Дрожжи. 
Микробиология, понятия и характеристики

В группу дрожжей объединяются грибные организмы, которые в ростовой фазе существуют преимущественно в виде отдельных клеток. Примерно 2/3 дрожжей относится к классу сумчатых грибов (Ascoтycetes). Дрожжи есть также в классе базидиомицетов (Basidioтycetes) и дейтеромицетов — несовершенных грибов (Deuteroтycetes — Fungi iтperfecti).

Клетки разных видов дрожжей морфологически весьма разнообразны. Они бывают круглые, овальные, цилиндрические, яйцевидные, лимоновидные, колбовидные, треугольные, стреловидные и серповидные. Дрожжевые клетки значительно крупнее бактериальных. Длина их варьирует у разных видов от 2 до 20, иногда до 50 мкм, ширина от 1,5 до 10 мкм. К числу наиболее крупных дрожжей относятся, например, представители родов Saccharoтyces и Lipoтyces, наиболее мелкими являются виды Pichia и Наnsenula.

Как уже отмечалось, дрожжи существуют в основном в одноклеточной форме. Однако в культурах многих видов наблюдаются скопления разных размеров и очертаний, а некоторые дрожжи на определенной стадии развития могут образовывать мицелиальные структуры (рис. 17). Дрожжи являются неподвижными организмами.

Рисунок 17. Мицелиальные формы дрожжей: 1 — псевдомицелий; 2 — истинный мицелий; а — артроспоры; б — эндоспоры.

Дрожжи размножаются разными способами: вегетативно, бесполыми спорами и половым путем. Наиболее распространенным способом вегетативного размножения является почкование (рис. 18, 1). К почкующимся дрожжам относятся, например, виды родов Saccharoтyces и Lipoтyces. Если при почковании вновь возникающие клетки не отделяются друг от друга, то образуется псевдомицелий. Он отличается тем, что в зоне перегородок между клетками имеются перетяжки (рис. 18, 1). Образование псевдомицелия особенно характерно для дрожжей рода Candida.

Размножение делением (рис. 18, 2) встречается реже. Оно свойственно, например, видам Schizosaccharoтyces. Когда не расходятся делящиеся клетки, формируется истинный мицелий. Между клетками истинного мицелия четко различается перегородка, но нет перетяжек (рис. 18, 2). У ряда дрожжей (определенные виды Saccharoтyces, виды Nadsonia и др.) наблюдается так называемое почкующееся деление, при котором почка формируется на широком основании (рис. 18, 3). Почкующееся деление имеет морфологическое сходство с почкованием и делением.

Рисунок 18. Способы вегетативного размножения дрожжей: 1 — почкование; 2 — деление; 3 — почкующееся деление.

Бесполое и половое размножение связано с формированием специализированных репродуктивных структур. При половом размножении их появлению предшествует слияние клеток и последующее объединение ядер, при бесполом размножении предварительное слияние клеток и ядер не происходит.

Размножение бесполыми спорами — баллистоспорами — характерно для видов Sporoboloтyces, Sporidiobolus и др. Баллистоспоры возникают на заостренных выростах клеток — стеригмах (рис. 19). При созревании они с силой отбрасываются на некоторое расстояние. Баллистоспоровые дрожжи относятся к базидиомицетам. Истинный мицелий таких дрожжей может распадаться на отдельные клетки, называемые артроспорами.

Рисунок 19. Баллистоспоры на отдельных клетках и гифах мицелия: 1 — Sporobolomyces; 2 — Sporidiobolus.

Рисунок 20. Жизненные циклы некоторых дрожжей: 1 — Saccharomyces cerevisiae; 2 — Schizosaccharomyces (Octosporomyces) octosporus.

Половое размножение большинства дрожжей (аскомицетов) связано с образованием асков (сумок) и аскоспор. у одних (виды Saccharoтyces, Debaryoтyces и др.) образование асков происходит сразу после изоили гетерогамной копуляции почек или вегетативных гаплоидных клеток в диплоидную. У других (виды Saccharoтyces, Schizosaccharoтyces, Saccharoтycodes и др.). Аски формируются из ранее возникших диплоидных клеток партеногенетически, т. е. без непосредственно предшествующей копуляции. В асках в результате мейоза образуются гаплоидные аскоспоры. В каждом аске бывает, как правило, от 2 до 8 спор. Иногда (виды Liротуces) их число достигает нескольких десятков. Аскоспоры многих дрожжей (виды Saccharoтyces, Schizosaccharoтyces) освобождаются из сумок и превращаются в вегетативные клетки (рис.20).

