Кисты
Увеличение числа митохондрий. Материнские клетки дрожжей жертвуют всем ради своего потомства

Увеличение числа митохондрий. Материнские клетки дрожжей жертвуют всем ради своего потомства

Дожжевая клетка имеет все основные структуры, которые присущи любой эукариотической клетке, но в то же время она обладает особенностями, свойственными грибам, а именно, сочетанием признаков как растительной, так и животной клеток: клеточная стенка у них ригидная, как у растений, но в клетке отсутствуют хлоропласты и накапливается гликоген, как у животных.

Компоненты дрожжевой клетки

Ядро

В дрожжевой клетке в фазе между делениями всегда имеется только одно ядро. В световом микроскопе его можно увидеть после специальной окраски или с помощью фазово-контрастного устройства при высоких разрешениях. На электронно-микроскопических снимках ультратонких срезов дрожжевых клеток ядро выглядит как более или менее округлая органелла, окруженная двойной мембраной. В ней есть поры в виде округлых сквозных отверстий, которые образуются в результате слияния двух ядерных мембран. Однако ядерные поры - не просто отверстия, они заполнены сложноорганизованными структурами, которые называют комплексом пор ядра. Считается, что основная функция ядерных пор - транспорт готовых рибосомных субъединиц в цитоплазму. Ядерная оболочка многофункциональна, но в основном играет роль барьера, отделяющего содержимое ядра и регулирующего транспорт макромолекул между ядром и цитоплазмой. Основные функциональные единицы ядра - молекулы ДНК, несущие основную генетическую информацию о клетке. ДНК составляет основную часть хроматина - основного компонента ядра. Число хромосом в ядре разных видов дрожжей может быть различным, оно колеблется от 2 до 16.

Митохондрии

В митохондриях имеется собственная митохондриальная ДНК (мДНК), а также весь аппарат белкового синтеза, включая матричную РНК и 70S рибосомы (в отличие от 80S рибосом в цитоплазме). мДНК у дрожжей составляет 5-20% от всей ДНК клетки. Число митохондрий в одной дрожжевой клетке варьирует в пределах 1-20 в разные периоды роста и в зависимости от условий. Как правило, 1-2 митохондрии в клетке более крупные, чем остальные и имеют разветвленную форму. Реконструкция ультратонких срезов клетки позволяет предположить, что в некоторых случаях (в подготовительный период почкования) клетка содержит всего одну вытянутую и сильно разветвленную митохондрию. Митохондрии способны к самовоспроизведению.

Цитоплазаматическая мембрана

На поперечном срезе под электронным микроскопом мембрана у дрожжей выглядит как трехслойная структура. Она представляет собой два слоя фосфолипидов, в которые погружены белковые молекулы, то есть построена по общему для всех клеточных мембран принципу. Однако, имеются различия, касающиеся химического состава. У Saccharomyces cerevisiae основными фосфолипидами мембран являются лецитин, фосфатидилэтаноламин и фосфатидилсерин. На их долю приходится около 90% всех липидов мембраны. В состав мембраны дрожжей входят стероиды - эргостерол, зимостерол и др. Белки представлены в основном ферментами, которые участвуют в трансмембранном переносе веществ, расщеплении полисахаридов и синтезе внеклеточных структур. . Функции цитоплазматической мембраны многообразны: регуляция биосинтеза клеточной стенки, активный транспорт транспорт в клетку специфических молекул органических веществ, транспорт ионов K + и Na + и др.

