Биология дрожжей

Биология дрожжей

2

Министерство науки и образования РФ

Муниципальное общеобразовательное учреждение

«Средняя общеобразовательная школа №1»

Реферат

Биология дрожжей

Выполнила:

Дмитриева Екатерина,

ученица 11а класса

Руководитель:

Мелехина Елена Борисовна,

учитель биологии

Узловая, 2007

Содержание

Введение

1. История дрожжей

2. Распространение дрожжевых грибов в природе

3. Жизненные формы дрожжей

4. Дрожжевая клетка. Цитология

5. Морфология дрожжей

6. Половое размножение и жизненные циклы дрожжей

7. Особенности метаболизма

8. Дрожжи - возбудители заболеваний человека

9. Промышленное использование дрожжей

Заключение

Список используемой литературы

Введение

Еще с древнейших времен человек научился использовать дрожжи в своих целях: печь хлеб, изготовлять вино и пиво. Люди «общались» с ними, не зная их природы и происхождения. Много веков человек использовал эти организмы в своих целях, даже не зная, что это - живые существа. И лишь несколько веков назад великий ученый Левенгук с помощью микроскопа увидел их. Началось изучение дрожжей, постоянно сообщалось о новых открытиях и исследованиях, которые продолжаются и по сей день.

Начиная писать этот реферат, я задала себе такой вопрос: «Что мне известно о дрожжах?» И, подумав, поняла, что практически ничего. В природе нашей планеты много загадок, и, конечно, жизнь на Земле сложна и разнообразна. И мне стало интересно, почему дрожжи, так часто встречающиеся в хозяйстве, заслужили внимание многих ученых. Что особенного в этих организмах?

Благодаря этому реферату я хочу подробно изучить дрожжи, рассмотреть их жизненные циклы, узнать, как их используют люди, познакомиться с историей развития знаний о этих организмах. Я считаю, что любое живое существо в этом мире по-своему интересно и каким-либо образом отличается от других организмов. Изучение биологии дрожжей поможет мне расширить свой кругозор, узнать что-то новое.

1. 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.

2. Распространение дрожжевых грибов 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.

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.

Дожжевая клетка имеет все основные структуры, которые присущи любой эукариотической клетке, но в то же время она обладает особенностями, свойственными грибам, а именно, сочетанием признаков как растительной, так и животной клеток: клеточная стенка у них ригидная, как у растений, но в клетке отсутствуют хлоропласты и накапливается гликоген, как у животных.

Компоненты дрожжевой клетки

Ядро

В дрожжевой клетке в фазе между делениями всегда имеется только одно ядро. В световом микроскопе его можно увидеть после специальной окраски или с помощью фазово-контрастного устройства при высоких разрешениях. На электронно-микроскопических снимках ультратонких срезов дрожжевых клеток ядро выглядит как более или менее округлая органелла, окруженная двойной мембраной. В ней есть поры в виде округлых сквозных отверстий, которые образуются в результате слияния двух ядерных мембран. Однако ядерные поры - не просто отверстия, они заполнены сложноорганизованными структурами, которые называют комплексом пор ядра. Считается, что основная функция ядерных пор - транспорт готовых рибосомных субъединиц в цитоплазму. Ядерная оболочка многофункциональна, но в основном играет роль барьера, отделяющего содержимое ядра и регулирующего транспорт макромолекул между ядром и цитоплазмой. Основные функциональные единицы ядра - молекулы ДНК, несущие основную генетическую информацию о клетке. ДНК составляет основную часть хроматина - основного компонента ядра. Число хромосом в ядре разных видов дрожжей может быть различным, оно колеблется от 2 до 16.

Митохондрии

В митохондриях имеется собственная митохондриальная ДНК (мДНК), а также весь аппарат белкового синтеза, включая матричную РНК и 70S рибосомы (в отличие от 80S рибосом в цитоплазме). мДНК у дрожжей составляет 5-20% от всей ДНК клетки. Число митохондрий в одной дрожжевой клетке варьирует в пределах 1-20 в разные периоды роста и в зависимости от условий. Как правило, 1-2 митохондрии в клетке более крупные, чем остальные и имеют разветвленную форму. Реконструкция ультратонких срезов клетки позволяет предположить, что в некоторых случаях (в подготовительный период почкования) клетка содержит всего одну вытянутую и сильно разветвленную митохондрию. Митохондрии способны к самовоспроизведению.

Цитоплазаматическая мембрана

На поперечном срезе под электронным микроскопом мембрана у дрожжей выглядит как трехслойная структура. Она представляет собой два слоя фосфолипидов, в которые погружены белковые молекулы, то есть построена по общему для всех клеточных мембран принципу. Однако, имеются различия, касающиеся химического состава. У Saccharomyces cerevisiae основными фосфолипидами мембран являются лецитин, фосфатидилэтаноламин и фосфатидилсерин. На их долю приходится около 90% всех липидов мембраны. В состав мембраны дрожжей входят стероиды - эргостерол, зимостерол и др. Белки представлены в основном ферментами, которые участвуют в трансмембранном переносе веществ, расщеплении полисахаридов и синтезе внеклеточных структур. . Функции цитоплазматической мембраны многообразны: регуляция биосинтеза клеточной стенки, активный транспорт транспорт в клетку специфических молекул органических веществ, транспорт ионов K+ и Na+ и др.

Вакуоли

В фазово-контрастном микроскопе в клетках дрожжей хорошо видны светлые и прозрачные структуры круглой формы. Это вакуоли (см. приложение 3). Обычно их 1-3 в клетке. Каждая вакуоль окружена одинарной мембраной и содержит различные ферменты, липиды, низкомолекулярные продукты метаболизма (аминокислоты), ионы металлов. В вакуолях сосредоточена большая часть ионов калия. Иногда в вакуоли видны «пляшущие» за счет броуновского движения плотные гранулы. Это так называемые метахроматические гранулы, «пляшущие тельца» (dancing bodies), или волютин. Гранулы эти состоят из полимеризованных остатков фосфатов, а по периферии они покрыты комплексными соединениями из РНК, белков и липидов. Волютин - это резерв полифосфатов в клетке. Основная функция вакуолей - разобщение процессов синтеза и распада белков и нуклеиновых кислот. Они выполняют также роль депо для хранения некоторых запасных веществ и ферментов, участвуют в регуляции тургорного давления. Также в клетке присутствуют: клеточная стенка, которая защищает протопласт от осмотического разрыва и придает клетке определенную форму; капсула (слизистый полисахаридный чехол вокруг клетки), цитоплазма и липиды.

5. 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 (см. приложение 4), Rhodotorula (см. приложение 5), Sporobolomyces, образующих большое количество внеклеточных полисахаридов, а также для аскомицетовых почвенных дрожжей рода Lipomyces (см. приложение 6). 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 (см. приложение 7) 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 (см. приложение 8). 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 (см. приложение 9). Образование псевдомицелия характерно для многих аскомицетовых дрожжей, например из родов Candida, Pichia.

Страницы: 1, 2