Структура дрожжевой клетки (морфология и цитология)

Низовые пивоваренные дрожжи (Saccli. carlsbergensis Hansen) - это одноклеточные микроорганизмы чаще всего овальной или круглой формы размером (от 5 до 10) X (от 5 до 13) мкм при соотношении длины к ширине от 1 до 2 (Лодерова). Форма и размер колеблется в зависимости от функции клеток, которая зависит от состава и свойств среды. В среде требуемого состава отдельные расы пивных дрожжей морфологически очень стабильны. Неблагоприятный состав сусла и многократное использование проявляется в потере исходной выравненности дрожжевых клеток в культуре как по форме, так и по размеру. Технологически влияние морфологических изменений вытекает из того, что форма и размеры клеток определяют общую площадь поверхности клеток, которая осуществляет обмен веществ (метаболизм). По Вайнфуртеру, средняя поверхность дрожжевой клетки равна приблизительно 150 мкм. При сбраживании 1 гл сусла 0,5 л густых пивных дрожжей на 1 мл сусла приходится около 15 млн. клеток. Из этого вытекает, что общая поверхность дрожжевых клеток, содержащихся в 100 мл сбраживаемого сусла, измеряется приблизительно 22 500 м². При условии четырехкратного размножения дрожжей активная площадь поверхности в стадии завитков возрастает до 90 000 м². Это огромная поверхность обеспечивает обмен веществ дрожжей клеток.

Коцкова-Краткохвилова классифицировала технические расы, соответствующие основной характеристике вида, на четыре группы по отношению длины к ширине (д/ш):

· I группа: большие овальные клетки, д/ш равна от 1,2 до 1,6,

· II а) группа: среднего размера круглые клетки, д/ш равна от 1,1 до 1,2,

· II б) группа: среднего размера овальные клетки, д/ш равна от 1,2 до 1,4,

· III группа: небольшие клетки, д/ш равна от 1,1 до 1,2.

Последняя группа имеет несколько представителей и малохарактерна для вида дрожжей Sacch. carlsbergensis Hansen. Разница между отдельными группами в целом ограничивает изменчивость внутри вида. Если при оценке устанавливается д/ш больше чем 1,6, речь идет о расе из группы Carlsbergensis в широком смысле.

Дрожжевая клетка состоит из протоплазмы, ядра (nucleus, karyon), клеточной плазмы (цитоплазмы) и оболочки, окружающей всю клетку.

Клеточное ядро вместе с плазмой считается носителем жизни клетки, его деление обеспечивает размножение дрожжей. Оно содержит хромосомы, состоящие из ген, которые определяют основные наследственные свойства.

Ядро дрожжей круглое диаметром от 1,7 до 1,8 мкм. Оно жидкое и при определенных условиях приобретает особую структуру (reticulum). Микроскопически ядро видимо только после окрашивания с помощью особой техники. В качестве основного составляющего оно содержит нуклеопротеины, преимущественно дезоксирибонуклеиновую кислоту. Окрашивающимся компонентом ядра является хроматин (кариотин). Пространство между телами хроматина заполняется ядерной плазмой (кариоплазмой).

Клеточная плазма - это коллоидный раствор преимущественно белкового характера со значительным содержанием воды, заполняющий все пространство клетки. При 50-60°С плазма коагулирует и клетка умирает (Хансен).

Плазма не гомогенна, ее структуру (крупнозернистая, мелкозернистая, неопределенная) определяет присутствие других неживых веществ, содержащихся в собственно плазменном веществе в виде зерен, тел, волокон, полостей и т. д. Эти структурные части плазмы частично видны при обычном микроскопировании в пропускаемом свете (вакуоли, жировые капли), другие - после окрашивания (зерна гликогена, волутина и т. д.) или при наблюдении с помощью фазового контраста (митохондрия, сферозомы).

Вакуоли - это полости, образующиеся в плазме при старении клеток, они заполнены жидкостью и ограничены тонопластом, т. е. слоем из белков и липоидов. В жидком содержимом вакуолей имеются электролиты, белки, жиры, сахариды, волутин и некоторые окислительно-восстановительные ферменты.

