Материал: Меледина Т.В., Давыденко С.Г. Дрожжи Saccharomyces cerevisiae. Морфология, химический состав, метаболизм

При оптимальных условиях роста число слоев – три, но иногда их количество увеличивается в основном за счет глюканового слоя, толщина которого может возрасти с 20 до 200 нм, и клеточная стенка утолщается. Возникновение почки происходит быстрее в тех клетках, которые содержат больше маннана. При увеличении доли глюкана в КС последняя становится менее эластичной и образование почки затрудняется. От соотношения между глюканом и маннаном зависит форма клеток (при увеличении содержания глюкана наблюдается удлинение клетки). Возраст клетки, условия культивирования могут существенно повлиять на соотношение между этими компонентами. Например, при отсутствии инозитола (витамина В8) клеточная оболочка содержит меньше маннана, белка и фосфора, но больше глюкана и глюкозамина, чем в нормальных условиях культивирования.

На долю клеточной стенки приходится от 6 до 25 % сухой массы клетки. Химический анализ клеточной стенки показывает, что она состоит в основном из глюкана и маннана; наряду с этими компонентами в стенке присутствуют хитин и белок.

В пересчете на сухие вещества (% СВ) клеточные стенки хлебопекарных дрожжей в среднем содержат: глюкана – 29, маннана – 31, белков – от 6 до 13 %, липидов – от 2 до 9, хитина – от 3 до 5 %, минеральных веществ – 3 %. Почечные рубцы, изолированные из клеточных оболочек дрожжей, содержат около 85 % маннозы, 4 % глюкозы и 2,7 % глюкозамина. В рубцах и примыкающих к ним зонах, кроме того, локализуется хитин.

3.1.1. ГЛЮКАН

Глюкан – это сложный полимер глюкозы (молекулы глюкозы соединены между собой β-1,6 и β-1,3 связями), располагающийся во внутреннем слое клеточной стенки, прилежащем к плазмалемме, или клеточной мембране. Глюкан — основной структурный компонент клеточной стенки, поскольку при его удалении она полностью разрушается.

Стенки сахаромицетов содержат, по крайней мере, три типа β-глюкановых полимеров, молекулярная масса которых составляет около 250 кДа (табл. 3.1). Соотношение между фракциями зависит от условий культивирования.

11

Таблица 3.1

Глюканы клеточной стенки

Синтез глюкана практически заканчивается с завершением формирования почки. При этом участвует фермент глюкансинтаза. Она в малоили неактивной форме доставляется в везикулах к плазмолемме, где активируется и синтезирует полисахарид.

Установлено, что синтез глюкана, так же как и маннана, зависит от условий культивирования: режима подачи углеводного и азотного питания, температуры культивирования, аэрации и т.п.

3.1.2. МАННАН

Маннан – разветвленный полимер маннозы, находится главным образом во внешних слоях клеточной стенки. Маннозные звенья в маннане соединены между собой α -1,6 связями, а боковые ответвления образованы за счет α-1,2 и α-1,3 связей. Удаление маннана не изменяет общую форму клетки.

Третий углеводный компонент стенки, хитин, представляет собой полимер N-ацетилглюкозамина; он обнаруживается в участках клеточной стенки, ассоциированных с дочерними шрамами. В свою очередь глюканы и хитин образуют каркас, придающий КС необходимую форму. Известно, что рецепторами киллер-токсинов являются β-1-6-глюканы.

Белок составляет 10 % сухого веса клеточной стенки. Между глюканом и маннаном находятся структурные белки, связанные с по-

12

лисахаридами дисульфидными мостиками, содержание которых варьирует в зависимости от условий культивирования и физиологического состояния дрожжей. Эти белки образуют на поверхности КС осмиофильный белковый слой толщиной до 10 нм.

Часть белка клеточных стенок связана с ферментами. В основном это маннанопротеины, которые содержат в качестве составной части молекулы до 50 % маннана. Также имеется небольшое количество глюканопротеинов.

Роль маннанопротеинов (МП) заключается в следующем:

1.Они выполняют функции рецепторов, воспринимающих многочисленные сигналы, поступающие в клетку из среды.

2.Участвуют в осуществлении контактов между организмами (входят в состав аглютининов).

3.Определяют иммунологические свойства дрожжей.

4.Многие из ферментов, находящихся в КС и периплазматическом пространстве, представляют собой маннанопротеины (инвертаза, кислая фосфатаза, аспарагиназа, β-глюканаза, α-галактозидаза, хитиназа и др., всего их около 18).

5.На ранних стадиях своего созревания входят в состав киллертоксинов и феромонов.

6.Связаны с процессами полового размножения дрожжей.

7.МП, располагающиеся на поверхности клеточной стенки, являются цементирующими компонентами, связывающими остальные составные части КС в единую структуру.

