Кратко и по существу — причины различий и их значение.
1) Основные биохимические пути
- Гликолиз → пируват: в цитоплазме глюкоза превращается в пируват с образованием субстратного фосфорилирования и чистым выходом $2ATP$ на молекулу глюкозы.
- Анаэробный путь (алкогольное брожение у дрожжей): пируват декарбоксилируется до ацетальдегида (пируватдекарбоксилаза), затем восстанавливается до этанола (алкогольдегидрогеназа), регенерируя $NA{D}^{+}$:
$$\text{Glucose}\to 2EtOH+2C{O}_2+2ATP$$ Этот путь обеспечивает только субстратное фосфорилирование и поддерживает баланс редокс ($NADH\to NA{D}^{+}$).
- Аэробный путь: пируват поступает в митохондрии, окисляется в ацетил‑CoA и далее через цикл трикарбоновых кислот (TCA) и электронно‑транспортную цепь (ETC) с образованием протонного градиента и окислительным фосфорилированием — значительно больший выход АТФ:
$$\text{Glucose}+6O_2\to 6C{O}_2+6H_{2}O+\approx 30ATP$$ - Побочные ветви: при анаэробии накапливается этанол, CO${}_2$, глицерол (для восстановления редукционных эквивалентов); при аэробии — меньше этанола, больше биомассы и окисленных метаболитов.
2) Регуляция, специфичность дрожжей
- Pasteur‑эффект: в большинстве организмов наличие O2 подавляет брожение.
- Crabtree‑эффект у Saccharomyces: при высоком уровне глюкозы дрожжи предпочитают ферментировать даже в присутствии O2 (аэробное брожение) — важно для пивоварения/виноделия.
- Баланс $NADH/NA{D}^{+}$ определяет направление потоков (глицерол как «сброс» избытка восстановленных эквивалентов).
3) Последствия для биотехнологии ферментации
- Выход энергии и рост: аэробный метаболизм даёт значительно больше ATP → выше коэффициент превращения субстрата в биомассу ($Y_{X/S}$); при анаэробии основная часть углерода уходит в продукт (этанол).
- Целевые продукты:
- Для максимального этанола и CO${}_2$: анаэробные или сильно ограниченные по кислороду условия, высокий концентрационный ввод сахара (учитывать Crabtree).
- Для высокой биомассы, производства белков/ферментов, органических кислот: поддерживать аэрацию и высокий DO.
- Технические параметры: контроль растворённого кислорода (DO), скорость кислородопоставки (OTR), режим подачи углеводов (фед‑бэтч, чтобы избежать Crabtree), перемешивание и пузыри — ключевые для перенаправления потоков.
- Побочные продукты и редокс: глицерол/ацетат влияют на чистоту и выход целевого продукта, часто требуют инженерных вмешательств (напр., мутации в PDC/ADH, экспрессия NADH‑оксидаз) для перераспределения потоков.
- Экономика: аэробные процессы дороже по энерго- и оборудованию (аэрация), но дают большую продуктивность биомассы; анаэробные проще и эффективны для спиртовых брожений.
4) Практические инженерные подходы
- Для этанола: минимальный O2, высокий сахар, контролируемая температура/осмотическое давление.
- Для биомассы/рекомбинантных белков: поддерживать DO > заданного уровня, избегать перенасыщения глюкозой.
- Метаболическая инженерия: перенаправление потоков (PDC/ADH мутирование, усиление дыхания, модификация глицерол‑пути) для оптимизации выхода целевых метаболитов.
Сводка: различие обусловлено тем, что анаэробия использует гликолиз + восстановительное брожение (быстрый, мало ATP, много этанола), а аэробия — полное окисление через TCA и ОФ (много ATP, рост и меньше этанола). Управление кислородом и метаболизмом — ключ к управлению выходом и эффективностью промышленных ферментаций.