Спиртове бродіння допомагає дріжджам не захлинутися в надлишку цукру.
Багато дріжджів переробляють цукор на спирт, і завдяки їм ми отримуємо пиво і вино. Самі ж дріжджі, розщеплюючи глюкозу, отримують енергію. Однак з енергетичної точки зору така переробка поживних речовин не дуже ефективна: у молекулі етанолу залишається ще досить невиліковної енергії, тобто закінчувати метаболічне розщеплення спиртом - це досить марнотратно. Насправді глюкозу можна «спалити» повністю, до вуглекислого газу і води, і енергії тоді вийде помітно більше. Така метаболічна «топка» називається клітинним диханням (у ній чудово згорають не тільки глюкоза, але й інші молекули). Щоправда, для клітинного дихання потрібен кисень. Якщо ж кисню бракує, тоді клітини (ті, хто вміє - наприклад, дріжджі) користуються менш ефективними біохімічними механізмами.
Але брак кисню тут не єдина причина. Дослідники з Університету Гронінгена проаналізували клітинний обмін речовин з точки зору термодинаміки. Як відомо, будь-яка хімічна реакція підпорядковується загальним термодинамічним законам, які описують температуру системи, її обсяг, поведінку молекул тощо. Є термодинамічні параметри, за якими ми можемо зрозуміти, як буде йти хімічна реакція (і чи буде йти взагалі) при зміні тих чи інших характеристик реакційної суміші.
Реакції енергетичного обміну речовин у дріжджів залежать від того, скільки у дріжджів глюкози. Цілком очевидно, що чим більше глюкози, тим активніше буде метаболізм, і термодинамічні розрахунки це підтверджують. Але коли глюкози стає дуже багато, починаються проблеми. У статті в Nature Metabolism йдеться, що через високий рівень глюкози стає неефективним той шлях метаболізму, в якому глюкоза розщеплюється повністю за допомогою кисню - він стає неефективним з точки зору термодинаміки. Нехай клітина отримує великий запас енергії, але термодинамічна вартість цього запасу занадто велика.
Як ми щойно сказали, термодинаміка описує серед іншого теплові ефекти і поведінку молекул. Частина енергії, яка з'являється при розщепленні глюкози, вивільняється у вигляді тепла, і можна було б припустити, що коли глюкози багато, клітина просто перегрівається. Однак автори роботи вважають, що такого побічного тепла виділяється занадто мало, щоб потурбувати клітку. На їхню думку, вся справа в поведінці ферментів: виконуючи свої реакції, вони здійснюють різні рухи - різні частини молекули рухаються один відносно одного, самі фермент можуть з'єднуватися і роз'єднуватися один з одним і т. д. І чим більше глюкози, тим сильніше, грубо кажучи, ця білкова поштовха, і чим активніше білки рухаються, тим більша ймовірність, що вони зможуть пошкодити якісь важливі клітинні структури. Щоправда, щоб підтвердити це або спростувати, потрібні експерименти, в яких ми б відстежували рух стай ферментів всередині клітин.
Якщо ж дріжджі перейдуть на спиртове бродіння, то термодинамічний бар'єр зникне - ні теплові ефекти, ні рух молекул при такому способі отримання енергії нікуди не дінуться, але все це буде не настільки серйозно, щоб обмежити весь процес. Тобто власне спирт дріжджам низачем, просто він - побічний продукт метаболічного механізму, який дозволяє жити в певних умовах. (До речі, деякі дріжджі знайшли тут інший вихід - вони просто мало їдять, тобто поглинають глюкозу дуже повільно, і тому можуть дозволити собі розщеплювати її більш ефективно).
Не одні тільки дріжджі використовують альтернативні біохімічні способи добування енергії. Наприклад, подібним чином поводяться ракові клітини: навіть якщо кисню достатньо, вони все одно переходять на безкислородний метаболізм, перетворюючи глюкозу на молочну кислоту, з якою вони вже нічого не роблять. За однією з гіпотез, саме такий малоефективний механізм видобутку енергії дозволяє ділитися дуже швидко, не витрачаючи час на синтез і збірку великих і складних ферментів, які займаються більш ефективними енергетичними реакціями. Адже швидко ділитися - саме те, що потрібно раковим клітинам. Термодинамічне пояснення цілком вкладається в цю гіпотезу, і, можливо, нові результати допоможуть зрозуміти, як подіяти на раковий обмін речовин так, щоб раковим клітинам стало невигідно взагалі жити.