4 Фізіологія бактерій роду Saccharomyces
Рід Saccharomyces об’єднує як вільноіснуючі види природної мікофлори, так і «культурні» (або виробничі), існування яких тісно пов'язано з бродильною промисловістю. У практичній діяльності людини найширше використання мають S. cerevisiae ‒ цукрові дріжджі. Вони є збудниками бродіння, їх різні штами застосовуються у хлібопекарській та кондитерській промисловості, а також у пивоварінні та виноробстві.
Під час бродіння дріжджі в основному знаходяться у вигляді окремих клітин. Клітини мають зернисту протоплазму, дрібні вакуолі і великий запас поживних речовин; при інтенсивному вуглеводному харчуванні вони накопичують глікоген. Голодування клітин настає після зброджування всього цукру в субстраті (суслі). Клітини стають порівняно дрібніші, і протоплазма набуває зернистий вигляд.
У сприятливих умовах (достатня кількість цукру, оптимальна температура, аерація) брунькування відбувається настільки швидко, що клітини не встигають відокремлюватись одна від одної й утворюють короткі неміцні ланцюжки несправжнього міцелію (псевдоміцелій).
Якщо поживних речовин мало, а кисень надходить в достатній кількості, клітини можуть перетворюватись на аски (сумки), рідше на аскоспорами. З настанням несприятливих умов виникають стійкіші клітини — аскоспори і сумки із спорами. Аски можуть розвиватися в результаті злиття двох гаплоїдних клітин ‒ гамет. Найчастіше в аску (сумці) міститься від 1 до 4–8 спор. Сумки тонкостінні, вихід спор здійснюється в результаті розриву або лізису оболонок сумок. Зміна ядерних фаз в життєвому циклі у різних представників різна.
Аскогенні гіфи і плодові тіла не утворюються, зигота розвивається безпосередньо в сумку або утворює аскоспор, що дає одну або декілька сумок.
Розмноження – вегетативним, безстатевим і статевим способом, але вегетативне розмноження (брунькуванням або фрагментацією гіф) в сахароміцетів часто важко чітко відмежувати від безстатевого (утворення конідій).
Статевий процес – соматогамія. Аски розвиваються найпростішим способом, без стадії гачка та без утворення диплоїдних клітин – ніжок. Аски прототунікатні, аскоспори звільняються пасивно, переважно внаслідок ослизнення оболонки сумки. Покриви аскоспор розвиваються з інвагінацій плазмалеми аску. Анаморфи представлені псевдоміцелієм, що брунькується. Справжні конідіальні спороношення відсутні.
Статевий процес ‒ копуляція вегетативних кліток, при якій після злиття плазми (стадії плазмогамії) відразу слідує злиття ядер (стадія каріогамії), дікаріотична фаза відсутня. Результат мейотичного поділу диплоїдного ядра дріжджів утворюються гаплоїдні спори – аскоспори (ендогенні) та спори дії (екзогенні).
Шляхом мейозу (редукційний поділ) утворюється аск, який містить чотири гаплоїдні аскоспори (клітини з одним набором хромосом і одним набором генів). Аскоспори бувають двох типів спарювання. Брунькуванням клітини кожного типу можуть утворювати інші гаплоїдні клітини. Гаплоїдні клітини одного типу також можуть випадково спарюватися, утворюючи аномальні диплоїдні клітини ( а/а або / ), які розмножуються тільки звичайним безстатевим шляхом – брунькуванням.
Безстатевий (брунькування) та статевий шляхи розмноження аскоміцетних дріжджів Saccharomyces cerevisiae показані на (Рис. 4.1).
Рисунок 4.1. – Безстатевий (брунькування) та статевий шляхи розмноження аскоміцетних дріжджів Saccharomyces cerevisiae.
Особливості росту на рідких поживних середовищах. Ріст у рідкому поживному середовищі більш одноманітний і супроводжується помутнінням (слабке, помірне або сильне) середовища, утворенням плівки (тонка, щільна або рихла, гладенька або складчаста) або осаду (бідний чи суттєвий, щільний, рихлий, слизистий або пластівцевий).
Культуральні ознаки Saccharomyces
Культуральні ознаки – це характер росту мікроорганізмів на живильному середовищі. Мікроби, що виросли на живильному середовищі, називають культурою. Мікроби одного виду – це чиста культура.
З’ясування систематичного положення мікроорганізмів досить складна та клопітка справа, яка включає вивчення цілої сукупності ознак: морфології клітин, характеру росту на різних поживних середовищах, способів отримання енергії, потреб у певних сполуках для конструктивного обміну та ін. Проте, в деяких випадках, достатнім виявляється визначення лише макроморфологічні (культуральні) особливості та форма клітин бактерій. До макроморфологічних особливостей відносять характер росту мікроорганізмів на рідких та твердих поживних середовищах. На поверхні щільного поживного середовища мікроорганізми можуть рости у вигляді окремих колоній, суцільно за штрихом та газоном.
Колонія – це ізольоване скупчення клітин одного виду, які виросли, як правило, з однієї клітини. В залежності від того, де розвинулись клітини розрізняють: поверхневі, глибинні та донні колонії.
Колонії, що розвинулись на поверхні відрізняються великою різноманітністю (Рис. 2.3). При їх описі враховують наступні ознаки:
форму колоній – кругла, амебовидна, неправильна, ризоїдна та інші;
розмір (діаметр) колонії, який вимірюють у мм;
поверхню колонії – гладенька, шершава, борозниста, складчаста, зморщена, із концентричними кільцями та інші;
профіль колонії – плоский, випуклий, кратероподібний, конусовидний та інші;
блискучість та прозорість – колонія блискуча, матова, тьмяна, борошниста, прозора;
колір колонії – незабарвлені (колонії грязно-білого кольору відносять до незабарвлених) або пігментовані: білі, жовті, золотисті, оранжеві, бузкові, червоні, чорні. Окремо звертають увагу на виділення пігменту у середовище.
