Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования Республики Беларусь

Учреждение образования «Витебский государственный университет имени П.М. Машерова»

Факультет: биологический

Кафедра: химии

Дисциплина: биохимия

Курсовая работа

тема: Дрожжи как объект исследования

Руководитель: доцент кафедры химии

Балаева-Тихомирова Ольга Михайловна

Выполнила: студентка биологического факультета 32 группы

Папко Екатерина Александровна

Витебск, 2013

Содержание

• Введение
• Строение и химический состав дрожжевой клетки
• Особенности размножения и роста дрожжей
• История дрожжей
• Распространение дрожжевых грибков в природе
• Жизненные формы дрожжей
• Морфология дрожжей
• Дрожжи - возбудители заболеваний человека
• Промышленное использование дрожжей
• Различные продукты, получаемые из дрожжей
• Заключение
• Литература


Введение

Биология и биохимия дрожжевых микроорганизмов всесторонне изучается: ежегодно публикуется большое количество статей, расширяющих представление о дрожжевых клетках, как о микроорганизмах. Существует несколько систем классификации дрожжей, в основу которых положены способы размножения, особенности метаболизма и другие признаки.

Дрожжи относятся к классу сумчатых грибов. Однако широкое применение дрожжей в ряде производств - хлебопечении, пивоварении, виноделии, производстве спирта и др. позволило выделить их в отдельную группу микроорганизмов и даже называть их иногда одомашненными микроорганизмами.

Клетки дрожжей обычно имеют эллипсовидную, или яйцевидную форму, однако встречаются круглые, цилиндрические и лимонообразные, поэтому форма не является надежным признаком для распознавания дрожжей так, как может меняться в зависимости от условий развития. В зависимости от вида дрожжей, их возраста и условий питания диаметр дрожжевых клеток 1…5 мкм, длина до 15 мкм.

Строение и химический состав дрожжевой клетки

Дрожжевая клетка имеет сложное строение, отдельные структуры её дифференцированы и специализированы для осуществления энергетических и синтетических процессов. Каждая дрожжевая клетка состоит из клеточной плазмы, которая окружена клеточной мембраной и в которой находится ряд органелл, обеспечивающих реакции обмена веществ.

Дрожжевая клетка (рис 1) состоит из клеточной плазмы (цитоплазма) (1), которая окружена клеточной мембраной (3) и в которой находится ряд органелл, обеспечивающих реакции обмена веществ. При этом важной органеллой является клеточное ядро (нуклеус) (10) - управляющий центр клетки. Оно окружено замкнутой двойной пористой мембраной ядра (13). Ядро регулирует и направляет химические процессы в клетке и образует с цитоплазмой единую взаимосвязанную систему (10).

Ядро клетки содержит основное вещество (плазму), матрицу ядра и хромосомы. В них каждая клетка хранит свой структурный план, закодированный в форме генов. Гены построены из полимерной молекулы, дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), информационный объём которой составляет 10⁹ - 10¹⁰ бит. ДНК управляет всеми процессами обмена веществ, роста и развития клетки. В ядре клетки размещено также ядрышко, состоящее из рибонуклеиновой кислоты.

Рисунок 1 - Дрожжевая клетка (по Hough и Stevens):

1 - цитоплазма; 2 - клеточная стенка; 3 - клеточная мембрана; 4 - почечный рубец; 5 - митохондрии; 6 - вакуоль; 7 - полиметафосфатная гранула; 8 - липидная гранула; 9 - эндоплазматическая сеть; 10 - клеточное ядро (нуклеус); 11 - мембрана ядра; 12 - ядрышко.

Дрожжевая клетка содержит большое количество митохондрий. Митохондрии получают пируват, который образуется в цитоплазме, и разлагают его в процессе дыхания на диоксид углерода и воду с образованием аденозинтрифосфата (АТФ) и аденозиндифосфата (АДФ), представляющих собой носители энергии. Поэтому митохондрии называют иногда «энергетическими станциями клетки».

Шероховатая эндоплазматическая сеть служит для синтеза протеина, а гладкая эндоплазматическая сеть синтезирует липиды и отвечает за процессы освобождения от ядовитых веществ. Образующийся протеин блокируется и перемещается в предусмотренное место в везикулах, снабженных оболочкой. Эту задачу берет на себя комплекс Гольджи, представляющий собой своего рода «сортировочную станцию». Секреторная везикула с ядовитым веществом (например, со спиртом) транспортируется к клеточной мембране и выносится наружу.

За переработку отходов клетки отвечают лизосомы, обеспечивающие внутриклеточное пищеварение и разлагающие высокомолекулярные структуры в низкомолекулярные. Рибосомы синтезируют протеин и разлагают его в клетке. Тем самым они отвечают за соединение аминокислот с образованием продукта генного синтеза в соответствии с информацией, получаемой из ядра клетки.

Особенно важны клеточные мембраны, которые окружают не только всю клетку, но и её многочисленные органеллы. Эндоплазматическая сеть осуществляет интенсивное производство этих мембран. Важными структурными элементами клеточных мембран являются фосфолипиды, структура которых имеет важное значение для их функционирования: два остатка жирной кислоты этерифицируются глицерином (C₃H₅(OH)₃), на третью ОН-группу глицерина прикрепляется через фосфатный остаток аминокислота (фосфолипид). Построение клеточной мембраны из фосфолипидов обусловливает два взаимно противоположных свойства структуры: в то время как глицериновый остаток с фосфором и аминокислотным остатком притягивает воду (является гидрофильным), хвосты кислотных остатков, расположенные в клеточной мембране плотно друг к другу, а в двух слоях друг против друга, отталкивают воду (являются гидрофобными). В результате образуется непроницаемый двойной слой (мембрана) без наличия связей между фосфолипидными молекулами.

Клеточная мембрана дрожжевой клетки обладает толщиной 6 нм и составляет всего 1/1000 клеточного диаметра. Поверхность дрожжевой клетки составляет около 150 мкм², 10 г прессованных дрожжей имеют контактную поверхность 9-10 м².

Энергоемкие образования липидов. Представляющих собой главные составные части мембран, зависят от наличия кислорода. При этом часть имеющихся жирных кислот превращается в ненасыщенные жирные кислоты, имеющие более низкую температуру плавления, и соответственно обладающие более высокой текучестью. При недостатке кислорода построение клеток преждевременно прекращается.