Вакуоли

В фазово-контрастном микроскопе в клетках дрожжей хорошо видны светлые и прозрачные структуры круглой формы. Это вакуоли (см. приложение 3). Обычно их 1-3 в клетке. Каждая вакуоль окружена одинарной мембраной и содержит различные ферменты, липиды, низкомолекулярные продукты метаболизма (аминокислоты), ионы металлов. В вакуолях сосредоточена большая часть ионов калия. Иногда в вакуоли видны «пляшущие» за счет броуновского движения плотные гранулы. Это так называемые метахроматические гранулы, «пляшущие тельца» (dancing bodies), или волютин. Гранулы эти состоят из полимеризованных остатков фосфатов, а по периферии они покрыты комплексными соединениями из РНК, белков и липидов. Волютин - это резерв полифосфатов в клетке. Основная функция вакуолей - разобщение процессов синтеза и распада белков и нуклеиновых кислот. Они выполняют также роль депо для хранения некоторых запасных веществ и ферментов, участвуют в регуляции тургорного давления. Также в клетке присутствуют: клеточная стенка, которая защищает протопласт от осмотического разрыва и придает клетке определенную форму; капсула (слизистый полисахаридный чехол вокруг клетки), цитоплазма и липиды.

Компоненты дрожжевой клетки

Ядро

Митохондрии

Цитоплазаматическая мембрана

Вакуоли

В фазово-контрастном микроскопе в клетках дрожжей хорошо видны светлые и прозрачные структуры круглой формы. Это вакуоли. Обычно их 1-3 в клетке. Каждая вакуоль окружена одинарной мембраной и содержит различные ферменты, липиды, низкомолекулярные продукты метаболизма (аминокислоты), ионы металлов. В вакуолях сосредоточена большая часть ионов калия.

Иногда в вакуоли видны «пляшущие» за счет броуновского движения плотные гранулы. Это так называемые метахроматические гранулы, «пляшущие тельца» (dancing bodies), или волютин. Гранулы эти состоят из полимеризованных остатков фосфатов, а по периферии они покрыты комплексными соединениями из РНК, белков и липидов.

Волютин - это резерв полифосфатов в клетке. Основная функция вакуолей - разобщение процессов синтеза и распада белков и нуклеиновых кислот. Они выполняют также роль депо для хранения некоторых запасных веществ и ферментов, участвуют в регуляции тургорного давления. Также в клетке присутствуют: клеточная стенка, которая защищает протопласт от осмотического разрыва и придает клетке определенную форму; капсула (слизистый полисахаридный чехол вокруг клетки), цитоплазма и липиды.

В митохондриальной ДНК дрожжей обнаружено только 2 гена рибосомальной РНК и только 1 ген рибосомальных белков. Этот белок расположен в малой субъединице рибосомы. Ген рибосомального белка достаточно вариабелен по размерам даже у разных штаммов, за что и получил название вариабельного (Var l). Остальные белки и РНК митохондриальных рибосом кодируются ядерными генами. 24 гена транспортной РНК обеспечивают транспорт всех аминокислот к месту синтеза белка и только одна транспортная РНК, транспортирующая лизин, импортируется из цитоплазмы и кодируется ядром. Все транспортные РНК митохондрий дрожжей кодируются одной и той же нитью ДНК и только одна из них -- противоположной нитью. Ни один из генов транспортной ДНК не имеет интронов. Гены белков цитохрома b и гены белков цитохрома С могут иметь множество интронов -- от 5 до 9.

Из приведенных данных следует, что кодируемых митохондриальным геномом дрожжей структурных белков явно недостаточно для функционирования этих органелл и большая часть из них кодируется ядерным геномом.

Характерные черты организации и экспрессии митохондриального генома грибов:

1. значительное разнообразие в наборах и расположении митохондриальных генов у различных видов;

большое разнообразие способов организации генетического материала - от компактной организации генома до свободного распределения генов по мтДНК при протяжённых некодирующих последовательностях между генами;

3. мозаичное строение ряда генов;
4. значительные внутривидовые вариации размеров мтДНК, связанные с наличием "необязательных" интронов;
5. способность отдельных сегментов мтДНК к выщеплению и амплификации с образованием дефектного митохондриального генома;
6. наличие одного или нескольких ORI, в каждом из которых репликация инициируется двунаправлено;
7. расположение всех митохондриальных генов на одной нити мтДНК и асимметричная транскрипция мтДНК;
8. множественность транскрипционных единиц мтДНК;
9. разнообразие сигналов процессинга первичных транскриптов, в качестве которых могут использоваться и тРНК, и олигонуклеотидные блоки другого типа - в зависимости от вида;
10. в большинстве случаев мРНК содержат протяжённые концевые некодирующие последовательности.

