Структура дрожжевой клетки (морфология и цитология)

Низовые пивоваренные дрожжи (Sacch. carlsbergensis Hansen) - это одноклеточные микроорганизмы чаще всего овальной или круглой формы размером (от 5 до 10) X (от 5 до 13) мкм при соотношении длины к ширине от 1 до 2 (Лодерова). Форма и размер колеблется в зависимости от функции клеток, которая зависит от состава и свойств среды. В среде требуемого состава отдельные расы пивных дрожжей морфологически очень стабильны. Неблагоприятный состав сусла и многократное использование проявляется в потере исходной выравненности дрожжевых клеток в культуре как по форме, так и по размеру. Технологически влияние морфологических изменений вытекает из того, что форма и размеры клеток определяют общую площадь поверхности клеток, которая осуществляет обмен веществ (метаболизм). По Вайнфуртеру [3], средняя поверхность дрожжевой клетки равна приблизительно 150 мкм. При сбраживании 1 гл сусла 0,5 л густых пивных дрожжей на 1 мл сусла приходится около 15 млн. клеток. Из этого вытекает, что общая поверхность дрожжевых клеток, содержащихся в 100 мл сбраживаемого сусла, измеряете приблизительно 22 500 м². При условии четырехкратного размножения дрожжей активная площадь поверхности в стадии завитков возрастает до 90 000 м². Это огромная поверхность обеспечивает обмен веществ дрожжей клеток.

Коцкова-Краткохвилова [4] классифицировала технические расы, соответствующие основной характеристике вида, на четыре группы по отношению длины к ширине (д/ш):

I группа: большие овальные клетки, д/ш равна от 1,2 до 1,6;

II а) группа: среднего размера круглые клетки, д/ш равна от 1Д до 1,2;

II б) группа: среднего размера овальные клетки, д/ш равна от 1,2 до 1,4;

III группа: небольшие клетки, д/ш равна от 1,1 до 1,2.

Последняя группа имеет несколько представителей и малохарактерна для вида дрожжей Sacch. carlsbergensis Hansen. Разница между отдельными группами в целом ограничивает изменчивость внутри вида. Если при оценке устанавливается д/ш больше чем 1,6, речь идет о расе из группы Carlsbergensis в широком смысле.

Дрожжевая клетка состоит из протоплазмы, ядра (nucleus, karyon), клеточной плазмы (цитоплазмы) и оболочки, окружающей всю клетку.

Клеточное ядро вместе с плазмой считается носителем жизни клетки, его деление обеспечивает размножение дрожжей. Оно содержит хромосомы, состоящие из ген, которые определяют основные наследственные свойства.

Ядро дрожжей круглое диаметром от 1,7 до 1,8 мкм. Оно жидкое и при определенных условиях приобретает особую структуру (reticulum). Микроскопически ядро видимо только после окрашивания с помощью особой техники. В качестве основного составляющего оно содержит нуклеопротеины, преимущественно дезоксирибонуклеиновую кислоту. Окрашивающимся компонентом ядра является хроматин (кариотин). Пространство между телами хроматина заполняется ядерной плазмой (кариоплазмой).

Клеточная плазма - это коллоидный раствор преимущественно белкового характера со значительным содержанием воды, заполняющий все пространство клетки. При 50-60°С плазма коагулирует и клетка умирает (Хансен).

Плазма не гомогенна; ее структуру (крупнозернистая, мелкозернистая, неопределенная) определяет присутствие других неживых веществ, содержащихся в собственно плазменном веществе в виде зерен, тел, волокон, полостей и т. д. Эти структурные части плазмы частично видны при обычном микроскопировании в пропускаемом свете (вакуоли, жировые капли), другие - после окрашивания (зерна гликогена, волутина и т. д.) или при наблюдении с помощью фазового контраста (митохондрия, сферозомы).

Вакуоли - это полости, образующиеся в плазме при старении клеток; они заполнены жидкостью и ограничены тонопластом, т. е. слоем из белков и липоидов. В жидком содержимом вакуолей имеются электролиты, белки, жиры, сахариды, волутин и некоторые окислительно-восстановительные ферменты.

Гликоген (полисахарид структурно подобный амилопектину) это резервное вещество, которое собирается в молодых клетках при хороших условиях питания. При наиболее интенсивном развитии дрожжевые клетки могут содержат до 20% (по другим данным до 39%) гликогена. В стареющих и старых клетках его мало. Для определения физиологического состояния дрожжевых клеток микроскопически определяется содержание гликогена путем окрашивания.

Волутин (метахроматин), по представлению Мейера (1904), - это кислое или насыщенное соединение нуклеиновой кислоты с основанием, оно содержит также азот и фосфор. Мейер предполагает, что волутин (резервное вещество дрожжей) - это вакуолярный коллоид полифосфатного характера, образующий зернышки легкоокрашиваемые, например, метиленовым синим в темно-синий цвет, иногда в фиолетовый почти красный. Роль волутина в дрожжевых клетках до сих пор не ясна.

Волутин накапливается в дрожжах при брожении и его содержание зависит главным образом от содержания фосфора в сусле. В среде без фосфорных соединений дрожжевые клетки утрачивают волутин. Клетки с высоким содержанием волутина имеют более высокую сбраживающую способность.

Жир присутствует в дрожжевой плазме в виде мелких капелек, резко преломляющих свет. В дрожжах жир содержится, с одной стороны, как запасное вещество, образующееся из белков или сахаридов, с другой - как жир дегенеративный, который появляется в старых клетках.

Митохондрии (хондриозомы) образуют в плазме системы изменяемой формы, слабопреломляющие свет, заметные только при применении фазового контраста. Они играют большую роль в образовании клеточных ферментов.

Другие структурные образования плазм, которые отличаются от митохондрий лишь при окрашивании янусовой зеленью, Баутцова [5] назвала сферозомами. Было высказано предположение, что речь идет только о другой стадии развития того же самого клеточного органа.

Клеточная оболочка образует внешнюю оболочку клетки. Она прозрачна, эластична и приспосабливается к содержимому клетки. При старении клетки и потери ей запасных веществ клеточная оболочка сморщивается. Исследования показывают, что она состоит главным образом из разных полисахаридов и содержит каучукообразные вещества и немного хитина. Клеточная оболочка состоит из нескольких слоев различной толщины. Слизистая поверхность влияет на флокуляцию дрожжевых клеток. Важным свойством внутреннего слоя клеточной оболочки является ее проницаемость (Semipermeabilita), т. е. способность пропускать в обоих направлениях только определенные вещества (продукты 268 питания клетки и продукты метаболизма). Функции клеточной оболочки зивисят от физиологического состояния клетки. Изменением проницаемости клеточной оболочки регулируются метаболические процессы в клетке. На это влияют также внешние изменения.

Оболочки мертвых клеток легко пропускают некоторые красители, которыми окрашивается клеточная плазма. Оболочки живых клеток не пропускают красители. Окраска метиленовой синей используется для микроскопического определения числа мертвых клеток в технических культурах пивных дрожжей.

Дрожжевую клетку всегда следует рассматривать как целое. Функциональные отношения между клеточным ядром, плазмой и оболочкой очень сложны и до сих пор полностью не объяснены.