Углеводный обмен
Важнейшая, быстрее всего усвояемая пища грибов состоит из моносахаридов и других низкомолекулярных водорастворимых соединений углерода, которые могут непосредственно поглощаться протопластом. Почти все организмы ассимилируют простые сахара и аналогичные им молекулы одинаково (рис. 54), однако грибы, конкурируя за эти питательные вещества, обладают некоторыми существенными преимуществами. Зачатки "сахарных грибов" присутствуют практически повсюду. Как только какой-либо живой или мертвый органический субстрат основательно увлажняется, возникает водный раствор, содержащий по крайней
мере следы питательных веществ. Тотчас же там развиваются талломы "подходящих" грибов, быстро образуются их новые вегетативные единицы, и стремительно размножающаяся популяция полностью берет на себя использование данного источника пищи. За подобные субстраты с грибами конкурируют бактерии; получит ли преимущество кто-то из них или они будут сосуществовать относительно "равноправно", зависит от обстоятельств, и общего правила вывести здесь невозможно.
В отсутствие источников азота некоторые грибы окисляют глюкозу до глюко-новой кислоты. При этом рН падает ниже 2,0, и обычные бактерии уже не мбгут размножаться, однако сами грибы при последующем поступлении азота способны утилизовать глюконовую кислоту. И все же примеров, объясняющих превосходство грибов над бактериями особенностями первичного обмена веществ, немного. Что касается превращений низкомолекулярных органических соединений, для грибов специфичны определенные пути разложения Сахаров, работа некоторых цитох-ромов и синтез полиолов (ср. табл. 9, с. 78 и табл. 13, с. 94).
Разложение Сахаров. В клетку часто проникают моносахариды — продукты внеклеточного разложения полисахаридов (рис. 54, 7 или 4); ди- и олигосахариды также поглощаются из окружающей среды и включаются в метаболизм. Необходимые для этого ферменты либо широко распространены (мальтаза, сахараза и т.д.), либо обнаружены у более или менее многих представителей грибов (например, рафиноза утилизируется некоторыми дрожжами — см. Lodder, 1970; Barnett et al., 1979).
Наиболее обычный источник углерода — глюкоза. Полное разложение одного ее моля дает 675 ккал энергии. Другие гексозы (глюкоза — не обязательно) включаются в универсальный процесс разложения только после фосфорилирования (рис. 54); этим же путем идут продукты расщепления внеклеточных полисахаридов, запасных и входящих в состав клеточной стенки макромолекул (ср. рис. 53, рис. 54, 1, 4, 5).
Первая реакция разложения гексоз протекает с использованием энергии по общей формуле:
Mg2 + Гексоза + АТФ -* Гексозофосфат + АДФ.
При этом с участием фермента гексокиназы из глюкозы, фруктозы и ман-нита возникают соответствующие гексозо-6-фосфаты (рис. 54, 7), а из галактозы под действием галактокиназы — галактозо-1-фосфат, который затем изомеризуется. Разложение Сахаров протекает в грибной клетке следующими основными путями (ср. табл. 13, с. 94).
Фруктозодифосфатный путь (ФДФ, гликолиз, путь Эмбдена — Мейергофа — Парнаса; рис. 54, 2, 3, 10 — 12) может вести к полному окислению (рис. 54,13), неполностью окисленным конечным продуктам (например, рис. 54, 19, 20) или ответвляться в сторону образования сырья для биосинтеза (например, рис. 54, 16 — 18, 26 — 30).
Пентозофосфатный путь (ПФ, рис. 54,8) либо поставляет промежуточные продукты для последующего биосинтеза (рис. 54,14), в том числе нуклеотидов, либо продолжается по типу ФДФ (рис. 54, 9 — 10 и т. д.).
При разложении через 2-кето-3-дезокси-6-фосфоглюконовую кислоту1 (КДФГ, путь Энтнера — Дудорова = ЭД) продукты расщепления КДФГ, образующейся путем дегидратации 6-фосфоглюконовой кислоты (глицеральдегидфосфат, пировиноградная кислота; рис. 54, 9 — 10), быстро и непосредственно попадают в систему гликолиза (рис. 54, /7).
С помощью глюкооксидазы (ГО) некоторые виды Aspergillus и Penicillium окисляют непосредственно глюкозу до глюконовой кислоты (рис. 54, б), которая выделяется в среду или включается в ПФ (рис. 54, 7); возникающая при этом ядовитая для всех организмов перекись водорода фермен-тативно разрушается.
В глиоксилатном цикле (ГЦ) — побочном пути цикла лимонной кислоты (ЦЛК)1 (рис. 54, 12,13, 25, 26) — изолимонная кислота, возникающая из ацетил-кофермента А и щавелевоуксусной кислоты, превращается в янтарную и глиоксиловую кислоты; последняя, реагируя с ацетил-коферментом А, дает яблочную кислоту, позволяющую продолжаться ЦЛК. Недостаток субстрата для ЦЛК может возникать, например, из-за расходования а-кетоглутаровой кислоты для синтеза аминокислот (рис. 54, 26); тогда глиоксилатный путь заменяет отсутствующие промежуточные звенья (реакции пополнения, анаплеротические последовательности). Глюкоза и продукты ее разложения (рис. 54, 10 — 12) стимулируют нормальное протекание ЦЛК и подавляют ГЦ, который может активироваться присутствием в среде ацетата или глицина.