У базидиомицетов в результате полового процесса развиваются специализированные репродуктивные клетки — базидии, на которых образуются экзогенные споры (базидиоспоры).

Обычно половой процесс чередуется у дрожжей с вегетативным размножением. Однако длительность гаплоидной и диплоидной фаз у разных дрожжей неодипакова. Например, У Sассharотусеs cerevisiae преобладает диплоидное состояние, у Schizosaccharoтyces (Octosporomyces) роmbе — гаплоидное. Кроме того, половой процесс и образование аскоспор у дрожжей происходит только в определенных условиях. В культурах Saccharoтyces активное спорообразование можно наблюдать, если молодые активные клетки, выращенные на полноценной богатой среде, поместить в условия недостаточного питания, плохого снабжения кислородом и влагой.

К половому процессу способны многие дрожжи. Но есть и такие, у которых половой процесс и спорообразование не обнаружены. Их включают в класс несовершенных грибов. К ним относятся представители Caпdida, Torulopsis и Cryptococcus.

Споры дрожжей отличаются значительной, хотя и меньшей, чем эндоспоры бактерий, устойчивостыо к неблагоприятным воздействиям. Они имеют утолщенную клеточную стенку, поэтому под микроскопом заметно выделяются как структуры, сильно преломляющие свет.

Покоящимися формами дрожжей являются так называемые хламидоспоры — толстостенные округлые клетки, образовавшиеся из вегетативных и заполненные резервными веществами, главным образом липидами. Они обнаруживаются у определенных дрожжей либо в связи с мицелиальными структурами (патогенные виды Candida), либо в форме отдельных клеток (у Lipoтyces и Cryptococcus; рис. 21). При пересеве в свежую питательную среду хламидоспоры Lipoтyces и Cryptococcus начинают активно почковаться, сбрасывая наружные слои клеточных стенок.

Рисунок 21. Хламидоспоры дрожжей: 1 — на гифах мицелия; 2 — без мицелия. В хламидоспорах видны капли жира.

Дрожжи имеют достаточно сложную структурную организацию, типичную для эукариотных организмов. Клеточная стенка дрожжей, в отличие от бактериальной, легко различима в световом микроскопе. Как и у большинства бактерий, она ригидна и обусловливает постоянство формы клеток. Клетки ряда дрожжей в определенных условиях могут быть окружены слизистой капсулой полисахаридной природы. Толщина капсул сильно варьирует. Иногда капсульный слой различим только с помощью электронного микроскопа, а в ряде случаев он заметно превышает диаметр клетки.

К клеточной стенке изнутри примыкает цитоплазматическая мембрана. В цитоплазме обнаруживается ядро. Оно ограничено от цитоплазмы двуслойной мембраной с порами. Внутри ядра имеется ядрышко. В клетках мицелиальной формы базидиомицетовых дрожжей содержится два ядра. На поверхности наружной ядерной мембраны локализованы рибосомы.

Постоянными компонентами дрожжевой клетки являются митохондрии. Они имеют вид гранулярных, нитевидных или ветвистых структур. Количество митохондрий в клетке достигает сотен и даже тысяч единиц. Их средние размеры лежат в пределах видимости светооптического микроскопа (около 0,4 мкм). Митохондрии лучше развиты у дышащих дрожжей. Как и у всех эукариот, у дрожжей хорошо развит мембранный аппарат. Он представлен эндоплазматической сетью, аппаратом Гольджи и лизосомами. В старых культурах дрожжей четко видны вакуоли, окружённые мембраной. В почках и молодых клетках они, как правило, не обнаруживаются.

В клетках дрожжей, выращенных при определенных условиях, легко выявляются включения запасных веществ. При культивировании на средах с избытком сахара в цитоплазме часто накапливается гликоген. Он имеет вид зерен, глыбок или крупных конгломератов. Скопления зерен гликогена могут придавать клеткам дрожжей гранулярную структуру. К характерным включениям дрожжей относятся липиды. Их бывает особенно много у видов Lipoтyces, Candida и Trichosporon. В клетках Candida и Trichosporon липиды видны как отдельные включения, а у Lipoтyces они могут маскировать все другие внутренние структуры, так что клетки выглядят как капли жира, окруженные оболочкой. В вакуолях часто обнаруживаются полифосфатные гранулы — волютин.

Наибольшее практическое применение в пищевой промышленности находят дрожжи рода Saccharoтyces, который включает около 40 видов, которые обладают способностью превращать сахара в спирт. Мейен в 1837 году различал в соответствии с их источником три вида дрожжей. Выделенных из спиртных напитков: Saccharoтyces vini — из вина, Saccharoтyces cerevisiae — из пива и Saccharoтyces pomorum — из сидра. Штаммы, отнесенные к Saccharoтyces cerevisiae, получили широкое распространение в пивоварении, производстве спирта, приготовлении вина, а также в получении пекарских дрожжей и биомассы. Все штаммы, классифицированные, как Saccharoтyces cerevisiae, способны в аэробных условиях расти на лактозе, мальтозе и трегалозе, но немогут расти на лактозе и целлобиозе. В анаэробных условиях дрожжи сбраживают гексозы и дисахара после их гидролиза, пентозы — не сбраживают. Во многих промышленных процессах дрожжи растут в среде, обошащенной сахарами. В этих условиях рост происходит анаэробно и потребляемый сахар превращается в углекислый газ и этанол.; процесс этот известен, как спиртовое брожение. Даже при энергичной аэрации дрожи продолжают перерабатывать сахар в углекислый газ и этанол до тех пор, пока концентрация сахаров не упадет до очень низкого уровня. Высокий уровень легко усваиваемых сахаров подавляет способность клеток осуществлять аэробное дыхание, даже когда нет недостатка в кислороде. Это явление известно как катаболитная регрессия.

В анаэробных условиях образующийся этанол не подвергается дальнейшим превращениям, тогда как в ваэробных условиях дрожжевые клетки после исчерпания запаса сахара начинают утилизировать накопленный ими этанол, переводя его в углекислый гах и воду.

Saccharoтyces cerevisiae может расти в условиях брожения с очень высокой скоростью (время удвоения примерно 1,6 ч), однако конечный выход клетьк оказывается незначительным. В условиях, благоприятствующих аэробному метаболизму, рост дрожжей протекает с такой же скоростью, но достигает гораздо больший выход клеток. Тот факт. Что при данном содержании сахара в аэробных условиях получается больше дрожжевых клеток. Чем в анаэробных впервые был замечен Пастером, и поэтому это явление носит название эффект Пастера.

При выращивании дрпожжей в анаэробных условиях они превращают глюкозу в пируват посредством меиаболического пути Эмбдена-Мейергофа-Парнаса (ЭМП). Однако накапливающийся пируват не может принять участие в цикле трикарбоновых кислот и НАДН₂, накопившийся в ходе гликолиза, не окисляется цитохромной системой. В этих условиях пируват декарбоксилируется другим ферментом до ацетальдегида, который восстанавливается в этанол с помощью НАДН₂, накопившегося в ходе гликолиза. В ходе превращения глюкозы в этанол путем брожения образуется только 4 молекулы АТФ, так что брожение — это менее эффективный процесс, чем аэробное дыхание. Количество АТФ, требуемое для биосинтеза, одинаково вне зависимости от того, растут ли клетки в аэробных или анаэробных условиях, поэтому при анаэробном метаболизме для производства такого же количества клеточного материала дрожжам необходимо утилизировать гораздо больше глюкозы. В этом состоит биохимическое объяснение эффекта Пастера.

Как уже указывалось, спиртовое брожение происходит не только в анаэробных условиях. Дрожжевые клетки, растущие в аэробных услдовиях при высоком уровне глюкозы в среде, также сбраживают глюкозу в этанол. Подавление аэробного дыхания высоким содержанием глюкозы, или, точнее, высокой скоростью усвоения глюкозы называется эффектом Крэбтри или катаболической регрессией.

Когда вся глюкоза переведена в спирт, катаболитная регрессия снимается и клетки могут продолжатьрост путем аэробного усвоения этанола, накопившегося на стадии брожения.

Регуляция метаболизма дрожжей — очень сложный процесс. Рост клеток может протекать аэробным и анаэробным путем, в условиях катаболтной репрессии и в нерепрессированном состоянии. Каждый из этих вариантов характеризуется различными уровнями функционирования пути ЭМП, пентозофосфатного пути, цикла трикарбоновых кислот и глиоксилатного цикла. Скорость гликолиза меняется в зависимости от доступности для клетки субстратов или кофакторов, таких как НАД и АДФ.