Строение и состав дрожжевой клетки

Дрожжи применяют в пивоварении в виде густой массы, состоящей из миллиардов дрожжевых клеток, существующих независимо друг от друга. Эти клетки имеют форму от овальной до круглой, длину – от 8 до 10 мкм и ширину от 5 до 7 мкм (рис. 1.21).

Дрожжевая клетка состоит примерно на 75% из воды. Сухое вещество имеет состав, изменяющийся в определенных пределах, а именно:

белковые вещества	от 40 до 60%
углеводы	от 25 до 35%
Жиры (липиды)	от 4 до 7%
минеральные вещества	от 6 до 9%

Минеральные вещества состоят из (на 100 г СВ, приблизительно):

2000 мг	фосфатов
2400 мг	калия
200 мг	натрия
20 мг	кальция
2 мг	магния
7 мг	цинка и следов железа, марганца и меди

Кроме того, дрожжи содержат ряд витаминов, среди которых:

· тиамин (B₁) 8-15 мг на 100 г СВ дрожжей;

· рибофлавин 2-8 мг;

· никотиновая кислота 30-100 мг;

· фолиевая кислота 2-10 мг;

· пантотеновая кислота 2-20 мг;

· пиридоксин 3-10 мг;

· биотип 0,1-1 мг.

Каждая дрожжевая клетка (рис. 1.21а) состоит из клеточной плазмы (цитоплазма, цитозол) (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) - управляющий центр клетки (10). Оно окружено двойной пористой мембраной ядра, замкнутой, но пористой.

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.

Дрожжевая клетка содержит большое количество митохондрий (5). Митохондрии получают пируват (см. раздел 4.1.2.1.1), образующийся в цитоплазме, и разлагают его в процессе дыхания на СО₂ и воду путем сложных ступенчатых превращений. При этом образуется аденозинтрифосфат (АТФ) и аденозиндифосфат (АДФ) (см. об этом подробнее разд. 4,1.2.1.2), которые представляют собой весьма важные 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 таким образом к клеточной мембране и выносится наружу.

За переработку отходов клетки отвечают лизосомы, которые обеспечивают внутриклеточное пищеварение и разлагают высокомолекулярные структуры в низкомолекулярные. Рибосомы синтезируют протеин и распределяют его в клетке. Тем самым они отвечают за «поточное производство», заключающееся в соединении аминокислоте образованием ироду ктов 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. Эндоплазматическая сеть осуществляет интенсивное производство этих мембран.

Важными структурными элементами клеточных мембран являются фосфолипиды. Они обладают весьма типичной структурой, имеющей значение для их функционирования:

Соответственно 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 (рис. 1.22) обусловливает два взаимно противоположных свойства структуры: в то время, как глицериновый остаток с фосфором и аминокислотным остатком (показанным на рис. 1.22 в виде шариков) 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. По такому образцу построены все клеточные мембраны в животном и растительном мире.

Хотя клеточная мембрана дрожжевой клетки обладает толщиной 6 им и составляет всего 1/1000 клеточного диаметра, не следует забывать, что она окружает не только весь объем дрожжевой клетки, но и образует мембраны вокруг клеточных органелл и разделяет отдельные области клетки. Поверхность дрожжевой клетки составляет порядка 150 мкм², 10 г спрессованных дрожжей имеют контактную поверхность около 9-10 м².

Следует подчеркнуть, что при размножении дрожжей необходима очень высокая интенсивность синтеза жирных кислот, так как дрожжевая клетка должна заново построить клеточную субстанцию, объем которой в 4-5 раз превышает ее собственный объем. О каком количестве молекул идет речь, можно представить, если мысленно увеличить клетку до размера в 1 м: тогда клеточная мембрана имела бы толщину лишь 1 мм!

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 (например, сахаров, аминокислот и жирных кислот, минеральных веществ) происходит избирательно через нерастворимые транспортные протеины, находящиеся в мембране (рис. 1.21а, 3) и пропускающие совершенно определенные вещества или группы веществ. Выделение наружу продуктов распада или ядов, например, образованного спирта, происходит через мембрану при помощи так называемой везикулы Гольджи.

К внешней поверхности клеточной мембраны прикреплены гликолизированные полисахаридные остатки (гликокаликс) (рис. 1.22а).

Они на 30-40% состоят 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 образовании играет большую роль.

На внутренней и внешней стороне мембраны находятся периферийные протеины (см. рис. 1.22а), на внутренней стороне расположен еще слой трегалозы (рис. 1.22, 4).

Совокупность оболочки, состоящей из клеточной мембраны, прикрепленных слоев и гликолизированных остатков (гликокаликса) называется стенкой клетки.

На рис. 1.22б еще раз представлено строение клеточной мембраны из фосфолипидов, на этот раз в объемном изображении. Присоединенные транспортные протеины в состоянии обеспечить прохождение через мембрану только специфических для данных протеинов соединений (мальтозы, пептидов и других соединений).

Цитоплазма (цитозол), занимающая более 50% объема клетки, является важнейшей частью ее внутреннего содержимого. Это центральное реакционное пространство клетки, в котором располагается большинство путей обмена веществ при расщеплении питательных компонентов и при построении собственных элементов клетки. Весь промежуточный обмен веществ - гликолиз (см. п. 4.1.2.1), синтез жирных кислот, биосинтез протеинов и многое другое протекает здесь в своем многообразии параллельно друг другу. В водной среде движутся рибосомы, ферменты и продукты расщепления - близко друг от друга в мощных потоках среды.

При избытке питательных веществ, например, после начала брожения, дрожжевая клетка запасает резервные вещества. Так, содержание гликогена, резервного углевода, может возрасти на более чем 30% от содержания СВ дрожжей, он помещается в аккумулирующих гранулах, расположенных в цитоплазме. Точно так же, как фосфаты и липиды, которые требуются дрожжам для построения новых веществ клетки, откладывается трегалоза (дисахарид).

Зачастую в клетке можно обнаружить наполненные кислым клеточным соком и окруженные мембраной пространства - так называемые вакуоли. Здесь откладываются определенные протеины и избыточные соли, частично - в виде кристаллов. 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.

Дрожжевая клетка размножается путем почкования. После отделения дочерней клетки на материнской клетке остается почечный рубец (рис. 1.21а, 4). По числу рубцов (от 4 до 6) можно узнать возраст клетки.