An extremely cadmium tolerant yeast, Hansenula anomala B-7 used to determine the modification of the intracellular enzyme activities by cadmium ion. The activities of alcohol dehydrogenase, phosphofructokinase, and cytidine deaminase were decreased up to 90%, 40%, and 86% compa- red with the control by 1 mM cadmium nitrate respectively, but the activities of malate dehydrogenase, 6- phosphogluconate dehydrogenase, cytochrome c oxidase, and alkaline phosphatase were increased up to 440%, 136%, 260% and 155% compared with the control by 1 mM cadmium nitrate respectively. These results show that the activities of the enzymes participating in Embden-Mayerhof pathway (e.g. anaerobic metabolism) were reduced by cadmium, but those involved in hexose monophosphate pathway and tricarboxylic acid cycle (e.g. aerobic metabolism) were stimulated in contrast. It has been suggested that the diminished activity of cytidine deaminase in pyrimidine nucleotide dissimilation occured due to the inhibited nucleotide dissimilation by cadmium ion; the enhanced activity of cytochrome c oxidase was specifically required in order to oxidize a raised amount of NADH and NADPH due to the increased aerobic metabolism.
Sugars play many important roles in plant metabolism and directly influence fruit quality. The effects of two edible coatings, 2% calcium chloride and 1% pullulan, on sugar metabolism in postharvest Huangguan pear fruit were investigated during cold storage. The respiration rate, sugar content and composition, sucrose metabolism enzyme activities [acid invertase (AIV), neutral invertase (NI), sucrose synthase (SS), and sucrose phosphate synthase (SPS)] and expression of the AIV gene were analyzed during storage at $0^{\circ}C$ for 210 days. Coating treatments slowed the decrease of sucrose and hexose, the respiration rate, and the activities of AIV, NI, SS and SPS, thus maintaining high total soluble solids (TSS) and titratable acid (TA) contents in the fruit. There were no significant differences in AIV expression or activity between the treated and control groups of fruits. Both of the coatings could inhibit the activities of sucrose-cleaving enzymes, thus slowing the decrease of sugar content and maintaining high fruit quality during cold storage.
Hexokinase is the first enzyme in the hexose assimilation pathway; it acts as a sensor for plant sugar responses, and it is also important in determining the fruit sugar levels. The full-length cDNA of a hexokinase gene was isolated from loquat through reverse transcription polymerase chain reaction (RT-PCR) and rapid amplification of cDNA ends, which was designated as EjHXK1. EjHXK1 is 1,839 bp long and contains an entire open reading frame encoding 497 amino acids. The predicted protein of EjHXK1 shares 72%-81% similarity with other plant hexokinases. Phylogeny analysis indicated that EjHXK1 is closely related to maize and rice hexokinases. Transient expression of the 35S: EjHXK1-GFP fusion protein was observed on the cell membrane and cytoplasm. Real-time RT-PCR indicated that EjHXK1 is expressed in loquat leaves, stems, flowers, and fruits. EjHXK1 transcripts were higher during early fruit development, but decreases before maturation, which is consistent with hexokinase enzyme activity during fruit development and conducive for hexose accumulation in mature fruits. These results imply that EjHXK1 may play important roles in the regulation of sugar flux during fruit ripening.
Saccharomyces cerevisiae is one of the most employed cell factories for the production of bioproducts. Although monomeric hexose sugars constitute the preferential carbon source, this yeast can grow on a wide variety of nitrogen sources that are catabolized through central nitrogen metabolism (CNM). To evaluate the effects of internal perturbations on nitrogen utilization, we characterized strains deleted or overexpressed in GLT1, encoding for one of the key enzymes of the CNM node, the glutamate synthase. These strains, together with the parental strain as control, have been cultivated in minimal medium formulated with ammonium sulfate, glutamate, or glutamine as nitrogen source. Growth kinetics, together with the determination of protein content, viability, and reactive oxygen species (ROS) accumulation at the single cell level, revealed that GLT1 modulations do not significantly influence the cellular physiology, whereas the nitrogen source does. As important exceptions, GLT1 deletion negatively affected the scavenging activity of glutamate against ROS accumulation, when cells were treated with H2O2, whereas Glt1p overproduction led to lower viability in glutamine medium. Overall, this confirms the robustness of the CNM node against internal perturbations, but, at the same time, highlights its plasticity in respect to the environment. Considering that side-stream protein-rich waste materials are emerging as substrates to be used in an integrated biorefinery, these results underline the importance of preliminarily evaluating the best nitrogen source not only for media formulation, but also for the overall economics of the process.