Биосинтез МП протекает в различных клеточных структурах. Он начинается в эндоплазматическом ретикуле (ЭПР), продолжается в мембранных структурах типа аппарата Гольджи и секреторных везикулах, а завершается в цитоплазматической мембране (ЦПМ). При слиянии везикул с плазмолеммой важную роль играют такие элемен-

ты, как Ca, Mg, Mn.

Из ферментов, в состав которых входят гликопротеины, следует обратить внимание на инвертазу, кислую фосфатазу и трегалазу. Эти ферменты находятся как в КС, так и в периплазматическом пространстве (ППП) и могут секретироваться дрожжевыми клетками наружу в окружающую среду.

Инвертаза, или фосфофруктозидаза, гидролизует сахарозу – основной углевод мелассы – на глюкозу и фруктозу.

13

Известны щелочная и кислая фосфатазы. Максимальная активность наблюдается именно у кислой фосфатазы, так как процессы жизнедеятельности дрожжей в бродильных производствах происходят при рН менее 5,5, в то время как оптимум рН для щелочной фосфатазы составляет 7,0. Кислая фосфатаза гидролизует различные эфирные связи фосфорной кислоты, в частности освобождая ортофосфат из молекул АТФ. Дрожжи имеют две основные формы кислой фосфатазы – репрессируемую, синтез которой ингибируется ортофосфатом среды, и конститутивную, ее уровень не зависит от концентрации РО4-3 в питательной среде.

Трегалаза – фермент, гидролизующий запасной дисахарид трегалозу с образованием двух гликозидных остатков.

3.1.3. ХИТИН

Хитин – линейный полисахарид, построенный из остатков N-ацетилглюкозамина, соединенных между собой β-1,4 связями. Хитиновые цепи упакованы в фибриллы, нерастворимые в воде. Он выполняет функцию целлюлозы, которая входит в состав клеточных стенок растений. Отличие заключается в том, что гидроксильные группы при втором углеводном атоме остатков глюкозы замещены на ацетилированные аминогруппы.

Содержание хитина зависит от вида дрожжей и условий культивирования. Локализован он исключительно в первичной септе (перегородке), образующейся при делении клетки, и только около 10 % хитина распределяется по поверхности дрожжей.

Возникновение почки начинается с образования хитинового кольца, которое затем разрастается, образуя септу. Хитин первичной септы окружен другими углеводами – β-глюканом и маннанопротеином, составляющими вторичную септу. Хитин синтезируется из Г-6-Ф при участии хитинсинтазы. Биосинтез хитина не только сконцентрирован в определенном месте на поверхности клетки, но и осуществляется в определенный период клеточного цикла, включающий возникновение и формирование почки. Скорость синтеза хитина возрастает у клетки, достигшей 25 % от размера материнской, а затем падает.

Хитинсинтаза (ХС) в клетках находится в двух формах – неактивной, или малоактивной (зимогенной), и высокоактивной. Кофак-

14

торами фермента являются Mg, Mn, Co. Почти вся хитинсинтаза находится у сахаромицетов в плазмолемме (2/3). Небольшая активность проявляется в клеточных мембранах, в том числе мембранах эндоплазматического ретикулума (ЭПР). Синтез фермента находится под строгим метаболическим контролем. Контроль осуществляется как на субстратном, так и на энергетическом уровнях. Высокие концентрации АТФ в клетке на первых этапах цикла почкования стимулируют ХС и начало синтеза хитина.

У дрожжей найдены специальные образования (органеллы) – хитосомы, содержащие хитинсинтазу в зимогенной форме. Предполагается, что хитосомы транспортируют фермент от места его синтеза, который осуществляется в ЭПР, в цитоплазматическую мембрану

(ЦПМ).

3.1.4.ЗАПАСНЫЕ ВЕЩЕСТВА КЛЕТОЧНОЙ ОБОЛОЧКИ

Вклеточной стенке содержится некоторое количество свободных аминокислот, гликогена и полифосфатов, поэтому ее можно рассматривать как специальный компартмент, где клетка сосредоточивает в полимерной форме в качестве резерва полисахариды и активизированные полифосфаты. Гликоген используется дрожжами как запасной углевод.

Неорганические полифосфаты представляют собой линейный полимер, в котором остатки ортофосфорной кислоты соединены макроэргическими фосфоангидридными связями. При гидролизе этих связей высвобождается столько же энергии, сколько при отщеплении

Рот АТФ. Высокомолекулярные полифосфаты участвуют при росте дрожжей в анаэробных условиях в транспорте сахаров через ПМ. Это легко утилизируемый резерв фосфора и энергии. Наибольшее содержание ПФ приходится на клеточную мембрану.

3.2. ПЕРИПЛАЗМАТИЧЕСКОЕ ПРОСТРАНСТВО (ПЕРИПЛАЗМА)

Периплазматическое пространство (ППП) находится между клеточной стенкой и цитоплазматической мембраной. Это активно функционирующая область органоидного типа.

15