Для того чтобы правильно вести процесс биосинтеза, необходимо знать пути обмена углеводов и уметь ими управлять.
Углеводный обмен призван удовлетворять три основные потребности клетки: 1) получение энергии, 2) образование предшественников, необходимых для синтезов, 3) создание окислительно-восстановительных механизмов для превращения этих предшественников в соответствующие промежуточные или конечные продукты, пригодные в качестве клеточных компонентов (Б. Л. Хореккер, 1962). Одним из путей углеводного обмена является гликолиз. Гликолиз представляет собой совокупность анаэробных ферментативных процессов распада глюкозы.
Процесс анаэробного расщепления глюкозы начинается с ее фосфорилирования и образования глюкозо-6-фосфата. Эта реакция осуществляется ферментом гексокиназой или глюкокиназой. Остаток фосфорной кислоты образует эфирную связь с первичным спиртовым гидроксилом, стоящим при шестом углеродном атоме глюкозы. Образовавшийся глюкозо-6-фосфат подвергается изомеризации — превращению во фруктозо-6-фосфат, который в свою очередь фосфорилируется под действием фосфофруктокиназы с образованием фруктозо-1-6-дифосфата. Последний под действием альдолазы образует фосфодиоксиацетон и фосфоглицериновый альдегид, между которыми протекает реакция изомеризации. Дальнейшим превращениям подвергается фосфоглицериновый альдегид в реакции, которая является наиболее существенной для анаэробного распада углеводов, играющей в гликолизе центральную роль и называющейся реакцией гликолитической оксиредукции. Она осуществляется посредством фосфоглицеринальдегиддегидрогеназы с участием никотинамид-аденин-динуклеотида (НАД) через ацетилмеркаптановый комплекс с образованием 1—3-дифосфоглицериновой кислоты. Далее под действием киназы происходит передача одного фосфорного остатка на аденозин-дифосфат (АДФ), в результате чего образуются АТФ и 3-фосфоглицериновая кислота. Эта реакция весьма существенна, так как именно благодаря ей энергия, освобождающаяся при окислении фосфоглицеринового альдегида, аккумулируется в виде универсального высокоэргического соединения — АТФ. Дальнейший путь превращений 3-фосфоглицериновой кислоты состоит из ряда последовательных реакций, первая из которых катализируется ферментом глицеромутазой и заключается в образовании 2-фосфоглицериновой кислоты. Последняя в присутствии энолазы превращается в фосфоэнолпировиноградную кислоту. Далее перенос фосфатного остатка на АДФ осуществляется при участии пируваткиназы, в результате чего образуются АТФ и пировиноградная кислота.
Биологическое значение гликолиза заключается в том, что в результате распада углеводов образуются богатые энергией фосфорные соединения и вещества, используемые для целей синтеза, а также являющиеся основными субстратами для процессов окисления. Одним из главных субстратов окисления является пировиноградная кислота.
Другим в отличие от анаэробного является путь, который называют пентозным, гексозомонофосфатным или апотомическим путем распада углеводов. Это — путь окислительного распада глюкозы, центральным звеном которого является образование пентоз, вновь превращающихся через ряд промежуточных продуктов в гексозы.
Пентозный цикл начинается с окисления глюкозо-6-фосфата при участии дегидрогеназы. Первый этап реакции, т. е. непосредственный акт дегидрирования, не сопровождается раскрытием пиранозного цикла, вследствие чего образуется лактон фосфоглюконовой кислоты (6-фосфоглюконолактон). Затем под действием лактоназы происходит гидролитическое расщепление лактона. Помимо 6-фосфоглюконовой кислоты, в результате окисления глюкозо-6-фосфата образуется восстановленная форма НАДФ. Следующий шаг в пентозном цикле заключается в окислении фосфоглюконовой кислоты при участии дегидрогеназы, коферментом которой также является НАДФ. Это окисление сопровождается декарбоксилированием шестиуглеродного соединения, приводящим в зависимости от условий к разным продуктам: образуются рибулезо-5-фосфат или рибозо-5-фосфат. Следовательно, непосредственным продуктом декарбоксилирования фосфоглюконовой кислоты следует считать кетоформу пентозы. Предшествует ли реакции декарбоксилирования фосфоглюконовой кислоты образование ее кетопроизводного, остается неясным, в связи с чем 3-кето-6-фосфоглюконовую кислоту можно считать лишь гипотетическим промежуточным участником реакции.