Стенка клетки полупроницаема. Поступление растворенных веществ (сахаров, аминокислот, жирных кислот, минеральных веществ) происходит избирательно через нерастворимые транспортные протеины, которые находятся в мембране и пропускают совершенно определенные группы веществ. Выделение наружу продуктов распада, образованного спирта, происходит через мембрану при помощи так называемой везикулы Гольджи.

К внешней поверхности клеточной мембраны прикреплены гликолизированные полисахаридные остатки (гликокаликс), состоящие на 30...40% из маннана и на 30...40% - из глюкана. Находящийся снаружи маннан связан сложной эфирной связью с фосфором, а находящийся внутри глюкан связан сложной эфирной связью с серой и интегрирован в общем комплексе белков и ферментов, которые обеспечивают расщепление веществ для прохода их через клеточную мембрану. Поэтому структура этих сложных образований играет большую роль. На внутренней и внешней стороне мембраны находятся протеины; на внутренней стороне расположен еще слой трегалозы.

Совокупность оболочки, состоящей из клеточной мембраны, прикрепленных слоев и гликокаликса, называется стенкой клетки [13]. Клеточная стенка представляет собой жесткую структуру толщиной 25 нм, составляет около 25% сухой массы клетки и состоит в основном из глюкана, маннана, хитина и белка. Организация клеточной стенки недостаточно изучена, однако современные теории отдают предпочтение модели трехслойной структуры, согласно которой внутренний глюкановый слой отделен от внешнего маннанового промежуточным слоем с повышенным содержанием белка.

В цитоплазме, занимающей более 50% объема клетки, располагается большинство путей обмена расщепленных питательных веществ и построения собственных элементов клетки. Весь промежуточный обмен веществ - гликолиз, синтез жирных кислот, биосинтез протеинов и многое другое протекает здесь параллельно друг другу. В водной среде движутся рибосомы, ферменты и продукты расщепления - близко друг от друга в мощных потоках среды. Цитоплазма регулирует обмен питательных веществ и метаболитов благодаря избирательной проницаемости.

Условия культивирования дрожжей влияют на структуру цитоплазмы клетки. В аэробных условиях ("дышащая" клетка) она однородна и не содержит включений, в анаэробных же ("бродящая " клетка) - то появляются, то исчезают мелкие вакуоли и различные органоиды. Характерной особенностью вакуолей дрожжей является наличие в них метахроматина (волютина). Он может накапливаться в больших количествах как запасное вещество, при голодании запас его быстро уменьшается, как это происходит с жиром и гликогеном.

Морфологическое строение дрожжевой клетки часто оказывает влияние на физиологическое состояние. У молодых клеток оболочка тонкая, протоплазма мелкозернистая. По мере старения клетки протоплазма  становится крупнозернистой и количество включений и вакуолей в ней увеличивается. Старые, голодающие клетки обычно находятся в осадке и характеризуются зернистой протоплазмой; мертвые клетки имеют неправильную форму и окрашиваются метиленовым синим.

Зачастую в клетке можно обнаружить наполненные кислым клеточным соком и окруженные мембраной пространства - так называемые вакуоли. Здесь откладываются определенные протеины и избыточные соли. С помощью обратимой мобилизации кристаллов солей клетка может регулировать ее внутреннее давление (тургор), если, например, осмотическое давление снаружи увеличится благодаря повышенному содержанию экстракта или спирта. Зрелые дрожжевые клетки содержат большую вакуоль. Считают, что при образовании почки вакуоль дробится на мелкие вакуоли, которые распределяются между материнской клеткой и почкой. В дальнейшем эти мелкие вакуоли снова сливаются, образуя по одной вакуоли в материнской и дочерней клетках. Функция вакуоли точно не установлена. В ней содержатся гидролитические ферменты, полифосфаты, липиды, ионы металлов и др. Вакуоль, возможно, выполняет функции резервуара для хранения питательных веществ и гидролитических ферментов.

Наиболее существенными составными частями дрожжевой клетки являются углеводы, азотосодержащие, гуминовые и минеральные вещества. Дрожжи содержат 24...30 % сухого вещества и 70...76 % воды. Сухое вещество на 90...95 % состоит из органических и на 5...10 % - из неорганических веществ: фосфорной кислоты и калия. Белков и других азотосодержащих веществ в дрожжах содержится 54...56 %. Иногда при снижении гликогена в клетке азотосодержащих веществ может быть до 70%, причем 90 % их являются высокомолекулярными соединениями (белки) и 10% - низкомолекулярными (аминокислоты).

В дрожжевой клетке содержится 24...40 % углеводов в пересчете на сухое вещество. Они состоят в основном из гликогена, который вместе с трегалозой представляет собой запасные вещества. Гликоген - запасное питательное вещество в дрожжах, характеризующее их хорошее физиологическое состояние. Расщепление гликогена дает энергию для синтеза стеролов и ненасыщенных жирных кислот, которые важны для правильной работы дрожжевых мембран, особенно в анаэробных условиях. Поэтому содержание этих веществ может служить показателем жизнеспособности дрожжей.

При избытке питательных веществ, например, после начала брожения, дрожжевая клетка запасает резервные вещества. По данным Кунце содержание гликогена может возрасти на 30 % и более от содержания СВ дрожжей; он помещается в аккумулирующих гранулах, расположенных в цитоплазме. Считается, что важна не абсолютная концентрация гликогена, а изменение относительного количества в течение той или иной стадии процесса. Существенное снижение содержания гликогена говорит о неблагополучном состоянии дрожжей.  Точно так же, как фосфаты и липиды, которые требуются дрожжам для построения новых веществ клетки, откладывается трегалоза (дисахарид).

Особенности размножения и роста дрожжей

Ростом дрожжей называют увеличение числа их клеток, т. е. размножение. Дрожжи рода Saccharomyces способны размножаться вегетативным и половым путем. Дрожжевые клетки при нормальных условиях размножаются вегетативным путем - почкованием.

Хромосомный набор удваивается перед клеточным делением, и по завершении митоза одно из двух ядер переходит в дочернюю клетку. Ядерная мембрана в ходе митоза остается интактной (не разрушается). Формирование почки в полноценную клетку длится приблизительно 1ч.

