如酵母對(duì)短鏈烷烴和長鏈脂肪酸的吸收，以及乙醇和氣體物質(zhì)的外排等。這種方式是酵母中最簡單且效率最低的物質(zhì)運(yùn)送方式。

（2）促進(jìn)擴(kuò)散。是溶質(zhì)在轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白協(xié)助下進(jìn)行被動(dòng)擴(kuò)散的營養(yǎng)物質(zhì)運(yùn)送方式，如釀酒酵母對(duì)葡萄糖的吸收。由于轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的參與，該方式比簡單擴(kuò)散轉(zhuǎn)運(yùn)速度快，常見的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白包括通透酶（permease）、載體蛋白（carrier）和促進(jìn)蛋白（facilitator），它們對(duì)轉(zhuǎn)運(yùn)的溶質(zhì)表現(xiàn)出立體特異性。

（3）擴(kuò)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(zhuǎn)運(yùn)營養(yǎng)物質(zhì)的運(yùn)送方式，如釀酒酵母對(duì)于K+的運(yùn)送[15]。離子通道由蛋白質(zhì)組成，酵母細(xì)胞處于靜息狀態(tài)時(shí)離子通道關(guān)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(dòng)運(yùn)輸。是營養(yǎng)物質(zhì)逆濃度梯度通過細(xì)胞質(zhì)膜的一種營養(yǎng)物質(zhì)運(yùn)送方式，其過程需要能量，如質(zhì)子動(dòng)力勢(shì)等。主動(dòng)運(yùn)輸是酵母中最主要的物質(zhì)運(yùn)送方式，不僅負(fù)責(zé)大多數(shù)營養(yǎng)物質(zhì)的攝取，還負(fù)責(zé)很多代謝物的外排。

單純擴(kuò)散是酵母細(xì)胞營養(yǎng)運(yùn)輸最簡單、最慢的方式，脂溶性溶質(zhì)通過質(zhì)膜被動(dòng)滲透。溶質(zhì)從細(xì)胞外高濃度擴(kuò)散到細(xì)胞內(nèi)低濃度。被動(dòng)擴(kuò)散可能是酵母細(xì)胞吸收未解離有機(jī)酸、短鏈烷烴和長鏈脂肪酸以及輸出乙醇和氣態(tài)化合物的原因。在酵母細(xì)胞膜上產(chǎn)生適當(dāng)電勢(shì)差驅(qū)動(dòng)力時(shí)，帶電的溶質(zhì)會(huì)積累。

促進(jìn)擴(kuò)散比單純擴(kuò)散快，溶質(zhì)以酶介導(dǎo)的方式隨跨膜濃度梯度向下轉(zhuǎn)移。該酶稱為滲透酶或載體或促進(jìn)劑，它穿過膜并對(duì)被運(yùn)輸?shù)娜苜|(zhì)顯示立體特異性。與被動(dòng)擴(kuò)散一樣，營養(yǎng)物質(zhì)的運(yùn)輸一直持續(xù)到細(xì)胞內(nèi)的濃度等于細(xì)胞外的濃度為止，對(duì)于底物濃度而言，吸收是飽和的。某些糖以此方式運(yùn)輸?shù)郊?xì)胞膜內(nèi)，尤其是釀酒酵母中的葡萄糖。

擴(kuò)散通道某些離子在酵母細(xì)胞中作為電壓依賴的“門”存在，使離子沿濃度梯度移動(dòng)。這種蛋白通道通常在靜息酵母細(xì)胞的膜電位為負(fù)時(shí)關(guān)閉，當(dāng)膜電位變?yōu)檎龝r(shí)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(zhì)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(xì)胞。例如，M.C.Gustin等[17]利用膜片鉗技術(shù)在酵母細(xì)胞膜上發(fā)現(xiàn)了一個(gè)機(jī)械敏感通道。這種通道為了維持細(xì)胞內(nèi)Ca2+平衡，引導(dǎo)陽離子和陰離子參與酵母細(xì)胞鹽脅迫反應(yīng)。質(zhì)膜的擴(kuò)散孔在酵母細(xì)胞膜上也存在，允許水和糖醇通過。

主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)是一種基于化學(xué)滲透-能量依賴的運(yùn)輸模式，負(fù)責(zé)將大部分營養(yǎng)物質(zhì)吸收到酵母細(xì)胞中。在主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)過程中，營養(yǎng)物對(duì)抗?jié)舛忍荻鹊闹饕騼?nèi)驅(qū)動(dòng)力是質(zhì)膜H+-ATP酶產(chǎn)生的膜電位和跨膜電化學(xué)質(zhì)子梯度。后者利用ATP 水解的自由能擠壓質(zhì)子以控制細(xì)胞內(nèi)的pH 值，是酵母營養(yǎng)和生長中至關(guān)重要的一種酶。水解每個(gè)ATP 的質(zhì)子凈流出量不是一個(gè)固定參數(shù)，K.Venema 等[18]討論了釀酒酵母質(zhì)膜H+-ATP酶轉(zhuǎn)運(yùn)偶聯(lián)的代謝調(diào)控。質(zhì)子原動(dòng)力使?fàn)I養(yǎng)物既可以如同向運(yùn)動(dòng)機(jī)制中的質(zhì)子流進(jìn)來，也可以如反運(yùn)動(dòng)機(jī)制中的質(zhì)子外流。對(duì)于許多酵母，質(zhì)子共生發(fā)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(zhì)子原動(dòng)力使?fàn)I養(yǎng)物隨同向運(yùn)動(dòng)的質(zhì)子流進(jìn)來，也可以隨反向運(yùn)動(dòng)的質(zhì)子流出。對(duì)許多酵母來說，高濃度的糖吸收是通過質(zhì)子共聚發(fā)生的。酵母也可以通過主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)的方式排出代謝產(chǎn)物。