Рибулезо-5-фосфат подвергается двум различным изомеризациям: с одной стороны, в рибозо-5-фосфат при участии изомеразы пентозофосфата и, с другой стороны, за счет эпимеразы в ксилулозо-5-фосфат. Образующиеся в результате реакций ксилулозо-5-фосфат и рибозо-5-фосфат взаимодействуют с образованием седогептулозо-7-фосфата и 3-фосфоглицеринового альдегида. Эта реакция катализируется транскетолазой. Продукты реакции тотчас же вступают во вторую реакцию, в результате которой образуются фруктозо-6-фосфат и эритрозо-4-фосфат. Эта реакция осуществляется ферментом трансальдолазой. Между эритрозо-4-фосфатом и ксилулозо-5-фосфатом происходит транскетолазная реакция, которая приводит к образованию фруктозо-6-фосфата и 3-фосфоглицеринового альдегида. Под влиянием фермента глюкозофосфат-изомеразы фруктозо-6-фосфат превращается в глюкозо-6-фосфат. Изомераза фосфотриоз обеспечивает превращение 3-фосфоглицеринового альдегида в диоксиацетон-3-фосфат.
При наличии альдолазы происходит конденсация двух фосфотриоз с образованием фруктозо-1,6-дифосфата, который в дальнейшем переходит во фруктозо-6-фосфат.
У некоторых микроорганизмов пентозный цикл может являться главным путем расщепления углеводов, но для большинства организмов он обеспечивает возможность синтеза рибозо-5-фосфата, участвующего в образовании нуклеотидов и коферментов. Эритрозо-4-фосфат может служить предшественником в синтезе ароматических кислот.
У некоторых микроорганизмов могут быть отклонения от классических схем. Процесс диссимиляции углеводов у продуцента олеандомицина Act. antibioticus на первых этапах расщепления сахаров осуществляется через пентозный цикл. Начиная с момента окисления фосфотриоз в фосфоглицериновые кислоты, в нем принимает участие гликолитический цикл обмена.
Культура Act. erythreus не имеет фермента фосфофруктокиназы, обязательного для гликолитического пути обмена углеводов. Часть глюкозы окисляется при этом без предварительного фосфорилирования, превращаясь, возможно, в глюконовую кислоту, другая часть фосфорилируется за счет гексокиназной активности. Поэтому возможно, что образование пировиноградной кислоты происходит через 2-кетоглюконат. Механизм реакции остается пока неизвестным (М. А. Губерниев, Л. И. Торбочкина, П. Н. Навольнева, 1963).
Путь, по которому происходит распад глюкозы в культурах актиномицетов, может определяться наличием в питательной среде некоторых компонентов. В частности, наличие в среде высоких концентраций фосфора подавляет активность глюкозо-6-фосфат дегидрогеназы. При этом распад глюкозы будет происходить преимущественно по пути анаэробного гликолиза, так как вместо 6-фосфоглюконата под действием фосфогексоизомеразы образуется фруктозо-6-фосфат (Шен Шан-тун, 1957; Шень Сан-чун, Чан Юн-пу, Ку Ти-энь, I960).
Как было установлено в опытах с Act. antibioticus, неорганический фосфат тормозит также дальнейший распад рибозо-5-фосфата. Скорость потребления рибозо-5-фосфата оказалась обратно пропорциональной концентрации ортофосфата в среде. Высокие концентрации ортофосфата подавляют образование пировиноградной кислоты из 2-фосфоглицериновой кислоты. Концентрации фосфора, угнетающие указанные реакции, не являются абсолютными величинами. При увеличении концентрации углеводов в среде соответственно несколько большей будет оптимальная концентрация фосфора.
Другим компонентом среды, регулирующим процессы обмена углеводов, может быть назван роданистый бензил, который угнетает распад глюкозы по пути анаэробного гликолиза, активируя ее диссимиляцию по пентозному циклу.