После отделения дочерней клетки на материнской клетке остается почечный рубец. По числу рубцов (от 4 до 6) можно узнать возраст клетки. Графическое изображение почкующейся клетки представлено на рисунке 2.  

Рисунок 2 - Графическое изображение среза почкующейся дрожжевой клетки

При недостатке питательных веществ или при других неблагоприятных условиях дрожжи размножаются половым путем. Клеточный метаболизм при этом резко замедляется, обеспечивая выживаемость культуры в неблагоприятных условиях.

В среде с хорошими условиями питания споры прорастают и образуют клоны гаплоидных клеток. Гаплоидные клетки противоположных типов спаривания могут сливаться (копулировать), образуя зиготу с диплоидным ядром. Зигота начинает почковаться, образуя первую диплоидную почку, а затем образуется диплоидное поколение почкующихся клеток.

Дрожжи, имеющие устойчивые гаплоидную и диплоидную фазы, относят к гетероталличным.

Пивное сусло содержит все необходимые вещества для размножения клеток, поэтому при сбраживании сусла дрожжи размножаются только почкованием, не образуя спор.

Дрожжевые клетки, внесенные в сусло и находящиеся в фазе покоя, обладают способностью сбраживания, если они прошли все фазы клеточного цикла, т. е. завершили клеточное деление. Время, в течение которого все клетки прошли эти фазы, считается скоростью сбраживания.

На длительность и интенсивность отдельных фаз роста существенно влияют физиологическое состояние дрожжей; субстрат, содержащий все необходимые для роста питательные вещества; состав воды; рН; температура; концентрация кислорода в субстрате.

История дрожжей

Всю историю тесного общения человека со своими постоянными одноклеточными микроскопическими спутниками - дрожжами можно условно разделить на отдельные периоды.

Уже в ХХ веке до нашей эры человек сумел «приручить» дрожжи, даже не зная об их существовании. Дрожжи работали на человека, производя различные бодрящие напитки, содержащие этиловый спирт. Напиток, напоминающий современное пиво («буза»), был известен уже в Древнем Египте. Там же возник способ приготовления хлеба из кислого дрожжевого теста. Это стало ясно после того, как в раскопках храма и гробниц фараона Эхнатона и его супруги - легендарной Нефертити, живших во второй половине XIV века до нашей эры, археологи натолкнулись на скопление форм для выпечки хлеба и кувшинов для пивоварения. В Китае уже в Х веке до нашей эры умели отгонять спирт из дрожжевой бражки для получения крепких спиртных напитков. Европейцы пристрастились к спиртному несколько позже: производство виски началось в Ирландии в ХI веке, а в ХIII веке в Европе широко распространилось пивоварение. Венцом этого периода можно считать первое описание дрожжей, которые в 1680 г. увидел в капле бродящего пива под микроскопом голландец Антонии Ван Левенгук (см. приложение №1). Хотя он и не связал процесс образования пива с жизнью этих мельчайших «анималькулей», но его рисунки до сих пор поражают точностью изображения дрожжевой клетки(см. приложение №2). После этого ничего нового о дрожжах не появлялось целых 150 лет.

Второй период занимает весь ХIХ век, начиная с 30-х годов. Это период зарождения научных знаний о дрожжах, когда были сделаны первые научные описания дрожжей (Каньяр де Латур во Франции, Теодор Шванн и Фридрих Кютцинг в Германии), способов их размножения, спорообразования, жизненных циклов. Именно в этот период дрожжи были названы сахарными грибами - Saccharomyces. Важнейшим событием этого периода было исследование Луи Пастером в 1860-1876 гг. спиртового брожения и доказательство его биохимической природы. В 1881 г. Эмилем Хансеном в Дании были впервые получены чистые культуры дрожжей. Использование чистых культур преобразило виноделие и пивоварение, превратив их из вида искусства в крупную отрасль промышленности. Исследования братьев Бюхнер в Германии (1890-е гг.) по сбраживанию сахара бесклеточными экстрактами дрожжей положили начало развитию энзимологии и биохимии. В самом конце ХIХ в. Хансеном и Клекером в Дании была создана первая классификация дрожжей.

Третий период охватывает XX век. Он характеризуется дифференциацией научных направлений в области изучения дрожжей. В первой четверти прошлого века создается эволюционно-филогенетическое направление в систематике дрожжей (А. Гийермон во Франции, 1909-28 гг.), организуется первая коллекция дрожжевых культур. С 1931 г. началось издание серии определителей дрожжей в Дельфте (Голландия). В 1954 г. вышел первый отечественный определитель дрожжей В.И. Кудрявцева.

Открытие радиационного мутагенеза Г.А. Надсоном и С.Г. Филипповым в 1925 г. заложило основы радиобиологии и стимулировало исследования по генетике дрожжей. Они касались доказательств существования чередования поколений в жизненном цикле дрожжей с изменением плоидности. Было показано, что аскоспоры Saccharomyces cerevisiae гаплоидны, и конъюгация спор или их потомков приводит к восстановлению диплоидного состояния, характерного для вегетативной стадии сахаромицетов. О. Винге разработал метод тетрадного анализа с изоляцией 4 спор аска с помощью микроманипулятора. Впоследствии дрожжи Saccharomyces cerevisiae оказались прекрасным модельным объектом для генетических исследований, и со времени этих работ генетика дрожжей развивалась очень бурно. Были выполнены тысячи работ как теоретического, так и прикладного характера, касающиеся конструирования генетически измененных штаммов дрожжей для биотехнологической промышленности.

Вторая половина XX в. отличается еще большей дифференциацией разделов зимологии, выделением новых направлений. Возникают функциональная морфология и цитология дрожжей (В.И. Бирюзова в СССР, Матиль в Швейцарии, Е. Штрейблова в Чехословакии), молекулярная генетика и генетическая систематика (работы японских, американских, канадских ученых, в СССР - исследования Г. И. Наумова), морская зимология (А.Е. Крисс, М.И. Новожилова в СССР), экология и закономерности распределения дрожжей Появляются новые отрасли на стыке разных направлений, растут запросы и потребности биотехнологии, широко использующей дрожжевые организмы в самых разных производствах. Дрожжи все больше вовлекаются в работы по созданию векторных систем для получения ценных продуктов биологического синтеза.

