Научная электронная библиотека

Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания

К вопросу об управлении жизнедеятельностью микроорганизмов (на примере дрожжей).

Глущенко Л. Ф., Глущенко Н. А.,

1.1.1. Строение и химический состав дрожжевой клетки

Дрожжевая клетка имеет сложное строение, отдельные структуры ее 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 важнейшей органеллой является, естественно, 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 объем которой составляет 10⁹-10¹⁰ бит. ДНК управляет всеми процессами обмена веществ, роста и развития клетки. В ядре клетки размещено также ядрышко (nucleolus) (12), состоящее из рибонуклеино­вой кислоты [13].

Рисунок 1 - Дрожжевая клетка (по Hough, Briggs 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 (5). Митохондрии получают пируват, обра­зующийся 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 (ЭС) (9) 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 распреде­ляют его в клетке. Тем самым они отвечают за соединение аминокислот с образованием про­дуктов генного синтеза в соответствии с ин­формацией, получаемой из ядра клетки.

Особенно важны клеточные мембраны, которые окружают не только всю клетку, но и ее многочисленные органеллы. ЭС 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 (С₃Н₅(ОН)₃), на третью ОН-группу глицерина при­крепляется через фосфатный остаток амино­кислота (фосфолипид). Построение клеточной мембраны из молекул 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, она окружает не только весь объем дрожжевой клетки, но и образует мембраны вокруг клеточных органелл, и разделяет отдель­ные области клетки. Поверхность дрожжевой клетки составляет около 150 мкм², 10 г прес­сованных дрожжей имеют контактную поверх­ность около 9...10 м².

Энергоемкое образование липидов, пред­ставляющих собой главные составные части мембран, зависит 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, находящиеся в мембране  и пропускающие 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 периферийные 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 [13]. 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 [6].

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 [13].

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 [13]. 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 [14].

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 [8].

При избытке питательных веществ, на­пример, после начала брожения, дрожжевая клетка запасает резервные вещества. По данным Кунце [13] 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) [13].