Наиболее сложная организация митохондриального генома у высших растений. У них митохондриальный геном представляет собой набор суперскрученных двуцепочечных кольцевых и/или линейных молекул. Все последовательности митохондриального генома могут быть организованы в одну крупную кольцевую «хромосому», а наблюдаемые различные размерные классы митохондриальных ДНК, скорее всего, являются результатом рекомбинационных процессов. По крайней мере, на шпинате, видах двух родов Brassica и Raphanus , сахарной свекле и пшенице было показано, что причина такой диспергированности митохондриального генома заключается в рекомбинации гомологичных участков митохондриальной ДНК. Благодаря наличию прямо ориентированных двух-трех семейств повторов размером от 1 до 14 т.п.н., молекулы митохондриальной ДНК способны к активным меж- и внутригеномным перестройкам. В результате таких перестроек митохондриальная ДНК может присутствовать в виде молекул различного размерного класса.

Так, например, у крестоцветного Brassica campestris митохондриальная ДНК присутствует в виде кольцевых молекул трех типов. Первый тип содержит полный геном -- 218 т.п.н., второй - 135 и третий -- 83 т.п.н. Субгеномные кольца образуются в результате рекомбинации геномных колец, имеющих пару прямых повторов длиной 2 т.п.н.

У пшеницы размер митохондриального генома значительно больше -- 430 т.п.н., и имеется более 10 прямых рекомбинационных повторов, в результате при электронно-микроскопическом наблюдении удается увидеть множество колец различного размера, но никто не наблюдал одну большую кольцевую молекулу, возможно, в этом состоянии митохондриальный геном пшеницы никогда и не присутствует. У мха маршанции и другого крестоцветного Brassica hirta прямые рекомбинационные повторы отсутствуют и, возможно, именно поэтому митохондриальная ДНК находиться в виде кольцевых молекул одного размерного класса. Однако для митохондриальной ДНК высших растений это скорее исключение, чем правило. У большинства высших растений в митохондриальном геноме присутствуют как рекомбинационные повторы, так и молекулы митохондриальной ДНК различного размерного класса.

Количество молекул одного размерного класса может различаться очень значительно в различных тканях растения, в зависимости от состояния растений и условий окружающей среды. Отмечено изменение численных соотношений молекул митохондриальной ДНК разного размерного класса при культивировании растений in vivo и in vitro . Возможно, изменение численных отношений между молекулами различных размерных классов отражает адаптивность растений путем повышенной амплификации нужных генов.

Кроме того, в митохондриальной геноме могут присутствовать и плазмиды как линейные, так и кольцевые, как с ДНК-ми, так и РНК-ми последовательностями, размером от 1 до 30 т.п.н. Митохондриальные плазмиды, вероятно, произошли от других клеточных геномов или даже других организмов. Иногда их наличие или отсутствие удается связать с цитоплазматической мужской стерильностью растений, но, правда, не всегда. Плазмиды у некоторых видов присутствуют, а стерильности не наблюдается. По крайней мере, в одном случае достаточно четко продемонстрировано, что в митохондриях линий с так называемым S-типом стерильности кукурузы обнаружена корреляция между присутствием плазмидоподобной митохондриальной ДНК и проявлением феномена цитоплазматической мужской стерильности. Была отмечена способность митохондриальных плазмид встраиваться, как в геном митохондрий, так и в хромосомы ядра. Однако, в других случаях присутствие плазмидной ДНК не всегда вызывает стерильность пыльцы.

Размер митохондриального генома растений наиболее вариабелен -- от 200 до 2500 т.п.н. Размер митохондриального генома высших растений больше, чем размер их хлоропластного генома.

Значительное варьирование размеров митохондриального генома является второй особенностью митохондриального генома растений. Геном не только очень велик, но и может быть различным, даже у близкородственных видов, причем в одних случаях может наблюдаться низкая вариабельность -- виды рода Brassica , в других -- очень большая. Самая высокая вариабельность размеров наблюдается у тыквенных. В пределах этого семейства размер митохондриального генома наиболее изменчив -- от 330 т.п.н. у арбуза до 2500 т.п.н. у дыни. Поэтому доля митохондриальной ДНК в общем объеме генома растений также может значительно изменяться -- порядка 1 % у большинства растений, до 15 % в клетках гипокотиля дыни.

Наличие у митохондриальных геномов больших размеров пытаются объяснить различными причинами.

Наличие дополнительных генов или особых последовательностей, необходимых для функционирования митохондрий.

Присутствие ДНК, которая используется растением, но не в качестве кодирующей, а какой-то другой функции.

ДНК, которая не используется для функционирования митохондрий, так называемая «эгоистичная» ДНК.

По-видимому, существует еще одна возможность для увеличения размеров митохондриального генома -- это последовательности, гомологичные ядерной и хлоропластной ДНК. Последовательности, гомологичные ядерной ДНК, например, у арабидопсис составляют до 5 % митохондриального генома. Первоначально последовательность хлоропластного генома, инкорпорированная в митохондриальный, была обнаружена у кукурузы. Она включала участок около 14 т.п.н., содержащий измененные хлоропластные гены 16S-рибосомальной РНК и участок большой субъединицы РДФК/О. Впоследствии хлоропластные вставки были обнаружены в митохондриальном геноме многих видов высших растений. Обычно, они составляют 1 -- 2 % от митохондриальных последовательностей и включают три главные последовательности.

Последовательность длиной 12 т.п.о. из обратного повтора хлоропластной ДНК. Она содержит последовательности для 3" экзона четырех транспортных РНК и последовательность 16 S рибосомальной РНК.

Последовательность длиной от 1,9 до 2,7 т.п.н., которая полностью кодирует большую субъединицу РБФК/О.

Последовательность длиной не более 2 т.п.о. В хлоропластом геноме этот участок кодирует 3" -- конец 23S-pибоcoмальной РНК, 4,5S- и 5S-pPHK, а также три транспортные РНК. Из всех последовательностей хлоропластного генома, которые присутствуют в митохондриальном геноме растений, только последовательности транспортной РНК действительно транскрибируются.

Поскольку у многих видов растений в митохондриальном геноме присутствуют одни и те же хлоропластные последовательности, можно предположить, что они имеют какое-либо функциональное значение. В то же время их роль, механизм переноса и время этого переноса остаются неизвестными. Произошел ли этот перенос в отдаленное в эволюции время становления эукариотической клетки или же наличие хлоропластных вставок в митохондриальном геноме свидетельствует о том, что это нормальный процесс обмена информации между органеллами, происходящий и сейчас, либо он происходит периодически в относительно недавнем эволюционном времени становления конкретных видов и родов растений?

Кроме того, часть последовательностей митохондриального генома представляет собой последовательности, гомологичные вирусным.

Для установления числа генов в геноме митохондрий растений, которые действительно функционируют, рядом исследователей было определено количество продуктов трансляции. Было показано, что число обнаруживаемых белковых полос было одинаковым даже для растений с 10-кратными различиями по величине генома. Хотя использованные методы и не дают прямого ответа на вопрос об общем числе генов митохондриального генома, тем не менее, интересно, что одно и то же число продуктов трансляции было выявлено у анализируемых видов покрытосеменных и было близко к числу генов, кодирующих белки у митохондрий животных и дрожжей.