Существенно изменились представления о разнообразии дрожжей и подходы к их классификации. Неуклонно растет число известных видов дрожжевых грибов, периодически издаются определители, среди которых мировую известность получила серия определителей голландской школы - крупных сводок с описанием всех известных видов дрожжей. Редакторами выходящих с интервалом10-15 лет изданий этого определителя были крупнейшие зимологи Дж. Лоддер, Н. Крегер Ван Рий, Дж. Фелл, Х. П. Куртцман. Начиная с 80-х гг. периодически переиздается еще один определитель, под редакцией Дж. Барнетта, составленный на более формальзованной основе, основанный на использовании компьютерных технологий идентификации. В нашей стране исследования в области систематики дрожжей связаны в основном с именами И.П. Бабьевой, В.И. Голубева, Г.И. Наумова.

Особенно сильное влияние на изучение дрожжей, также как и большинства других групп микроорганизмов, оказало бурное развитие в конце XX в. молекулярной биологии. В современной систематике дрожжей широко используются методы геносистематики, основанные на непосредственном сравнении геномов и секвенировании нуклеотидных последовательностей. Применение единых молекулярно-биологических методов позволило еще больше сблизить подходы к таксономии дрожжевых и мицелиальных грибов, установить связи между дрожжевыми анаморфами и мицелиальными телеоморфами, разработать новые критерии для создания единой филогенетической системы всего царства Mycota. В то же время, новые знания породили и новые научные проблемы, в частности, проблему соотношения новейших молекулярных методов с традиционными, основанными на морфологических и физиологических подходах к изучению дрожжей. Практически полностью расшифрован геном Saccharomyces cerevisiae, что открывает огромные перспективы геномики дрожжей, новые горизонты их биотехнологического использования. Таким образом, наука о дрожжах, проделав более чем полуторавековой путь, продолжает интенсивно развиваться и в XXI веке.

Распространение дрожжевых грибков в природе

Особенности распространения дрожжей в природе стали интересовать микробиологов, начиная с самых первых исследований процессов традиционного виноделия. Первоначально изучение дрожжей ограничивалось теми видами и штаммами, которые вызывали брожение при приготовлении пива и вина. Однако уже в конце XIX в. М. Бейеринк высказывал мысль о том, что эти культурные виды представляют собой селекционированные формы «диких» дрожжей, широко распространенных в природе. Естественно, возник вопрос об источниках их попадания в бродящие субстраты. Первые исследования, выполненные основателями зимологии Э. Хансеном и А. Клекером, были посвящены именно этой теме: поиску природных источников винных дрожжей Saccharomyces cerevisiae. В нашей стране этому вопросу также уделяли внимание крупнейшие микробиологи, например Г.А. Надсон. Сахаромицеты были найдены на ягодах винограда, однако, как оказалось, преобладают здесь совсем иные виды дрожжей, не участвующие в последующем сбраживании виноградного сока. Еще реже встречались сахаромицеты в окружающих субстратах, в частности, в почве под виноградниками. Уже в ранних работах высказывалось предположение, что почва не является средой, в которой возможно активное развитие дрожжевых грибов, а служит для последних лишь своеобразной «ловушкой», где дрожжи могут сохраняться определенное время в жизнеспособном состоянии и служить источником спор для инфицирования винограда нового урожая. Таким образом возникло понятие «круговорота дрожжей» в природе. Под «дрожжами» в то время подразумевались одноклеточные аскомицетовые грибы, родственные сахаромицетам и способные к активному брожению. . Расширяющиеся микологические исследования приводили к обнаружению все новых видов дрожжевых грибов, в том числе и таких, которые существенно отличались от типичных сахаромицетов. Оказалось, что многие из одноклеточных грибов, выделяемых из природных источников, не образовывали аскоспор и вообще не были способны к сбраживанию сахаров. Для таких дрожжей была создана серия формальных родов (Torulopsis, Candida, Rhodotorula, Cryptococcus), виды которых часто обнаруживаются в самых различных природных субстратах, включая почву, растения, разнообразные растительные остатки и природные воды. Стало понятным, что дрожжи распространены довольно широко, и их развитие далеко не ограничивается субстратами традиционных бродильных процессов. Однако, при этом существенно изменилось и содержание самого понятия «дрожжи». Дрожжами стали называть любые одноклеточные грибы, не обязательно вызывающие спиртовое брожение. В то же время, несмотря на существенные отличия между сахаромицетами и небродящими дрожжевыми грибами, достаточно долго сохранялось представление о дрожжах как самостоятельной филогенетической линии грибов. Лишь после обнаружения у несовершенных дрожжей рода Rhodotorula полного жизненного цикла, типичного для телиоспоровых гетеробазидиомицетов, термин «дрожжи» окончательно утратил таксономическое содержание. Тем не менее, вплоть до настоящего времени дрожжи продолжают рассматриваться в качестве единой группы, представляющей собой особую жизненную форму, или экоморфу грибов. Дело в том, что все дрожжи обладают очень сходным обликом за счет роста преимущественно в виде одиночных клеток. Кроме того, с одноклеточной организацией дрожжей сопряжены многие их физиологические особенности, в частности узкий спектр усваиваемых соединений, отсутствие способности к гидролизу труднодоступных полимеров, особенно таких, как целлюлоза и лигнин, быстрый рост за счет потребления простых углеводов. Особенно характерен этот набор признаков для аскомицетовых дрожжей. Все это делает их более приспособленными к обитанию в жидких и мелкодисперсных средах, богатых легкодоступными источниками углерода, в то время как мицелиальные грибы получают преимущество при росте на плотных поверхностях. Одноклеточность у грибов - вторичное явление в их эволюции, которое возникало независимо в разных группах аско- и базидиомицетов как реакция на существование в жидких и полужидких средах с относительно высокой концентрацией легкодоступных источников питания. Вскоре после открытия Пастером дрожжевой природы спиртового брожения было показано, что дрожжи постоянно обитают на поверхности ягод винограда и других сладких плодов, в цветочном нектаре, в кишечнике многих ксилофагов, проложенных ими галереях и личиночных камерах, в измельченной древесине, в кишечниках самых разных беспозвоночных, на наземных частях растений, в почве и т.д.