Гликоген (полисахарид структурно подобный амилопектину) - это резервное вещество, которое собирается в молодых клетках при хороших условиях питания. При наиболее интенсивном развитии дрожжевые клетки могут содержат до 20% (по другим данным до 39%) гликогена. В стареющих и старых клетках его мало. Для определения физиологического состояния дрожжевых клеток микроскопически определяется содержание гликогена путем окрашивания.

Волутин (метахроматин), по представлению Мейера (1904),- это кислое или насыщенное соединение нуклеиновой кислоты с основанием, оно содержит также азот и фосфор. Мейер предполагает, что волутин (резервное вещество дрожжей) - это вакуолярный коллоид полифосфатного характера, образующий зернышки легкоокрашиваемые, например, метиленовым синим в темно-синий цвет, иногда в фиолетовый почти красный. Роль волутина в дрожжевых клетках до сих пор не ясна.

Волутин накапливается в дрожжах при брожении и его содержание зависит главным образом от содержания фосфора в сусле. В среде без фосфорных соединений дрожжевые клетки утрачивают волутин. Клетки с высоким содержанием волутина имеют более высокую сбраживающую способность.

Жир присутствует в дрожжевой плазме в виде мелких капелек, резко преломляющих свет. В дрожжах жир содержится, с одной стороны, как запасное вещество, образующееся из белков или сахаридов, с другой - как жир дегенеративный, который появляется в старых клетках.

Митохондрии (хондриозомы) образуют в плазме системы изменяемой формы, слабопреломляющие свет, заметные только при применении фазового контраста. Они играют большую роль в образовании клеточных ферментов.

Другие структурные образования плазм, которые отличаются от митохондрий лишь при окрашивании янусовой зеленью, Баутцова назвала сферозомами. Было высказано предположение, что речь идет только о другой стадии развития того же самого клеточного органа.

Клеточная оболочка образует внешнюю оболочку клетки. Она прозрачна, эластична и приспосабливается к содержимому клетки. При старении клетки и потери ей запасных веществ клеточная оболочка сморщивается. Исследования показывают, что она состоит главным образом из разных полисахаридов и содержит каучукообразные вещества и немного хитина. Клеточная оболочка состоит из нескольких слоев различной толщины. Слизистая поверхность влияет на флокуляцию дрожжевых клеток. Важным свойством внутреннего слоя клеточной оболочки является ее проницаемость (Semipermeabilita), т. е. способность пропускать в обоих направлениях только определенные вещества (продукты питания клетки и продукты метаболизма). Функции клеточной оболочки зависят от физиологического состояния клетки. Изменением проницаемости клеточной оболочки регулируются метаболические процессы в клетке. На это влияют также внешние изменения.

Оболочки мертвых клеток легко пропускают некоторые красители, которыми окрашивается клеточная плазма. Оболочки живых клеток не пропускают красители. Окраска метиленовой синей используется для микроскопического определения числа мертвых клеток в технических культурах пивных дрожжей.

Дрожжевую клетку всегда следует рассматривать как целое. Функциональные отношения между клеточным ядром, плазмой и оболочкой очень сложны и до сих пор полностью не объяснены.

Пивоваренные дрожжи в нормальных условиях обычно размножаются почкованием и лишь очень редко делением клеток или спорообразованием.

Размножению каждой клетки предшествует деление клеточного ядра. До сих пор не удалось однозначно доказать, делится ли ядро клетки прямо или косвенно. Прямое деление ядра (амитаза) - это форма, при которой ядро просто распадается на две части без участия хромосом.

При непрямом делении (митозе) ядро делится с хромосомами так же, как у высших животных и растений. Это сложный процесс, в котором различают четыре фазы.

В начальной фазе (профазе) клеточное ядро освобождается и появляются хромосомы, их число у каждого вида дрожжей постоянно, они распределяются и на них появляется продольная черта, по которой они позже делятся. В метафазе ядерная оболочка растекается, и хромосомы стягиваются в экваториальной плоскости, где располагаются кольцом. В начале анафазы хромосомы делятся продольно и гомологическими парами поднимаются и направляются к полюсам, т. е. к местам будущих ядер. В телофазе хромосомы опять исчезают и образуются дочерние ядра, которые покрываются оболочкой.

