С.Дж.Перт

Если количество углерода потребленного субстрата обозначить как у, а количество углерода биомассы как ~. то получим выра­

жение

Этот метод был использован Стаутхамером и Беттенхаузеном

[309].

Третий метод, пригодный для аэробных процессов, основан на подсчете УЕ из стехиометрических отношений поглощенного

кислорода и диссимилированного энергетического субстрата.

При этом предполагается, что кислород используется исключи­ тельно как конечный акцептор электронов в энергодающих про­

цессах [134]. Это предположение не всегда правомочно, так как

внекоторых случаях кислород не только восстанавливается, но

ивключается с помощью оксигеназ в углеродные соединения.

Однако в подобном случае часто наблюдается простое стехио­

метрическое соотношение между утилизированным углеродом

субстрата и включенным кислородом. Например, на одну моле­

кулу н-парафина приходится один атом потребленного кислоро-

Таблица б

Ассимиляция и диссимиляция источника углерода и энергии

1) Перт, иеопубликоваииые даииые.

да, что дает возможность отдифференцировать включенный

кислород от восстановленного [123].

Четвертым методом, который может быть использован для определения количеств субстрата, израсходованного на энерге­

тические нужды, является измерение количеств конечного про­

дукта энергетического метаболизма: например, молочной кисло­

ты, образованной из глюкозы в молочнокислом брожении, этанола - из глюкозы в дрожжевом брожении и уксусной кис­

лоты, образующейся из эт~нола уксуснокислыми бактериями.

Относительные количества ассимилированного и диссимилиро­

ванного источников углерода и энергии приведены в табл. 6.

8.3. Энергетические затраты на функцию поддержания жизнедеятельности ( энергия поддержания)

8.3./. Определение

Уже давно было постулировано [244], что микроорганизмы

и клетки эукариотов нуждаются в энергии и для роста, и для других процессов, так называемых процессов поддержания

жизнедеятельности.

К: специфическим функциям поддержания жизнедеятельности относятся: оборот клеточного материала, осмотическая работа

для поддержания концентрационных градиентов между клеткой

и окружающей средой, подвижность клетки и другие.

Энергия поддержания определяется следующим образом. Предполагается , что общее количество потребленного источни­ ка энергии (ЛSЕ) частично расходуется на нужды роста (ЛSа) и частично на процессы поддержания жизнедеятельности (ЛSм). Очевидно, что синтез АТФ и его гидролиз могут быть сопряже­

ны не только с процессами роста или функциями поддержания;

однако происходящую при этом убыль АТФ трудно отличить от расхода АТФ на функции поддержания. Мы можем написать

где Лх представляет собой количество образованной биомассы. Когда энергетические затраты на поддержание равны нулю, т. е.

ЛSм = О, мы имеем «истинный» экономический коэффициент,

равный

В этом случае мы получаем максимально возможную величину экономического коэффициента при данном источнике энергии. Пусть при биомассе х энергия поддержания расходуется с по­

стоянной скоростью (ds/dt)m = тх, где т - постоянная вели­

чина, так называемый коэффициент энергии поддержания

(maiпtenance coefficient). Уравнение баланса потребления

источника энергии имеет следующий вид:

Общая скорость Скорость потреСкорость потребле­

потребления источ- - бления источника + ния источника энер-

где qE - метаболический коэффициент для источника энергии

Из уравнения (8.9) следует, что, если т является констан­

той, график зависимости 1/УЕ от 1/µ (рис. 28, А) будет представ­

лять собой прямую линию с наклоном т, отсекающую на оси

Рис. 28. Графические методы определения коэффициента энергетических затрат на поддержание жизни (т) и максимального экономического коэффи-

циента (1/Уво) на основе уравнений (8.10) и (8.12).

ординат отрезок 1/УЕа, Величина т может быть найдена также из графика зависимости q от µ (рис. 28, Б). Когда удельная ско­

рость роста изменяется при хемостатно,-1: культивировании, то

обычно наблюдается линейная зависимость между 1/УЕ и 1/µ

[244,309]. Ранее [244], согласно уравнению (8.9), при подсчете экономического коэффициента учитывался и ассимилированный

углерод источника энергии; в результате значение обратного

экономического коэффициента принимаjюсь равным 1/УЕ + 1/Ус

[уравнение (8.3) ], однако это не годится для вычисления т.