Жизненные формы дрожжей

Специализация на выполнении неодинаковых функций приводит у разных групп дрожжевых грибов к формированию характерного комплекса морфологических и физиологических свойств. Это дает возможность говорить о различных жизненных формах дрожжей. В общей экологии термином «жизненная форма» обозначается внешний облик, определенный морфологический тип организма, сформировавшиеся в результате приспособления к определенной среде обитания. Как уже отмечалось, дрожжи в современном понимании представляют собой определенную жизненную форму грибов. У микроорганизмов приспособления носят в основном физиологический характер, и при выделении таких экологических групп необходимо учитывать физиологические характеристики, поэтому правильнее говорить не о жизненных формах, а о морфо-физиологических группах. Среди дрожжей можно выделять следующие жизненные формы:

Сахаробионты - «настоящие» дрожжи, наиболее типичным представителем которых является Saccharomyces cerevisiae. Они обладают комплексом свойств, свидетельствующим об их приспособленности к существованию в средах, обогащенных легкодоступными источниками углерода. Отсутствие пигментации, развитых мицелиальных структур, хламидоспор, слизистых капсул, а также способность к более или менее интенсивному брожению и узкий спектр усваиваемых соединений углерода - характерный набор свойств этих дрожжей. Кроме сахаромицетов к сахаробионтам следует относить представителей родов Debaryomyces, Kluyveromyces, Torulaspora, Zygosaccharomyces, а также большинство видов из родов Pichia и Candida.

Фитобионты - адаптированы к обитанию на поверхности живых частей растений и, как правило, образуют каротиноидные пигменты. Они часто имеют в цикле развития хламидоспоры или хламидоспороподобные клетки, устойчивые к высушиванию. Характерный признак многих видов - образование баллистоспор, рассеивающихся токами воздуха. Наиболее типичные представители фитобионтов - роды Sporobolomyces и Sporidiobolus, некоторые виды родов Rhodotorula и Cryptococcus.

Сапробионты обладают относительно высокой гидролитической активностью и принимают участие в деструкции растительных остатков на средних и поздних стадиях. К типичным сапробионтам относятся некоторые виды рода Trichosporon, Cystofilobasidium capitatum, группа несовершенных видов базидиомицетового аффинитета, классифицируемых в роде Cryptococcus (Cryptococcus podzolicus, Cryptococcus humicolus).

Педобионты - дрожжи, наиболее приспособленные к обитанию на твердых поверхностях почвенных частиц. Они обладают слизистыми капсулами, которые создают межклеточную среду, сохраняющую благоприятный режим влагообмена и питания в условиях временного иссушения почвы. Эти дрожжи способны накапливать большое количество запасных веществ, главным образом в форме липидов, которые обеспечивают переживание длительных периодов голодания. Для них также характерна способность к усвоению соединений азота в очень низкой концентрации. Типичные представители педобионтов - все виды липомицетов. По-видимому, к педобионтам можно также отнести некоторые виды криптококков, в частности Cryptococcus terreus, Cryptococcus aerius, Cryptococcus terricola.

Морфология дрожжей

Макроморфологические признаки очень изменчивы и сильно зависят от состава среды и условий культивирования, поэтому они имеют весьма ограниченное значение в систематике дрожжей. . Дрожжевые культуры, растущие на плотных средах, по консистенции бывают чаще всего пастообразными, а также слизистыми, иногда полностью стекающими на дно пробирки, вязкими, клейкими, кожистыми или крошащимися. Слизистый рост характерен для многих анаморфных базидиомицетовых дрожжей родов Cryptococcus, Rhodotorula, Sporobolomyces, образующих большое количество внеклеточных полисахаридов, а также для аскомицетовых почвенных дрожжей рода Lipomyces. У большинства аскомицетовых дрожжей колонии пастообразные, сухие, культура при росте на скошенном агаре не стекает на дно пробирки. Для дрожжеподобных грибов, образующих как одиночные клетки, так и мицелий, характерны колонии с ворсинчатым краем, который хорошо просматривается при просвечивании. У большинства дрожжей колонии белые, часто приобретающие при старении кремовый или слегка коричневатый оттенок. У некоторых аскоспоровых дрожжей, например из рода Lipomyces, старые колонии при обильном спорообразовании темнеют и становятся бурыми или шоколадными. Многие дрожжи образуют пигменты, окрашивающие их колонии в различные цвета. Наличие каротиноидных пигментов, придающих колониям красную, розовую, оранжевую или желтую окраску, характерно для базидиомицетовых дрожжей родов Rhodotorula, Sporobolomyces и др. Аскомицетовые дрожжи Metschnikowia pulcherrima образуют диффундирующий в среду красно-вишневый пигмент пульхерримин. Так называемые «черные дрожжи», формируют темно бурые или черные колонии за счет накопления меланоидных пигментов. Микроморфология дрожжей включает признаки, характеризующие отдельные клетки (форма, размеры), а также способы вегетативного и бесполого размножения и образуемые при этом структуры.. Морфогенез дрожжевой клетки тесно связан со способом вегетативного размножения. Различают два принципиально различных способа образования вегетативных клеток у дрожжей - артрический (талломный) и бластический (зародышевый). При артрическом способе мицелий дрожжеподобных грибов одновременно распадается на отдельные одноклеточные элементы - артроспоры. Они образуются за счет расчленения гифы по поперечным септам после разрушения первичной стенки гифы в местах сочленения. Такой способ вегетативного размножения характерен для дрожжеподобных грибов Endomyces, Galactomyces, Arxula, Trichosporon, причем у двух последних родов образование артроспор сопряжено с их последующим почкованием. Бластический тип вегетативного размножения - это образование почек, что наиболее характерно для дрожжей. Почка представляет собой вырост на материнской клетке, который по мере увеличения в размерах отшнуровывается от нее. На материнской клетке при этом остается шрам почкования, а на отделившейся почке - шрам рождения. Шрамы почкования, или почечные рубцы, сохраняются на материнской клетке весь период ее жизни, а шрамы рождения со временем становятся малозаметными. Форма дрожжевых клеток довольно разнообразна и этот признак тесно связан со способом почкования. У видов, размножающихся многосторонним почкованием, клетки имеют сферическую, округлую, овальную или яйцевидную форму. При биполярном почковании клетки приобретают апикулятную (лимоновидную) или грушевидную форму. У делящихся дрожжей клетки более или менее цилиндрические. Специфическую угловатую форму имеют клетки дрожжей рода Trigonopsis, серповидную - Metschnikowia lunata. Клетки дрожжей, образующие почки на стеригмах, зачастую приобретают форму, делающую их похожими на простекобактерии. У многих видов дрожжей в определенных условиях роста материнские и дочерние клетки после почкования не разъединяются, а продолжают почковаться. В результате возникают структуры, имитирующие мицелий. Такой мицелий называют ложным, или псевдомицелием. В отличие от истинного (септированного) мицелия, в нитях псевдомицелия между клетками обычно хорошо заметны перетяжки, а апикальные (концевые) клетки всегда короче предшествующих. Псевдомицелий, состоящий только из клеток одного типа, сходных по форме и размерам, называют примитивным (рудиментарным). Сложный псевдомицелий состоит из клеток более чем одного типа, обычно в нем резко различаются длинные клетки, составляющие псевдогифы, и расположенные на них одиночные или собранные гроздьями круглые, овальные или клиновидные почки, которые в этом случае называются бластоспорами. Образование псевдомицелия характерно для многих аскомицетовых дрожжей, например из родов Candida, Pichia.