特定的滲透酶（組成型或誘導(dǎo)型）可促進(jìn)質(zhì)子的轉(zhuǎn)運(yùn)。術(shù)語“轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白”而不是“滲透酶”，更準(zhǔn)確地描述此類載體，在經(jīng)典酶學(xué)上不起作用。它們跨越細(xì)胞膜，并利用質(zhì)子梯度產(chǎn)生的能量催化營養(yǎng)物質(zhì)的可逆矢性轉(zhuǎn)運(yùn)。

3.2 細(xì)胞壁的重要性

酵母菌細(xì)胞內(nèi)和外的溶質(zhì)運(yùn)動(dòng)存在幾個(gè)障礙：即包膜層、細(xì)胞壁、周質(zhì)、細(xì)胞膜和胞內(nèi)（細(xì)胞器）膜。雖然酵母細(xì)胞壁不像質(zhì)膜那樣是一種選擇性滲透屏障，但它也不是自由多孔結(jié)構(gòu)。一般酵母細(xì)胞壁被認(rèn)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(duì)質(zhì)量高達(dá)200 ku或400 ku的大分子通常能自由擴(kuò)散通過酵母細(xì)胞壁。與其他酵母細(xì)胞器一樣，細(xì)胞壁就其結(jié)構(gòu)而言應(yīng)視為動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。J. G.De Nobel 等[19]揭示了釀酒酵母細(xì)胞壁在生長和細(xì)胞分裂過程中孔隙率的變化。例如，芽生長期細(xì)胞壁孔隙比穩(wěn)定期細(xì)胞大，細(xì)胞壁處于可塑、膨脹的狀態(tài)。另外，當(dāng)經(jīng)受諸如熱沖擊的環(huán)境時(shí)，酵母細(xì)胞壁變?nèi)?，質(zhì)膜拉伸，導(dǎo)致細(xì)胞包膜對(duì)大分子（包括外源DNA）的通透性增強(qiáng)。

3.3 細(xì)胞膜的重要性

酵母細(xì)胞膜是將細(xì)胞與環(huán)境隔離的重要選擇性屏障，它支配著營養(yǎng)物質(zhì)的進(jìn)入和代謝產(chǎn)物的排出。酵母細(xì)胞膜的轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)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(xì)胞偶爾也會(huì)通過內(nèi)吞作用運(yùn)輸大分子，這種方式與動(dòng)物細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)的吞噬并沒有太大的區(qū)別。例如，釀酒酵母α因子信息素可能在質(zhì)膜出芽過程中被內(nèi)化，形成核內(nèi)體并進(jìn)入液泡。酵母內(nèi)吞突變體的研究為真核細(xì)胞的膜轉(zhuǎn)運(yùn)提供了新見解。酵母細(xì)胞膜吸收營養(yǎng)和代謝產(chǎn)物有四種基本機(jī)制：單純擴(kuò)散、促進(jìn)擴(kuò)散、擴(kuò)散通道（孔）和主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)。

3.4 酵母中營養(yǎng)物質(zhì)的胞內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)

一旦營養(yǎng)物質(zhì)從細(xì)胞外培養(yǎng)基轉(zhuǎn)運(yùn)穿過質(zhì)膜進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)環(huán)境，它們可以被快速代謝（分解代謝或合成代謝）或儲(chǔ)存起來供細(xì)胞后續(xù)使用。對(duì)于無機(jī)離子，也可以被胞漿或膜結(jié)合室（如液泡）中的細(xì)胞內(nèi)螯合劑隔離。實(shí)際上，細(xì)胞內(nèi)螯合和分隔是酵母控制其離子穩(wěn)態(tài)的主要手段。例如，酵母細(xì)胞將磷酸鹽運(yùn)輸?shù)揭号葜衼砜刂萍?xì)胞質(zhì)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(chǔ)存程度取決于生長培養(yǎng)基中磷酸鹽的可用性和細(xì)胞的代謝活躍度。在釀酒酵母液泡中磷酸鹽濃縮了是細(xì)胞質(zhì)濃度的100倍。實(shí)際上，液泡是酵母細(xì)胞內(nèi)營養(yǎng)物存儲(chǔ)的主要位置。該細(xì)胞器會(huì)積累二價(jià)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(jī)制是質(zhì)子營養(yǎng)反轉(zhuǎn)運(yùn)。