При почковании материнская клетка образует почку, которая вырастает в дочернюю клетку. У низовых пивоваренных дрожжей дочерняя клетка отделяется, как только достигает определенного размера, в то время как у верховых дрожжей не отделяется сразу, а образует клеточные соединения кустообразной формы. Культурные пивные дрожжи почкуются всегда полярно (если они круглые). Каждая клетка может почковаться многократно. В месте отделения дочерней клетки на материнской клетке остается заметный шрам, по количеству этих шрамов, хорошо видимых под электронным микроскопом или флюоресцентным микроскопом после окрашивания, можно судить о возрасте клетки.

Условием размножения клеток является культивация в среде, содержащей все необходимые питательные вещества (сахариды, азотистые и минеральные вещества) и факторы роста в необходимом количестве. Такой средой является пивное сусло.

Рост дрожжевой культуры лучше всего заметен по кривым роста, выражающим зависимость числа клеток в единице объема среды от времени. По их ходу различают обычно четыре фазы роста.

· Латентная фаза (начальная стационарная фаза, лаг-фаза), в которой культура в течение нескольких часов приспосабливается к новой среде, прежде чем начнется рост. Латентная фаза обычно по времени совпадает с индукционным периодом спиртового брожения.

· Логарифмическая фаза характеризуется наиболее бурным ростом культуры, которая размножается по логарифмической кривой, так что прирост наибольший. В этой фазе спиртовое брожение еще в индукционном периоде и только позднее происходит разбраживание. В производственном брожении оно всегда оканчивается в стадии образования белых завитков.

· Максимальная стационарная фаза отвечает достижению границы роста кривой и прирост начинает падать. Молодые клетки подрастают и выравниваются морфологически и физиологически. Спиртовое брожение достигает высшей точки, а активность ферментов ослабевает. В производственном брожении эта фаза совпадает со стадией белых завитков.

· Фаза замедления (ингибиции) роста наступает под влиянием скопления в среде метаболитов и снижения концентрации сахаров. Рост дрожжей замедляется и наконец прекращается.

Температурный оптимум размножения и роста дрожжей находится между 25 и 30°С. При температурах выше 40°С рост прекращается, и клетки умирают. Низкие температуры, при которых проводится низовое брожение, замедляет рост, однако дрожжи не портятся. Очень низкие температуры лучше выдерживают прессованные дрожжи, чем жидкие.

В пивном сусле удовлетворительного состава количество дрожжей, использованных для сбраживания, не оказывает существенного влияния на количество дрожжей, полученных при брожении. При концентрации сахара в среде от 20% и выше дрожжи не размножаются и не бродят. Это объясняется плазмолизом дрожжевых клеток под влиянием высокого осмотического давления. Только дрожжи «осмофильные» выносят более высокую концентрацию сахара.

Из метаболитов рост дрожжей замедляют углекислый газ и этанол в концентрации, начиная с 6%, только некоторые виды пивных дрожжей выносят концентрацию до 10%. Это зависит от физиологического состояния дрожжей и от состава сусла. Высокая концентрация сахара, низкий pH и повышенная температура снижают стойкость дрожжей в отношении спирта. Высшие спирты, образующиеся при брожении, в значительной мере подавляют рост дрожжей.

Тяжелые металлы (железо, медь) в незначительных количествах (до нескольких миллиграммов) активизируют размножение дрожжей, а большие количества этих же металлов его подавляют. Небольшие количества железа и меди, обычно содержащиеся в производственном сусле, не влияют на рост дрожжей.

Нитраты, образующиеся при восстановлении нитритов из производственной воды, при концентрации свыше 25 мг NО₃/л могут тормозить низовое брожение.

Что делает отдел по эксплуатации и сопровождению ИС? Отвечает за сохранность данных (расписания копирования, копирование и пр.)...

ЧТО ПРОИСХОДИТ ВО ВЗРОСЛОЙ ЖИЗНИ? Если вы все еще «неправильно» связаны с матерью, вы избегаете отделения и независимого взрослого существования...

Что вызывает тренды на фондовых и товарных рынках Объяснение теории грузового поезда Первые 17 лет моих рыночных исследований сводились к попыткам вычислить, когда этот...

Система охраняемых территорий в США Изучение особо охраняемых природных территорий(ООПТ) США представляет особый интерес по многим причинам...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: