Лекция 5.2 Дрожжи. Общая характеристика. Систематика. Метаболизм. Распространение в природе. Микробиологические аспекты практического использования.

План лекции:

1. Системы классификации и таксономия дрожжей

2. Строение дрожжевой клетки.

3. Питание и метаболизм дрожжей.

4. Генетика дрожжей.

5. Микробиологические аспекты практического использования дрожжей.

СИСТЕМЫ КЛАССИФИКАЦИИ И ТАКСОНОМИЯ ДРОЖЖЕЙ

Хотя характерная почкующаяся форма дрожжей была зафиксирована еще ван Левенгуком в 1680 г., более детальное описание и идентификация дрожжей продолжали оставаться сложной задачей. Поскольку у вегетативных форм большинства дрожжей нет ка­ких-либо характерных морфологических особеннос­тей, их нелегко идентифицировать путем визуального наблюдения. Первоначально название Saccharomyces употреблялось по отношению ко всем дрожжам, выде­ленным из спиртных напитков, и Мейен в 1837 г. раз­личал в соответствии с их источником три вида Saccharomyces: S. vini — из вина, S. cerevisiae — из пива и 5. ротогит — из сидра. Половые споры у дрожжей были обнаружены в 1837 г. Шванном, но только в 1870 г. к роду Saccharomyces стали причис­лять исключительно такие дрожжи, которые образу­ют споры.

Род Saccharomyces включает около 40 видов; все они образуют путем почкования сферические или эл­липсоидные клетки, производят аскоспоры в асках и обладают способностью эффективно превращать са­хара в спирт. Наиболее важный в пивоварении вид Saccharomyces был выделен в чистой культуре и опи­сан Хансеном под названием Saccharomyces cerevisiae var. ellipsoideus (Hansen) Dekker. Штаммы, отне­сенные к S. cerevisiae, получили широкое распростра­нение в пивоварении, производстве спирта, приготов­лении вина, а также в получении пекарских дрожжей и биомассы. Однако штаммы дрожжей в разное вре­мя классифицировали по-разному. Барнетт, Пейн и Ярроу в своей монографии, опубликованной в 1980 г., включили в S. cerevisiae штаммы, которые по преды­дущей классификации относились к восемнадцати различным видам. Один из этих штаммов — S. carlsbergensis — представляет особый интерес, так как это «дрожжи низового брожения», применяемые для при­готовления легкого пива. Их отличает способность ус­ваивать сахар мелибиозу. Этот штамм, известный в пивоваренной промышленности как S. carlsbergensis, был отнесен в 1970 г. Ван де Вальтом к S. uvarum, апозднее включен Барнеттом, Пейном и Ярроу в вид S. cerevisiae.

СТРОЕНИЕ ДРОЖЖЕВОЙ КЛЕТКИ

Клетки Saccharomyces cerevisiae имеют округлую, яйцевидную или эллипсоидную форму; размер их ко­леблется от 2,5 до 10 мкм в поперечнике и от 4,5 до 21 мкм в длину. Характерные особенно­сти типичной дрожжевой клетки показаны на рис. 2-1. Можно видеть, что клетка окружена толстой клеточ­ной стенкой. Внутри различимы многие органеллы ти­пичной клетки: плазмалемма, ядро, митохондрии, эндоплазматический ретикулум, вакуоли, пузырьки и гранулы. Структура и функция этих клеточных органелл будут рассмотрены ниже.

Отличительная особенность популяции растущих дрожжевых клеток — наличие почек, образующихся при делении клеток. Дочерняя клетка возникает в ви­де маленькой почки, которая растет в течение боль­шей части клеточного цикла, пока не достигнет разме­ра материнской клетки. Рост дрожжей происходит в основном во время формирования почек, поэтому поч­ка к моменту ее отделения становится по размеру бо­лее или менее такой же, как зрелая клетка. Клетки могут разойтись вскоре после деления, однако часто еще до их расхождения начинаются новые циклы кле­точного деления, в результате чего образуются груп­пы клеток. На месте отделения клеток друг от друга остаются следы, называемые у материнской клетки дочерним шрамом, а у дочерней клетки — родовым шрамом.

Дочерние и родовые шрамы можно разглядеть с помощью флуоресцентной микроскопии, а также в сканирующем электронном микроскопе. На одном и том же месте клеточной стенки Saccharomy­ces cerevisiae никогда не появляются две почки, таким образом, каждый раз почка оставляет новый дочерний шрам на стенке материнской клетки. Подсчитав число таких шрамов, можно определить, сколько почек обра­зовала данная клетка. По этой величине можно оце­нивать возраст клетки.