край колонії – рівний, хвилястий, зубчастий, бахромчастий та інші;
структуру колонії – однорідна, дрібно – або великозернисті, волокнисті та інші. Край та структуру колонії визначають за допомогою лупи;
консистенцію колонії визначають при доторканні до її поверхні петлею. Колонія може легко відділятись від середовища або вростати в агаризоване середовище, бути твердою, м’якою, слизистою, тягучою, крихкою.
Рисунок 2.3 – Форма колоній
а – кругла; б – кругла їз фестончастим краєм; в – кругла з валиком по краю; г, д – розоїдальні; е – з ризоїдальним краєм; є – амебоподібна; ж –
ниткоподіібна; з – складчаста; и – неправильна; і – концентрична; к – складна.
Характерний набір властивостей Saccharomyces cerevisiae ‒ мають комплекс властивостей, що свідчить про їх пристосованості до існування в середовищах, збагачених легкодоступними джерелами вуглецю. Відсутність пігментації, розвинених міцеліальних структур, хламідоспор, слизових капсул, а також здатність до більш-менш інтенсивному бродінню і вузький спектр засвоюваних сполук вуглецю.
5 БІОХІМІЧНА АКТИВНІСТЬ РОДУ Saccharomyces
На біохімічному рівні Saccharomyces відрізняються від інших класів наявністю третього комплексу ферментів синтезу триптофану енергію отримують шляхом зброжування простих цукрів.
Saccharomyces cerevisiae – популярний модельний організм, і тому є одним з найбільш досліджених одноклітинних організмів. Багато даних з клітинної біології, біохімії і генетики еукаріотів було вперше отримано на цих дріжджах. На дріжджових об’єктах виконані перші роботи з радіобіології, відкрита цитоплазматична мінливість, генетична самостійність мітохондрій тощо.
Живлення виключно осмотрофне.
Важливими вторинними метаболітами аскомікотових можуть бути антибіотики, мікотоксини, речовини психотропної дії, речовини – інгібітори розвитку вищих рослин, фітогормони.
Гліколіз перший із відкритих і найбільш досліджений метаболічний шлях. 1897 року брати Ганс та Едуард Бюхнери займались виготовленням безклітинних екстрактів дріжджів для терапевтичного застосування. Очевидно, вони не могли використовувати отруйні для людини антисептики, як фенол, тому спробували поширений у кулінарії консервант – сахарозу.
З’ясувалось, що в дріжджових екстрактах ця речовина швидко зброджувалась до етилового спирту. Так було вперше встановлено, що бродіння може відбуватись поза межами живих клітин.
Важливими «побічними» відкриттями, зробленими завдяки вивченню гліколізу, була розробка багатьох методів очищення ферментів, з’ясування центральної ролі АТФ та інших фосфорильованих сполук у метаболізмі, відкриття коензимів, таких як НАД (нікотинамідаденіндинуклеотид).
Гліколіз є майже універсальним для всіх клітинних організмів шляхом катаболізму глюкози. Ймовірно, він виник на ранніх етапах розвитку життя на Землі, ще до того, як в атмосфері накопичився кисень внаслідок діяльності фотосинтезуючих організмів.
Суміш моносахаридів (глюкози і меншої кількості фруктози та галактози) поглинається епітеліальними клітинами. Перенесення їх через мембрану всередину клітин здійснюється шляхом активного транспорту Nа+- залежною системою (симпорт з Nа+). Глюкоза чи галактоза вбирається проти градієнта концентрації.
Коли ж концентрація моносахаридів у позаклітинному просторі більша за концентрацію у клітинах, всмоктування йде шляхом пасивного транспорту – полегшеною дифузією. Шляхом дифузії за градієнтом концентрації.
Глюкоза (виноградний цукор) широко поширена в природі: міститься в зелених частинах рослин, виноградному соку, насінні, фруктах, ягодах, меді. У чистому вигляді з їжею споживається близько 15–18 г глюкози. Це лише невелика частина глюкози, яка бере участь в метаболічних процесах організму. Глюкоза входить до складу сахарози, крохмалю, клітковина, з якої вона звільняється в процесі гідролізу в травному тракті. ЦНС – головний і спинний мозок – витрачають 140 г (близько 10 столових ложок), а еритроцити крові – близько 40 г глюкози в добу. Глюкоза є основною транспортною формою вуглеводів в організмі еукаріотів.
Відновленою формою глюкози є спирт сорбіт, який знайдений в яблуках, грушах, персиках і деяких овочах. Він підтримує рівень глюкози в крові більш тривалий час, що зменшує вірогідність розвитку гіпоглікемії і ослабляє відчуття голоду. Проте сорбіт може викликати здуття шлунку і пронос, що перешкоджає його широкому використанню в живленні. Сорбіт знайшов застосування як підсолоджувач в жувальній гумці.
Фруктоза (фруктовий цукор, левулоза) у вільному стані міститься в меді, фруктах і ягодах, насінні, зелених частинах рослин. Входить до складу сахарози і високомолекулярного полісахариду інуліну. Фруктоза солодше цукру (сахарози) і знаходить застосування у виробництві напоїв і інших продуктів. У печінці фруктоза перетворюється на глюкозу, а це означає, що використання фруктози хворими діабетом також не може бути безмежним. Фруктоза у меншій мірі викликає розвиток карієсу, чим цукор. Використання фруктози в живленні обмежується економічними міркуваннями, за ціною вона дорожча, ніж цукор, а переваги перед цукром не так вагомі, щоб витіснити цукор.