Диморфизм и плеоморфизм. Для дрожжей, как и для других грибов, известны явления диморфизма и плеоморфизма. Мицелиально-дрожжевой диморфизм проявляется в том, что один вид может расти в двух формах - одноклеточной и мицелиальной. Например, у базидиомицетовых дрожжей обычно гаплоидная фаза одноклеточна, а диплоидная (дикариотическая) - мицелиальная. . О явлении плеоморфизма говорят, когда в жизненном цикле одного вида существуют два или несколько видов бесполого размножения. Плеоморфизм у дрожжевых грибов выражается в том, что наряду с основным типом вегетативного размножения почкованием или делением некоторые дрожжи образуют особые бесполые структуры, предназначенные специально для распространения или сохранения вида, например:

· Баллистопоры - это экзогенные споры (конидии), которые формируются на заостренных кончиках особых выростов - стеригм, и при созревании с силой отстреливаются за счет капельно-экскреторного механизма. Способность к образованию баллистоспор, рассеиваемых через воздушную среду, свойственна дрожжам, обитающим на наземных частях растений. Примерами могут служить дрожжи родов Sporidiobolus, Sporobolomyces и др.

· Хламидоспоры - это крупные сферические или овальные клетки, которые образуются как из одиночных дрожжевых вегетативных клеток, так и на мицелии, по одной или цепочками. Хламидоспоры на мицелии образует, например, Candida albicans. Из дрожжевых клеток формируются хламидоспоры в старых культурах Lipomyces, Cryptococcus, Metschnikowia, Phaffia. Хламидоспоры отличаются утолщенной многослойной клеточной стенкой и высокой концентрацией запасных веществ. Биологическая функция таких структур заключается в длительном сохранении жизнеспособности в условиях голодания или низкой влажности. В средах с легкодоступными источниками энергии такие хламидоспоры прорастают путем почкования, или образуют трубки прорастания. В других случаях хламидоспоры выступают как структуры, в которых проходит кариогамия и мейоз, что ведет к образования асков (например, у Metschnikowia pulcherrima) или базидий (у базидиомицетовых дрожжей Leucosporidium, Mrakia, Rhodosporidium). В последнем случае такие структуры называют телиоспорами.

Дрожжи - возбудители заболеваний человека

Среди дрожжей нет облигатно-патогенных видов, которые могут размножаться только в организме человека. Однако, в природных местообитаниях встречаются факультативно-патогенные и условно-патогенные дрожжи, которые могут вызывать серьезные заболевания у людей с ослабленным иммунитетом.

К таким заболеваниям относятся:

Кандидоз. Основным возбудителем кандидоза является Candida albicans. Однако это заболевание могут вызывать и другие виды: C. tropicalis, C. parapsilosis, C. glabrata, C. krusei, реже C. lusitaniae, C. guilliermondii, C. rugosa и др. Все они являются несовершенными дрожжеподобными грибами аскомицетового аффинитета. Их довольно часто можно встретить в различных природных местообитаниях. Многие из них также относятся к компонентам нормальной микрофлоры человека, то есть постоянно обитают в теле здоровых людей. Их часто можно выделить с кожи, слизистых оболочек, из фекалий. Важной особенностью всех этих видов является их способность к росту при 37°C, те есть при температуре тела человека. Массовое развитие дрожжей в теле человека приводит к кандидозу. Заболевание возникает в основном у людей с ослабленной иммунной системой. Наиболее распространенными причинами являются злокачественные новообразования, травмы, ожоги и серьезные хирургические вмешательства, длительное лечение антибиотиками широкого спектра действия, преждевременные роды; трансплантация органов и тканей, которая обычно сопровождается применением препаратов, подавляющих естественный иммунитет. Повышенные шансы заболеть кандидозом имеют недоношенные новорожденные и лица пожилого возраста с наличием тяжелых заболеваний, а также наркоманы, использующие нестерильные шприцы. В последнее время кандидоз особенно часто развивается у больных СПИДом. Кандидоз встречается во всем мире. Клинические формы кандидоза могут быть очень разнообразными. Они варьируют от поверхностных поражений слизистых оболочек, кожи и ногтей до обширных поражений различных внутренних органов и тканей. Распространенной формой кандидоза является т.н. «молочница», при которой поражаются слизистые оболочки рта и горла. При этом на языке и слизистой оболочке рта появляются кремово-белые пятна, которые распространяются на небо и глотку. Поскольку возбудитель при этом проглатывается, в отсутствие лечения возможно инфицирование легких и желудочно-кишечного тракта. Сходные с молочницей симптомы возникают при поражении слизистых оболочек половых органов. При поверхностном кандидозе могут также поражаться крупные складки кожи, особенно под молочными железами, паховые и межъягодичные области, заушные складки. На коже возникают омертвевшие белые участки, которые превращаются в мокнущие красные эрозии. Больных при этом беспокоит зуд, жжение. При поражении дрожжами внутренних органов возникают особенно тяжелые формы кандидоза, характеризующиеся высокой летальностью, достигающей 30-70%. В зависимости от локализации возбудителя в теле у больных могут развиваться кандидозная пневмония, кандидозный менингит, поражения различных внутренних органов. Основным способом лечения кандидозов является применение антимикотиков - антигрибных препаратов. Среди них наиболее распространены амфотерицин В, флуконазол, итраконазол. Очень большое значение имеет точная идентификация возбудителя, так как разные виды Candida, вызывающие кандидоз, имеют различную чувствительность к этим препаратам. Для этого возбудитель должен быть выделен из тела больного с помощью посева проб пораженных тканей на питательные среды и получен в виде чистой культуры. Некоторые виды при росте на питательных средах очень близки по морфологическим и физиологическим характеристикам и для их точной идентификации приходится применять современные молекулярно-биологические методы.