Фиксация двуокиси углерода. Включение атома углерода в промежуточное соединение углеводного обмена может происходить в разных его точках. Для грибов, по-видимому, важны следующие реакции:
Фосфоенолпировиноградная кислота + С02 -
Фосфат + Щавелевоуксусная кислота (ЩУК)
Пировиноградная кислота + НАД(Ф) Н2 + С02 -
НАД(Ф) + Яблочная кислота (*±ЩУК)
а-Кетоглутаровая кислота + НАДФН2 + С02 -
НАДФ + Изолимонная кислота
Эти реакции обращают вспять в норме разлагающий и окисляющий молекулы ЦЛК, давая преимущество биосинтетическим путям обмена веществ. В качестве пускового механизма, кроме С02, могут выступать различные органические кислоты.
Спиртовое брожение. Разложение Сахаров до этилового спирта (рис. 54, 19, 20), важнейший в хозяйственном плане из известных процессов
брожения (приготовление пива, вина и т.д.; см. с. 133), осуществляется не только дрожжами, но и многими другими организмами. Кроме того, даже такой типичный представитель дрожжей, как Saccharomyces cerevi-siae, при высоком парциальном давлении 02 (аэрации) в ходе дыхания окисляет субстрат до С02 (рис. 54, 77 — 75); выход энергии при этом соответствует 38 высокоэнергетическим фосфатным связям (образованию АТФ из АДФ) на молекулу глюкозы и ведет при достаточном обеспечении другими питательными веществами (например, NH+4) к биосинтезу (росту, размножению клеток). В анаэробных же условиях популяция дрожжей практически не размножается, поскольку на молекулу моносахарида образуются только две высокоэнергетические связи. Так как субстрат в аэробных условиях используется почти в двадцать раз эффективнее, аэрация осуществляющей брожение культуры относительно снижает утилизацию ей глюкозы (эффект Пастера). Это объясняют двумя действующими в одном направлении механизмами регуляции. АТФ, поставляемый дыхательной цепью, ингибирует фосфофруктокиназу (рис. 54, 2), пируваткиназу и цитратсинтетазу, подавляя в результате реакции 77, 72 (рис. 54) и активируя окислительное фосфорилирование (рис. 54,6, 7). Недостаток относительно бедных энергией фосфатов (АДФ, АМФ, неорганического фосфата = Pi) в условиях конкуренции между ферментами обеспечивает приоритет перед субстратным фосфорилированием (брожением с более интенсивным потреблением глюкозы) фосфорилирования в дыхательной цепи (более эффективного использования субстрата). Это означает при высоком содержании АТФ избыток энергии в клетке, подавление фосфофруктокиназы и активацию ПФ-пути, и напротив, при обилии Pi9 АМФ и АДФ — недостаток энергии, активацию гексокиназы, фосфофруктокиназы, триозофосфатдегидрогеназы и блокаду окислительного фосфорилирования (ПФ-пути).
Полное окисление. С помощью дыхательных ферментов процесс соединения водорода с кислородом, дающий энергию почти всем организмам, подразделяется на мелкие этапы с незначительными различиями в энергосодержании исходных веществ и продуктов ("биологический взрыв гремучего газа"). В ходе этих отдельных реакций, в частности, регенерируется АТФ. Ферментные системы различных организмов, несмотря на существенные общие черты, неодинаковы. Так, у оомицетов отсутствует цитохром С„ свойственный грибам и растениям, а у одного из представителей рода Aspergillus отмечен цитохром, не отравляемый цианидом (аналогичный В-цитохрому растений).
Доступность и использование различных путей разложения углеводов. То, какой путь задействован, зависит от организма, среды и состояния клетки, например от активности ее ферментов (табл. 13). Для определения этого количественно оценивают превращения субстрата соответствующими ключевыми ферментами.
Полиолы. Многоатомные спирты (полиолы), например маннит, ри-бит, глицерин, — результат окисления глюкозо-6-фосфата или соответ-
ствующих предшественников, конкурентного глюконеогенезу, спиртовому брожению или полному окислению в ЦЛК (как альтернативам комплексам реакций 8, 9 и 14 на рис. 54), а также синтезу макромолекул или другим реакциям с использованием АТФ и восстановлением НАДФ. Возможно, полиолы вместе с трегалозой служат у грибов формой транспорта углерода в гифах; они способны регулировать восстановительную силу, энергоснабжение, осмотические условия, содержание запасных веществ и рост (Pfyffer G. Е., Rast D. М: Experim. Mycol. 4, 1980, 160 — 170). Некоторые авторы считают состав полиолов у грибов важным таксономическим признаком: у хитридиомицетов, аскомицетов, базидиомицетов и дейтеромицетов преобладает маннит, у зигомицетов его нет или же он не относится к главным компонентам; в целом у грибоподобных протистов (см. рис. 2, с. 13) полиолов меньше, чем у настоящих грибов. Наряду с такими наиболее частыми многоатомными спиртами, как глицерин (почти у всех) и маннит (у всех грибов, кроме ряда зигомицетов), обнаружены также эритрит, рибит и арабит, известные и у водорослей. Концентрация рибита у Mucorales (Zygomycetes) зависит от питания (рост при потребления рибозы). Арабит в крови человека указывает на грибную инфекцию (например, поражение Candida albicans); у здоровых людей он отсутствует. Здесь также выделяются оомицеты, у которых не обнаружено никаких полиолов; некоторые другие группы низших грибов (грибоподобных протистов) до сих пор изучены в этом плане недостаточно.