Впервые полная нуклеотидная последовательность митохондриальной ДНК у растений была определена в 1986 г. у одного вида -- маршанции (Marchantia polymorpha ), а позже у арабидопсиса и у нескольких видов водорослей.

Молекула митохондриальной ДНК у маршанции имеет размер 186 608 п.н. Она кодирует гены 3 рРНК, 29 генов для 27 тРНК и 30 генов известных функциональных белков (16 рибосомальных белков, 3 субъединицы цитохром С оксидазы, цитохрома b, 4 субъединицы АТФ-синтетазы и 9 субъединиц НАДН-дегидрогеназы). Геном также содержит 32 неидентифицированные открытые рамки считывания. Кроме того, обнаружено 32 интрона, расположенных в 16 генах. У разных растений количество генов того или иного комплекса может варьировать, поскольку один или более генов этого комплекса могут быть перенесены в ядро. Среди неидентифицированных генов, по крайней мере, 10 постоянно встречаются практически у всех видов растений, что свидетельствует о важности их функций.

Число митохондриальных генов, кодирующих транспортные РНК митохондрий растений, в значительной степени изменчиво. У многих видов собственных митохондриальных транспортных РНК явно недостаточно, и поэтому они экспортируются из цитоплазмы (кодируются ядром или пластидным геномом). Так, например, у арабидопсиса 12 транспортных РНК имеют митохондриальное кодирование, 6 -- хлоропластное и 13 -- ядерное; у маршанции 29 -- митохондриальное и 2 -- ядерное, и ни одна из транспортных РНК не имеет хлоропластного кодирования; у картофеля 25 -- митохондриальное, 5 -- хлоропластное и 11 -- ядерное; у пшеницы, 9 -- митохондриальное, 6 -- хлоропластное и 3 -- ядерное (табл. 3).

В отличие от митохондриальной ДНК животных и хлоропластных генов, гены митохондриальной ДНК растений дисперсно распределены в геноме. Это касается как генов, кодирующих транспортные РНК, так и генов, кодирующих белки.

Таблица 3

Природа митохондриальных транспортных РНК у растений

Как и геном митохондрий грибов, геном митохондрий растений имеет интроны, которых не имеют геномы митохондрий животных.

У некоторых видов ряд генов в геноме продублирован. Так, у кукурузы и кормовых бобов гены рРНК не повторены, а у пшеницы они повторены несколько раз. Гены, кодирующие белки митохондрий, также могут быть повторены в их геноме.

Естественно, что митохондрии так же, как и хлоропласты, содержат гораздо больше белков-ферментов, чем их геном генов. И, следовательно, большинство белков контролируются ядерным геномом, собираются в цитоплазме на цитоплазматических, а не на митохондриальных рибосомах и транспортируются в митохондриальные мембраны.

Таким образом, митохондриальный геном растений представляет собой крайне изменчивую по структуре, но достаточно стабильную по числу генов систему. В отличие от компактного генома хлоропластов, в митохондриальном геноме растений гены составляют менее 20 % генома. Увеличение генома митохондрий по сравнению с грибами или животными вызвано наличием интронов, различных повторяющихся последовательностей, вставок из генома хлоропластов, ядра и вирусов. Функции примерно 50 % митохондриального генома растений пока не выяснены. Кроме того, что многие структурные гены, контролирующие функцию митохондрий, находятся в ядре, там же находятся и многие гены, контролирующие процессы транскрипции, процессинга, трансляции митохондриальных генов. Следовательно, митохондрии являются даже менее автономными органеллами, чем пластиды.