8.3.2. Поддержание как эндогенный расход биомассы

Чтобы объяснить происходящее в процессе роста снижение

экономического коэффициента в расчете на источник энергии, Герберт [130] и Марр и др. [204] представили потребность в

энергии поддержания как расход биомассы в ходе эндогенных

процессов.

удельная скорость поддержания. Из уравнения (8.12) следует,

Удельная скорость поддержания (а) может рассматриватьсн как скорость оборота биомассы; это удобный показатель для

сравнения скорости оборота компонентов биомассы и потребно­ сти в энергии, расходуемой на процессы поддержания.

8.3.3. Величина энергии поддержания и ее контроль

Типичные значения коэффициентов энергии поддержания у

микроорганизмов при различных условиях культивирования при­

ведены в табл. 7. Они колеблются в пределах от 0,5 (ммоль

АТФ • r сухой биомассы-1 • ч-1 ) для дрожжей, растущих без добавления хлористого натрия, до 220 (ммоль АТФ • г сухой биомассьг1 • ч-1 ) для Azotobacter, фиксирующего азот при высо­ ком напряжении растворенного кислорода. Ясно, что энергетиче­

ские затраты на поддержание могут составлять значительную

часть общего количества потребленной энергии. Так, при ана­

эробном развитии Klebsiella aerogenes на среде с глюкозой в

качестве источника энергии при скорости роста 0,1 ч-1 энергия,

израсходованная на поддержание, составляла около 90% всей

в3-4 раза ранее найденное значение для того же организма

[244].Такое расхождение данных, возможно, объясняется тем обстоятельством, что в одном случае [309] имелся избыток источника энергии, а во втором [244] источник энергии присут­

ствовал в количестве, лимитирующем рост.

Результаты ряда исследований [309, 342], приведенные в

табл. 7, свидетельствуют о значительном влиянии ионной силы

среды на величину энергии, израсходованной на поддержание.

Уотсон [342] установил, что при добавлении в инкубационнуiо

среду хлористого натрия ( 1 М) значение mлтФ возрастает в

4 раза (при этом изменяются также метаболические пути, что

приводит к уменьшенному образованию АТФ из глюкозы). По

данным Стаутхамера и Беттенхаузена [309], повышение концен­

дают основание думать, что значительная часть энергии, затра­

чиваемой на поддержание жизнедеятельности, расходуется на совершение осмотической работы, т. е. на установление опреде­

ленных градиентов концентраций между клеткой и внешней .сре­

дой.

Влияние температуры и значений рН на потребность в энер­

гии поддержания систематически пока не исследовалось. Лите­

ратурные данные [121] о стабильности величины экономического коэффициента при росте Escherichia coli на среде с глюкозой в диапазоне температуры от 15 до 36 °С дают основание думать,

что температура оказывает незначительное влияние на величину

т. Что же касается рН, то те же авторы сообщили о значитель­

ном влиянии этого параметра на величину экономического ко­

эффициента при использовании глюкозы. Уменьшение значения

рН от 6,6 до 5,4 сопровождалось увели11ением qo,; это соответ­

ствовало увеличению mлтФ до 16 (ммоль АТФ-г сухой биомас­

сьг1 •ч-1 ).

Энергетические затраты на обновление клеточного материа­ ла можно определить путем ср.авнения известных скоростей об­

новления с удельной скоростью процессов поддержания. По

имеющимся данным, скорость обновления белка в растущих

бактериях составляет 0,006 ч-1 (О,6%/ч), увеличиваясь в десять раз при прекращении роста [199]. Допустим, что на долю белка приходится 60% биомассы; тогда скорость обновления в расту­

щих клетках будет соответствовать скорости обновления био­ массы и будет равна 0,6-· 0,006 ч-1, или 0,0036 ч-1. Удельная

скорость поддержания для Е. coli составляет около 0,06 ч-1 • Сле­

довательно., на обновление белка расходуется лишь незначитель­

ная часть энергии, затраченной на поддержание. При отсутствии