Спиртовое брожение помогает дрожжам не захлебнуться в избытке сахара.

Многие дрожжи перерабатывают сахар в спирт, и благодаря им мы получаем пиво и вино. Сами же дрожжи, расщепляя глюкозу, получают энергию. Однако с энергетической точки зрения такая переработка питательных веществ не очень эффективна: в молекуле этанола остаётся ещё достаточно неизвлечённой энергии, то есть заканчивать метаболическое расщепление спиртом – это довольно расточительно. На самом деле глюкозу можно «сжечь» полностью, до углекислого газа и воды, и энергии тогда получится заметно больше. Такая метаболическая «топка» называется клеточным дыханием (в ней прекрасно сгорают не только глюкоза, но и другие молекулы). Правда, для клеточного дыхания нужен кислород. Если же кислорода не хватает, тогда клетки (те, кто умеет – например, дрожжи) пользуются менее эффективными биохимическими механизмами.

Электронная микрофотография дрожжей Saccharomyces cerevisiae, используемых в производстве алкогольной и хлебопекарной продукции. (Фото: Mogana Das Murtey and Patchamuthu Ramasamy / Wikipedia) 

Но недостаток кислорода здесь не единственная причина. Исследователи из Университета Гронингена проанализировали клеточный обмен веществ с точки зрения термодинамики. Как известно, любая химическая реакция подчиняется общим термодинамическим законам, которые описывают температуру системы, её объём, поведение молекул и т. д. Есть термодинамические параметры, по которым мы можем понять, как будет идти химическая реакция (и будет ли идти вообще) при изменении тех или иных характеристик реакционной смеси.

Реакции энергетического обмена веществ у дрожжей зависят от того, сколько у дрожжей глюкозы. Совершенно очевидно, что чем больше глюкозы, тем активнее будет метаболизм, и термодинамические расчёты это подтверждают. Но когда глюкозы становится очень много, начинаются проблемы. В статье в Nature Metabolism говорится, что из-за высокого уровня глюкозы становится неэффективен тот путь метаболизма, в котором глюкоза расщепляется полностью с помощью кислорода – он становится неэффективен с точки зрения термодинамики. Пусть клетка получает большой запас энергии, но термодинамическая стоимость этого запаса слишком велика.

Как мы только что сказали, термодинамика описывает среди прочего тепловые эффекты и поведение молекул. Часть энергии, которая появляется при расщеплении глюкозы, высвобождается в виде тепла, и можно было бы предположить, что когда глюкозы много, клетка просто перегревается. Однако авторы работы полагают, что такого побочного тепла выделяется слишком мало, чтобы побеспокоить клетку. По их мнению, всё дело в поведении ферментов: выполняя свои реакции, они совершают разные движения – разные части молекулы двигаются друг относительно друга, сами фермент могут соединяться и разъединяться друг с другом и т. д. И чем больше глюкозы, тем сильнее, грубо говоря, эта белковая толчея, и чем активнее белки движутся, тем больше вероятность, что они смогут повредить какие-то важные клеточные структуры. Правда, чтобы подтвердить это или опровергнуть, нужны эксперименты, в которых мы бы отслеживали движение стай ферментов внутри клеток.

Если же дрожжи перейдут на спиртовое брожение, то термодинамический барьер исчезнет – ни тепловые эффекты, ни движение молекул при таком способе получения энергии никуда не денутся, но всё это будет не настолько серьёзно, чтобы ограничить весь процесс. То есть собственно спирт дрожжам низачем, просто он – побочный продукт метаболического механизма, который позволяет жить в определённых условиях. (Кстати говоря, некоторые дрожжи нашли тут иной выход – они просто мало едят, то есть поглощают глюкозу очень медленно, и потому могут позволить себе расщеплять её более эффективно).

Не одни только дрожжи используют альтернативные биохимические способы добывания энергии. Например, похожим образом ведут себя раковые клетки: даже если кислорода достаточно, они всё равно переходят на бескислородный метаболизм, превращая глюкозу в молочную кислоту, с которой они уже ничего не делают. По одной из гипотез, именно такой малоэффективный механизм добычи энергии позволяет делиться очень быстро, не тратя время на синтез и сборку больших и сложных ферментов, которые занимаются более эффективными энергетическими реакциями. А ведь быстро делиться – именно то, что нужно раковым клеткам. Термодинамическое объяснение вполне укладывается в эту гипотезу, и, возможно, новые результаты помогут понять, как подействовать на раковый обмен веществ так, чтобы раковым клеткам стало невыгодно вообще жить.