Carbohydrate metabolism and partitioning are dependent on relationships between sources and sinks which can be affected by rates of photosynthesis and respiration. Fructan, the major form of stored carbohydrate in tall fescue (festuca arundineacea Schreb.), changes in concentration during growth and in response to the environment. Objectives of this study were i) to examine the content and the composition of carbohydrates in five tissues (mature leaf blade, immature leaf blade, leaf elongation zone, terminal meristem, and root tips) of two tall fescue genotypes, one with high yield per tiller (HYT) and one with low yield per tiller (LYT), and ii) to compare the reserved and utilized carbohydrates among above five different tissues, particularly between the leaf elongation zone and root tips. The established vegetative tillers of the HYT and LYT genotypes were grown in a controlled-environment growth chamber. Water-soluble carbohydrate (WSC) in the leaf elongation zone was about 22% of dry weight in the HYT and about 19% in the LYT genotype. The root tip also had high WSC, about 12% of dry weight in the HYT and 6% in the LYT genotype. Hexoses and sucrose were the major components of total WSC in all tissues except the leaf elongation zone. The growing tissues (sinks), i.e., the leaf elongation zone and root tip, had a high proportion of low degree of polymerization fructan, i.e., 3 to 8 hexose units.
A dynamic model of lactic acid fermentation using Lactococcus lactis was constructed, and a metabolic flux analysis (MFA) and metabolic control analysis (MCA) were performed to reveal an intensive metabolic understanding of lactic acid bacteria (LAB). The parameter estimation was conducted with COPASI software to construct a more accurate metabolic model. The experimental data used in the parameter estimation were obtained from an LC-MS/MS analysis and time-course simulation study. The MFA results were a reasonable explanation of the experimental data. Through the parameter estimation, the metabolic system of lactic acid bacteria can be thoroughly understood through comparisons with the original parameters. The coefficients derived from the MCA indicated that the reaction rate of L-lactate dehydrogenase was activated by fructose 1,6-bisphosphate and pyruvate, and pyruvate appeared to be a stronger activator of L-lactate dehydrogenase than fructose 1,6-bisphosphate. Additionally, pyruvate acted as an inhibitor to pyruvate kinase and the phosphotransferase system. Glucose 6-phosphate and phosphoenolpyruvate showed activation effects on pyruvate kinase. Hexose transporter was the strongest effector on the flux through L-lactate dehydrogenase. The concentration control coefficient (CCC) showed similar results to the flux control coefficient (FCC).
Candida magnoliae, an osmotolerant and erythritol producing yeast, prefers D-fructose to D-glucose as carbon sources. For the investigation of the fructophilic characteristics with respect to sugar transportation, a sequential extraction method using various detergents and ultracentrifugation was developed to isolate cellular membrane proteins in C. magnoliae. Immunoblot analysis with the Pma1 antibody and two-dimensional electrophoresis analysis coupled with MS showed that the fraction II was enriched with membrane proteins. Eighteen proteins out of 36 spots were identified as membrane or membrane-associated proteins involved in sugar uptake, stress response, carbon metabolism, and so on. Among them, three proteins were significantly upregulated under the fructose supplying conditions. The hexose transporter was highly homologous to Ght6p in Schizosaccharomyces pombe, which was known as a predominant transporter for the fructose uptake of S. pombe because it exhibited higher affinity to D-fructose than D-glucose. The physicochemical properties of the ATP-binding cassette transporter and inorganic transporter explained their direct or indirect associations with the fructophilic behavior of C. magnoliae. The identification and characterization of membrane proteins involved in sugar uptake might contribute to the elucidation of the selective utilization of fructose to glucose by C. magnoliae at a molecular level.