Клеточная стенка дрожжей - прочная, жесткая и вместе с тем эластичная структура, выполняющая те же функции, что и у бактерий. Толщина ее колеблется у разных видов дрожжей от 0,15 до 0,28 мкм, масса составляет 15-30% от сухого веса (СВ) клетки. В химический состав стенки входят 60-90% полисахаридов (гемицеллюлоз, состоящие из равных количеств глюкана и манана), 3-10% липидов, 10-25% белков, 7-9% минеральных веществ, 0,5-3% хитина. Стенка дрожжей имеет, как правило, трехслойную структуру: первый, внешний, слой - липопротеидный, средний - маннанпротеиновий комплекс, внутренний, прилегающий к цитоплазматической мембраны, - глюкановый, играющий основную роль в поддержании формы клетки. В клеточной стенке обнаружены ферменты - инвертаза, щелочная и кислая фосфатазы, липаза, способствующие расщеплению и окислению питательных веществ, поступающих в клетку, а также глюканаза и маназа, участвующих в размягчении клеточной стенки перед образованием почки - дочерней клетки .

Цитоплазматическая мембрана дрожжевой клетки - трехслойная структура толщиной 0,008-0,010 мкм. Она плотно прилегает к внутренней стенке клетки и вместе с тем тесно связана с цитоплазмой. Поверхность ее обычно ровная, но иногда встречаются небольшие выпячивания. Состоит цитоплазматическая мембрана примерно из равных количеств фосфолипидов, белков и небольшого количества углеводов. Выполняет следующие основные функции: действует как осмотическое барьер, регулирует поступление в клетку питательных веществ и удаление конечных продуктов обмена, участвует в регуляции синтеза компонентов клеточной стенки, является местом локализации многих ферментов (окислительно-восстановительных, пермеаз, кофакторов) и органелл (рибосом).

Цитоплазма дрожжевой клетки - густая жидкость, вязкость которой в 800-8000 раз превышает вязкость воды. Структура ее зависит от возраста дрожжей. В молодых клетках цитоплазма гомогенная, в зрелых она становится гетерогенной в результате появления гранул полисахаридов и полифосфатов, небольших вакуолей, в старых гетерогенность усиливается за счет жировых капелек и увеличения вакуолей.

Цитоплазма состоит из жидкой части (клеточного сока), мембран и рибосом. В жидкой части растворены ферменты, транспортная РНК (рибонуклеиновая кислота), низкомолекулярные соединения - запасные углеводы, аминокислоты, нуклеотиды, которые создают осмотическое давление в клетке 1,2 Мпа. Цитоплазму пронизывает эндоплазматическая сеть (ретикулум). Это система двойных мембран (канальцев, пузырьков) с гладкой или шероховатой поверхностью, тесно контактируют с ЦПМ, ядром, внешней мембраной митохондрий и другими структурами клетки. На шероховатых участках сети прикреплены рибосомы. На гладких частях находятся ферменты углеводного и липидного обмена. Считают, что эндоплазматическая сеть участвует во многих клеточных процессах и обеспечивает непрерывную и упорядоченную доставку низкомолекулярных и строительных веществ в места их потребления .

Ядро - это важнейшая и постоянная структура дрожжевой клетки выполняет генетическую, информационную и метаболическую функции. Ядро дрожжей контролирует синтез белков, ферментов, липидов, клеточных структур и другие обменные процессы, играет главную роль в размножении клетки. Ядро в дрожжах имеет округлую форму размерами 1-2 мкм, окружено двумя мембранами, в которых есть множество пор. Через поры в ядро поступают необходимые питательные вещества, из ядра в цитоплазму - информационная и транспортная РНК, предшественники рибосом и др.

В нуклеоплазме ядра (внутренней части) находится ядрышко, что играет определенную роль в синтезе веществ рибосом. К внешней поверхности оболочки ядра прикреплено большое количество рибосом, что указывает на высокий уровень синтеза белков в непосредственной близости от ядра. Главным химическим компонентом ядра является дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК). Состав ДНК постоянный (0,17-0,18% СМ). В состоянии покоя клетки ДНК находится в ядре в виде тонких хроматиновый нитей. При размножении клетки ДНК концентрируется в хромосомах, где находится в связанном состоянии с белками - гистонами. Хромосомы являются основными материальными структурами, которые определяют наследственность и изменчивость. Предполагается, что число хромосом, их длина и форма постоянные для определенных видов дрожжей.