Криптококкоз

Криптококкоз (торулез, европейский бластомикоз) - заболевание, вызываемое несовершенными дрожжами базидиомицетового аффинитета Cryptococcus neoformans. Дрожжи этого вида можно встретить в природных местообитаниях, но наиболее часто его обнаруживают в помете голубей, воробьев и других птиц, при этом сами птицы не болеют. В сухом помете криптококки могут сохраняться в течение многих месяцев. Cryptococcus neoformans обнаруживали также на слизистых оболочках здоровых людей. . Инфицирование человека обычно происходит воздушно-пылевым путем. Наиболее опасным проявлением криптококкоза является менингоэнцефалит, при котором поражается центральная нервная система. Заболевание начинается приступами головной боли, которые постепенно усиливаются и становятся нестерпимыми. Появляются признаки паралича, сознание нарушается. Развитие болезни ведет к постепенному истощению организма, затем коматозному состоянию. Смерть наступает от паралича дыхания через 4-6 месяцев. Смертность при криптококковом менингите достигает 100%. У многих больных, кроме поражения центральной нервной системы, развивается криптококкоз легких. Он протекает в виде пневмонии, которая по симптомам очень похожа на пневмонии другой этиологии. При диссеминированной форме криптококкоза могут поражаться самые различные органы. Встречаются также поражения кожи и слизистых оболочек, которые протекают относительно легко. Также как и в случае кандидоза, наибольшие шансы заболеть криптококкозом имеют люди с нарушением клеточного иммунитета, обусловленным СПИДом, лейкозом, отторжением трансплантанта при пересадке органов и тканей, а также длительным применением иммуносупрессантов. Для лечения криптококкоза используют различные антимикотики, такие как амфотерицин, флуконазол, подавляющие у грибов синтез эргостерина, и 5-фторцитозин, ингибирующий у них синтез нуклеиновых кислот. Для большей эффективности эти препараты используют комбинированно, что обусловлено также и частым обнаружением резистентных к ним штаммов. Обнаружение последних вынуждает медиков вести непрерывный поиск новых антифунгальных агентов.

Malassezia

Дрожжи рода Malassezia - облигатные симбионты человека и теплокровных животных, обитающие на поверхности их кожи и на волосяном покрове. В других местообитаниях эти организмы не встречаются. Первые описания этих грибов относятся к середине XIX в. Они были обнаружены в образцах кожи людей, больных так называемым пестрым лишаем. При микроскопировании кожных чешуй в них наблюдали короткие гифы, проникающие в слой эпидермиса. Первые попытки культивировать эти грибы были безуспешными. В образцах кожи и волос можно также нередко наблюдать присутствие дрожжевых клеток, которые также не культивируются на обычных средах для дрожжей. Этот организм, вызывающий образование перхоти, получил название Pityrosporum. Вырастить эти организмы в культуре удалось в 20-х гг. XX в. Оказалось, что для роста им необходимы добавки жирных кислот, например оливкового масла. Позже при культивировании Pityrosporum обнаружилось, что эти дрожжи способны к образованию гиф, которые по морфологии идентичны гифам Malassezia. Таким образом было доказано, что Pityrosporum и Malassezia - это дрожжевая и мицелиальная стадия одного и того же гриба. . Дрожжи рода Malassezia вместе с различными бактериями относятся к компонентам нормальной микрофлоры человека и постоянно обнаруживаются на разных участках кожи здоровых людей. Обычны они и на коже домашних и диких теплокровных животных, причем плотность заселения кожи этими дрожжами коррелирует с количеством выделяемого сального секрета. Однако при различных нарушениях иммунной системы виды рода Malassezia могут вызывать различные заболевания кожи. Из них наиболее известен упомянутый выше пестрый лишай, или питириаз. Это хроническое неконтагиозное заболевание, распространенное главным образом в тропических странах. Оно выражается в массовом развитии гиф Malassezia, которые проникают в слой эпидермиса, нарушая пигментацию и нормальную структуру поверхностного слоя кожи. Другим заболеванием, вызываемым этим грибом, является фолликулит, который характеризуется наличием воспалений в виде множества фолликул - мелких нарывов, распространяющихся по спине, груди, предплечьям и сопровождающихся сильным зудом. Фолликулит также встречается наиболее часто в странах с теплым климатом. Еще одно заболевание кожи, вызываемое дрожжами рода Malassezia - себоррейный дерматит. Они могут выступать в качастве важного аллергена при таком распространенном в последнее время аллергическом заболевании, как атопический дерматит. Заболевания, ассоциированные с Malassezia, являются в основном хроническими и характерны для людей с подавленной иммунной системой и предрасположенными к аллергии. Лечение их направлено на устранение дрожжей с помощью различных антимикотиков. У здоровых людей при нормальном функционировании сальных желез присутствие Malassezia на коже незаметно. Более того, они могут играть положительную роль, конкурируя с болезнетворными микроорганизмами.

Промышленное использование дрожжей

Дрожжи были первыми микроорганизмами, которые человек стал использовать для удовлетворения своих потребностей. Основное свойство дрожжей, которое всегда было привлекательным для человека - это способность к образованию довольно больших количеств спирта из сахара. Первое упоминание о получении спиртных напитков в Египте, так называемой «бузы», представляющей собой разновидность пива, относится к 6000 г. до н. э. Этот напиток получали в результате сбраживания пасты, полученной при раздавливании и растирании проросшего ячменя. Приготовление бузы можно считать рождением современного пивоварения. Из Египта технология пивоварения была завезена в Грецию, а оттуда в Древний Рим. В этих же странах активно развивалось виноделие. Крепкие спиртные напитки, полученные перегонкой бражки, по-видимому, были впервые получены в Китае около 1000 г. до н. э. В Европе процесс производства спирта был завезен значительно позже. Известно, что получение виски было налажено в Ирландии в XII в. Сейчас промышленное производство спиртных напитков существует в большинстве стран мира и представляет собой крупную отрасль промышленности. Другая группа процессов, в которых издавна используются дрожжи, также связана с их способностью к спиртовому брожению: образование углекислого газа под действием дрожжей - важнейший этап в приготовлении хлеба, приводящий к заквашиванию теста. Этот процесс также очень древний. Уже к 1200 г. до н. э. в Египте была хорошо известна разница между хлебом из кислого и пресного теста, а также польза от применения вчерашнего теста для заквашивания свежего.