The metabolic patterns of C-1 and C-6-carbon atoms of glucose were observed in the tissue homogenates of the Ehrlich ascites tumor tissue which was incubated for 3 hours in the Dubnuff metabolic shaking incubator. $C^{14}-1-and\;C^{14}-6-glucose$ were used as tracers. The glucose media in which tissue homogenate was incubated was kept at a concentration of 200mg% glucose of carrier and appropriate amount of $C^{14}-1-or\;C^{14}-6-tracer$. At the end of 3 hour incubation, respiratory $CO_2$ samples trapped by alkaline which is placed in the tenter well of incubation flask were analyzed for the total $CO_2$ production rates and their radioactivities. The tissue homogenate samples after incubation were analyzed for their concentrations of glucose, lactate, pyruvate and glycogen and calculations were made on the glucose consumption rate, pyruvate and lactate accumulation rates. The following results were obtained. Data obtained in each group are as follows: 1. In the tissue homogenate, which was incubated with $C^{14}-1-glucose as a substrate, total $CO_2$ production rate averaged $19.0{\pm}5.0{\mu}M/hr/gm$ and the mean specific activity of respiratory $CO_2$ was $840{\pm}296\;cpm/mgC.$ Relative specific activity (RSA) which means the fraction of $CO_2$ derived from medium $C^{14}-1-glucose$ to total $CO_2$ production rate was calculated by ratio of SA of respiratory $CO_2$ and medium $C^{14}-1-glucose.$ RSA was $14.3{\pm}5.0%,$ Accordingly actual $CO_2$ production rate from medium $C^{14}-1-glucose$ showed a mean value of $2.79{\pm}1.35\;{\mu}m$ of which amount was equivalent to the mean value of total glucose consumption rate $(RGDco_2)$, namely, $5.1{\pm}1.3%.$ Lactate and pyruvate appearance rates averaged $7.13{\pm}1.26\;and\;0.21{\pm}0.02{\mu}M/hr/gm,$ respectively. Assuming that these 3 carbon compounds appeared in the medium were derived from glucose, calculations were made that relative glucose disappearance rate into lactate $(RGD_L)$ was $38.0{\pm}5.4%\;and\;RGD_P$ was $1.23{\pm}0.03%.$ Therefore, about 43.3% of the total glucose consumed were accounted for by conversion into the respiratory $CO_2$, lactate and pyruvate. 2. In the second group, which was incubated with $C^{14}-1-glucose$ as a substrate, glucose consumption rate, lactate and pyruvate appearance rates showed almost the same order as the values of the $C^{14}-1-glucose$ substrate group. However, RSA was remarkably decreased showing a mean value of $1.02{\pm}0.13%.$ This fact means that the C-6 carbon of glucose take the minor part in the oxidative metabolism of glucose. The glycogen level in both substrate tissue homogenate showed less than 0.3% of tissue weight. These low value suggested that there was an inhibition of carbohydrate synthesis in the Ehrlich ascites tumor tissue. 3. The catabolic pathway of glucose in the tumor tissue were analyzed on the basis of Bloom's principle from the values of RSA. It was found that in the tumor tissue more than 90% of $CO_2$ derived from glucose were oxidized via the alternate pathway other than principal EMP-TCA cycle such as hexose monophosphate pathway (HMP). From the data described above, it was assumed that in the Ehrlich tumor tissue anaerobic glycolysis proceeds normally although, the oxidation of products of anaerobic glycolysis via the TCA cycle is inhibited resulting in the accumulation of lactate and almost all of oxidative energy from glucose is released by oxidative pathway such as HMP.
Wu Jian-Rong;Son Jeong Hwa;Kim Ki Myong;Nam Soo-Wan;Lee Jin-Woo;Kim Sung-Koo
Microbiology and Biotechnology Letters
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v.33
no.2
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pp.117-122
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2005
Beijerinckia indica was cultured in mineral salts medium (MSM) medium with various carbon and nitrogen sources to improve the production yield of heteropolysaccharide-7 (PS-7). At high C/N ratio, the high concentration of PS-7 was produced until 40 h of the culture, whereas most of the glucose as a carbon source was used for the cell growth at low C/N ratio. However, at the high C/N ratio, PS-7 accumulation stopped at 48 h of the culture due to the increasing viscosity of the culture broth would inhibit the cell growth. Therefore, the optimized value of C/N ratio was 33.3 (20 g/L glucose, 7.5 mM $NH_{4}NO_3$) for the high production of PS-7. In the culture with various carbon sources, B. indica effectively used the hexoses or glucose-generating sugars for PS-7 formation. Especially, sucrose was the best carbon source for the high production of PS-7 (6.96 g/L) with a high viscosity (40772 cp). In the culture of B. indica with MSM medium containing 20 g/L glucose and 7.5 mM $NH_{4}NO_3$ in a 51 fermentor, the highest cell concentration was 2.5 g/L and the highest concentration of PS-7 was 7.5 g/L (35174 cp). The additional nitrogen sources of 7.5 mM $NH_{4}NO_3$, glutamine and glutamate at 12 h of the culture after exhaustion of a nitrogen source regulated the metabolism of carbon sources, therefore the nitrogen sources could control PS-7 synthesis.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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