4 酵母對(duì)大分子營養(yǎng)的轉(zhuǎn)運(yùn)策略

4.1 糖類

酵母細(xì)胞轉(zhuǎn)運(yùn)糖類的方式多樣，包括自由擴(kuò)散、促進(jìn)擴(kuò)散和主動(dòng)運(yùn)輸[3-4]。酵母采用何種方式轉(zhuǎn)運(yùn)糖類取決三個(gè)因素：酵母菌株本身、環(huán)境中存在的糖分子種類以及酵母生長的環(huán)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(yōu)先轉(zhuǎn)運(yùn)葡萄糖[20]。釀酒酵母中含有20 余種己糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，它們的豐度和對(duì)己糖的親和力不同。與葡萄糖和單糖相比，工業(yè)發(fā)酵培養(yǎng)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(dòng)運(yùn)輸方式轉(zhuǎn)運(yùn)這些二糖。目前對(duì)于酵母轉(zhuǎn)運(yùn)寡糖和多糖的研究較少，釀酒酵母無法轉(zhuǎn)運(yùn)和利用多糖。

4.2 氨基酸和肽類

在酵母發(fā)酵工業(yè)中，發(fā)酵基質(zhì)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(zhì)的合成，還可以經(jīng)分解代謝為酵母細(xì)胞提供氮源和碳源。酵母轉(zhuǎn)運(yùn)氨基酸的過程包括：（1）結(jié)合，特定的受體識(shí)別氨基酸；（2）移位，細(xì)胞質(zhì)膜上的通透酶介導(dǎo)氨基酸的轉(zhuǎn)運(yùn)；（3）釋放，在細(xì)胞質(zhì)中釋放氨基酸。酵母中含有兩套氨基酸攝取系統(tǒng)，一種是通用型系統(tǒng)，能攝取所有的天然氨基酸；第二種是特異性系統(tǒng)，僅能轉(zhuǎn)運(yùn)一種或少數(shù)幾種氨基酸。實(shí)驗(yàn)室和工業(yè)發(fā)酵常用的酵母培養(yǎng)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(zhuǎn)運(yùn)二肽和三肽的系統(tǒng)，而寡肽通常需要降解成小肽和氨基酸后才能被轉(zhuǎn)運(yùn)。

4.3 醇類

酵母能通過被動(dòng)擴(kuò)散的方式轉(zhuǎn)運(yùn)小的脂溶性醇類，如甘油和乙醇等[22]。釀酒酵母的細(xì)胞質(zhì)膜在正常生長條件下對(duì)于甘油幾乎是不通透的，然而當(dāng)甘油作為唯一碳源時(shí)對(duì)甘油的轉(zhuǎn)運(yùn)能力大大提高。酵母對(duì)甘油轉(zhuǎn)運(yùn)的方式包括自由擴(kuò)散和促進(jìn)擴(kuò)散。酵母不僅能通過自由擴(kuò)散方式從外界攝取乙醇，也能將發(fā)酵后的乙醇自由擴(kuò)散到細(xì)胞外。

4.4 脂肪酸

一些產(chǎn)油酵母能在細(xì)胞內(nèi)積累大量的脂肪酸[23]。南極假絲酵母產(chǎn)生的飽和三酰甘油最高可達(dá)到細(xì)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(zhuǎn)運(yùn)載體蛋白，一種特異性轉(zhuǎn)運(yùn)C12和C14脂肪酸，另一種轉(zhuǎn)運(yùn)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(dòng)運(yùn)輸和促進(jìn)擴(kuò)散兩種方式轉(zhuǎn)運(yùn)嘌呤和嘧啶，其中腺嘌呤、胞嘧啶和鳥嘌呤的轉(zhuǎn)運(yùn)由主動(dòng)運(yùn)輸介導(dǎo)，而尿嘧啶的轉(zhuǎn)運(yùn)由促進(jìn)擴(kuò)散介導(dǎo)。酵母對(duì)于維生素的轉(zhuǎn)運(yùn)是一種主動(dòng)運(yùn)輸過程，需要載體蛋白參與，并且這些蛋白質(zhì)對(duì)維生素的親和力很高。

5 展 望

由于酵母容易培養(yǎng)且對(duì)營養(yǎng)物質(zhì)的需求比較簡單，因此容易忽視營養(yǎng)成分對(duì)酵母培養(yǎng)的影響。酵母細(xì)胞生長和代謝與營養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)效率密切相關(guān)，不同酵母對(duì)于營養(yǎng)物質(zhì)需求和轉(zhuǎn)運(yùn)方式不同，因此有必要從多個(gè)角度深入研究酵母對(duì)營養(yǎng)物質(zhì)的攝取方式，尤其是對(duì)大分子營養(yǎng)物質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)。這不僅能指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室和發(fā)酵工業(yè)更好地培養(yǎng)酵母，還能為富集營養(yǎng)物質(zhì)的酵母類產(chǎn)品的開發(fā)和利用奠定基礎(chǔ)。