Традиционные процессы.

Виноделие, пивоварение и хлебопечение существуют уже несколько тысячелетий. Естественно, что за это время были отселекционированы сотни видов заквасок, которые используются для приготовления самых различных сортов вина и пива. Однако лишь в начале XIX в. были высказаны предположения, что за спиртовое брожение, вызываемое этими заквасками, ответственны присутствующие в них дрожжи, увиденные впервые в 1680 г. Антони ван Левенгуком. Окончательным доказательством роли дрожжей в сбраживании сахаров считается работа Пастера, опубликованная им в 1866 г. К концу ХIХ в. стало известно, что сахаромицеты, выделенные из различных заквасок и различных сортов вина и пива, различаются по физиологическим свойствам, например, по способности к сбраживанию различных сахаров. В дальнейшем на основании таких физиологических различий в роде Saccharomyces было описано несколько десятков видов. Однако в последние годы методами молекулярной и генетической таксономии было показано, что большинство этих «видов» на самом деле представляют собой различные физиологические расы нескольких близких биологических видов, главным образом Saccharomyces cerevisiae. Это такие «виды», как, например, Saccharomyces vini, Saccharomyces ellipsoides, Saccharomyces oviformis, Saccharomyces cheresiensis, Saccharomyces chevalieri и десятки других, которые сейчас переведены в разряд синонимов Saccharomyces cerevisiae. Большинство этих «видов» - это отселекционированные веками расы - такой же продукт человеческой деятельности, как сорта культурных растений. В природе их найти иногда просто невозможно. Однако, недавно Г.И.Наумов обнаружил, что дикие популяции Saccharomyces cerevisiae распространены на Дальнем Востоке в сокотечениях дуба. Он предположил, что Дальний Восток - центр видообразования этих дрожжей. Кроме Saccharomyces cerevisiae в природных местообитаниях обнаружены еще несколько очень близких видов-двойников: Saccharomyces bayanus, Saccharomyces paradoxus и Saccharomyces cariocanus, Saccharomyces kudriavzevii, Saccharomyces mikatae, а также их межвидовые гибриды. Дрожжи используются также при изготовлении множества других традиционных пищевых продуктов. Например, специальные расы дрожжей входят в состав заквасок, использующихся для приготовления кефира. Дрожжи применяются в сыроварении при получении некоторых сортов сыра. В Восточной Азии широко распространены многочисленные закваски для получения разнообразных традиционных соусов, в состав которых входят специфические виды дрожжей, не встречающиеся в других местообитаниях. В быту большую популярность получил «чайный гриб» - специфическая бактериально-дрожжевая ассоциация, с помощью которой получают легкий, освежающий напиток. Двадцатый век с его безудержным развитием промышленности резко расширил и области применения дрожжей. Они стали выращиваться в больших масштабах в качестве источника белка и витаминов для сельскохозяйственных животных. Дрожжи - основной источник технического этанола. С помощью дрожжей сейчас получают большой спектр соединений, использующихся в разных областях человеческой деятельности. К ним относятся витамины, различные полисахариды, липиды, которые могут служить заменителями растительных масел, разнообразные ферменты, используемые в пищевой промышленности. Развитие генетической инженерии позволило использовать легко культивируемые дрожжи для получения многих полезных веществ животной и растительной природы, например инсулина.

Виноделие.

В основе получения вина лежит сбраживание фруктозы и глюкозы виноградного сока с образованием этилового спирта. Собранный виноград давят и получают так называемое виноградное сусло, или муст, в котором содержится 10-25% сахара. При производстве красного вина кожица и косточки винограда остаются в соке в течение всего процесса брожения, тогда как для приготовления белых вин их удаляют после раздавливания ягод и сбраживается только сок. В традиционных процессах приготовления вина сбраживание муста ведется с помощью дрожжей, присутствующих на винограде. При этом в брожении участвует множество видов дрожжей, сменяющих друг друга, такие как Hanseniaspora, Brettanomyces, Saccharomyces. В современном виноделии для сбраживания в основном используют чистые культуры специальных рас сахаромицетов. При этом присутствующие в сусле «дикие» дрожжи сначала убивают, обычно пропуская через муст двуокись серы. После окончания брожения молодое вино необходимо осветлить и дать ему созреть. Эти процессы для высококачественных вин могут занимать несколько лет. В процессе созревания вина происходит рост бактерий, которые удаляют из него яблочную кислоту, а также различные биохимические изменения, которые улучшают вкусовые качества вина. При производстве некоторых сортов вин в качестве исходного сырья используется не виноградный сок, а уже готовое вино. Такое, так называемое вторичное виноделие, включает процессы дображивания и модификации вин с использованием специальных рас дрожжей. К наиболее известным продуктам вторичного виноделия относятся шампанские вина. Шампанское получают из смеси вин (купажа), в которую добавляют сахар и дрожжи, после чего выдерживают в замкнутом объеме для вторичного брожения (шампанизации). Традиционные процессы шампанизации проводятся в бутылках, на крупных заводах - в больших емкостях. При шампанизации происходит растворение и химическое связывание образующейся углекислоты, которая при открывании бутылки в результате перепада давления освобождается и придает вину неповторимую игристость. Дрожжи вносят в производство вина двойной вклад: они ответственны за образования этанола в напитке, а также за накопление в нем множества вторичных соединений, от которых зависит его вкус и аромат. Такие соединения называются органолептическими. Часть из них образуется непосредственно в ходе брожения, часть - при химических превращениях компонентов вина в ходе его созревания. В винах обнаружены сотни органолептических соединений. Многие из них присутствуют в очень малых количествах и с трудом поддаются идентификации. Еще сложнее определить вклад всех этих соединений в окончательный букет вина, поскольку для каждого вещества характерна своя концентрация, при которой его присутствие можно уловить с помощью обоняния (так называемый порог запаха).