КЛЕТОЧНАЯ СТЕНКА представляет собой жесткую структуру толщиной 25 нм, составляющую около 25% сухого веса клетки и состоит в основном из глюкана и маннана; наряду с этими компонентами в стенке присутствуют хитин и белок. Глюкан — это сложный разветвленный полимер глюкозы, располага­ющийся во внутреннем слое клеточной стенки, приле­жащем к плазмалемме. По-видимому, глюкан — основной структурный компонент клеточной стенки, поскольку при его удалении она полностью разрушается. Маннан (сложный полимер маннозы) находится главным образом во внешних слоях кле­точной стенки. Третий углеводный компонент стенки, хитин, представляет собой полимер N-ацетилглюкозамина; он обнаружи­вается в участках клеточной стенки S. cerevisiae, ас­социированных с дочерними шрамами, образуя кольцо вокруг них. Белок составляет 10% сухого веса клеточной стенки. По крайней мере часть этого белка находится в виде связанных со стенкой ферментов. У дрожжей описано несколько таких ферментов, в том числе инвертаза, щелочная фосфатаза и липаза, а также глюканаза и маннаназа— два фермента, которые, види­мо, участвуют в размягчении клеточной стенки, спо­собствуя формированию почек.

Детальная организация клеточной стенки еще не совсем ясна, однако современные теории отда­ют предпочтение модели трехслойной структуры, сог­ласно которой внутренний глюкановый слой отделен от внешнего маннанового промежуточным слоем с по­вышенным содержанием белка (рис. 2-2, А).

КЛЕТОЧНАЯ МЕМБРАНА, или плазмалемма, дрожже­вой клетки выглядит под электронным микроскопом как трехслойная структура, тесно прилегающая к внутренней поверхности клеточной стенки. Поверх­ность плазмалеммы обычно ровная, но на определен­ных этапах роста клетки на ней можно заметить впячивания.

Плазмалемма состоит примерно из равного коли­чества липидов и белков и из небольшого количества углеводов. Лилиды представлены в основном моно-, ди- и триглицеридами, глицерофосфатидами и стеролами — эргостеролом и зимостеролом. Природа бел­ков плазмалеммы известна хуже, но в их состав, веро­ятно, входят ферменты, принимающие участие в ус­воении сахаров и аминокислот.

На рис. 2-2, Б показа­на модель структуры плазмалеммы. Каждая молеку­ла фосфолипида состоит из двух областей: гидрофоб­ной, т. е. отталкивающей воду, и

гидрофильной, т. е. притягивающей воду. Считается, что эти области рас­положены таким образом, что гидрофильные части молекулы находятся на внешней стороне мембраны, а гидрофобные — на внутренней. Молекулы белка, воз­можно, размещаются на поверхности мембраны или проникают внутрь ее.

Плазмалемма — важная органелла клетки. Она выполняет роль барьера проницаемости вокруг содер­жимого клетки и контролирует транспорт растворен­ных веществ внутрь клетки и из нее. Твердо доказано, что плазмалемма участвует также в регуляции био­синтеза клеточной стенки у дрожжей.

Ядро обычно расположено между вакуолью и поч­кой. В ядре можно различить хроматиновые тельца. Ядерная мембрана остается интактной на протяжении всего клеточного цикла. Под электрон­ным микроскопом она выглядит как двойная мембра­на, усеянная порами.

МИТОХОНДРИИ легко различимы как сферические или палочко-видные структуры, окруженные двойной мембраной. Складки внутренней мембраны образуют кристы (рис. 2-3, Б).Изучению структуры митохондрий и анализу рас­пределения митохондриальных ферментов между мембраной и матриксом митохондрии посвящено множе­ство работ. Большая часть ферментов цикла трикарбоновых кислот находится в матриксе митохондрии, в то время как ферменты, участвующие в транспорте электронов и окислительном фосфорилировании, лока­лизованы на внутренней мембране митохондрии, в том числе и на кристах.

Цитоплазма дрожжевой клетки содержит систему двойных мембран, известную как эндоплазматический ретикулум. Часть этих мембран связана с рибосома-ми, как и в других организмах; однако эндоплазмати­ческий ретикулум, видимо, принимает участие и во многих иных клеточных функциях. Эндоплазматический ре­тикулум участвует также в образовании пузырьков, находящихся в клетке. Этим он напоминает аппарат Гольджи некоторых других организмов.

В цитоплазме встречаются и липидные гранулы, которые происходят, вероятно, также от андоплазматического ретикулума.

Зрелые дрожжевые клетки содержат большую ва­куоль. В тот момент клеточного цикла, когда начина­ется образование почки, вакуоль, видимо, дробится на более мелкие вакуоли, которые распределяются меж­ду материнской клеткой и почкой. В дальнейшем эти маленькие вакуоли снова сливаются, образуя в мате­ринской и дочерней клетках по одной вакуоли.

Функция вакуоли точно не установлена. Показано, что в ней содержатся гидролитические ферменты, по­лифосфаты, липиды, низкомолекулярные клеточные интермедиаты и ионы металлов. Вакуоль, возможно, действует как резервуар для хранения питательных веществ и гидролитических ферментов.