Митохондрии - обязательные структуры эукариотической клетки. В зависимости от условий жизнедеятельности дрожжей форма, размеры, количество и внутреннее строение митохондрий меняются. По форме они могут быть сферическими, палочковидными или нитевидными. Размеры колеблются от 0,2 до 3,0 мкм по длине и от 0,05 до 1,5 мкм по диаметру. Окруженные митохондрии двойной мембраной - внутренней и внешней. В клетках, выращенных в аэробных условиях, внутренняя мембрана образует выступы - кристы, которые пронизывают внутренний гомогенный содержание - матрикс. Митохондрии клеток, растущих в анаэробных условиях, устроены проще и крист не содержат .

В митохондриях содержится большое количество ферментов: окислительно-восстановительных, цикла трикарбоновых кислот, транспорта электронов. Митохондрии играют основную роль в выработке, накоплении и распределении энергии в клетке, синтезе АТФ (аденозинтрифосфата).

Аппарат Гольджи состоит из мембранных дисков диаметром от 0,02 до 0,25 мкм. От концов мембран отходят пузырьки, которые затем превращаются в лизосомы и вакуоли. Считают, что аппарат Гольджи управляет многими физиологическими процессами в клетке: транспортирует различные вещества к месту их использования или выделения из клетки, участвует в формировании клеточных перегородок, спор, почек, удаляет из клетки токсические вещества.

Лизосомы - плотные гранулы, ограничены липопротеидной мембраной. Они содержат активные гидролитические и лизирующие ферментные системы, способные расщеплять крупные молекулы полисахаридов, белков, нуклеиновых кислот, жиров. Лизосомы звездчатой формы охватывают поврежденные структуры цитоплазмы и «переваривают» их. В случае разрыва мембраны, окружающей лизосом, происходит автолиз клеток.

Вакуоль - органелла, что находится в центральной части клетки и отделена от цитоплазмы вакуолярной мембраной, играет значительную роль в обмене веществ клетки. В вакуоли присутствуют в растворенном состоянии в виде ионов и солей натрия, калий, кальций, магний, хлор, в виде коллоидов - гидролитические ферменты, метахроматин, жиры, углеводы и белки. Указанные вещества используются клеткой по мере необходимости. Размеры вакуоли зависят от возраста и физиологического состояния дрожжевой клетки. В зрелых клетках вакуоль увеличивается, в старых достигает максимальных размеров. Отмечено, что в процессе почкования вакуоль распадается на мелкие части, которые распределяются между материнской клеткой и дочерней. После завершения цикла размножения мелкие вакуоли сливаются в одну. Не исключено, что вакуоль участвует в удалении из клетки токсичных веществ.

Запасными веществами дрожжевой клетки , содержащиеся в цитоплазме и вакуоли, являются гранулы гликогена, сахар трегалоза, метахроматин и капельки жира .

Гликоген (полисахарид) содержится в клетке в большом количестве: от 30 до 100 мг на 1 г СМ клетки. Гранулы гликогена появляются в дрожжах в начале брожения при избытке углеводного питания в среде; до конца брожения количество гликогена уменьшается. Увлеченный гликоген в цитоплазме, вместе с тем есть предположение, что он накапливается в пространстве между ЦПМ и клеточной стенкой.

В аэробных условиях в дрожжевых клетках преобладает трегалоза, количество которой может достигать 20-150 мг на 1 г СМ клетки. В вакуоли находится резервное вещество метахроматин, состоящий из липопротеидов, полифосфатов, магния и РНК. Содержание метахроматина уменьшается в процессе активного роста клетки и возрастает при задержке размножения.

Жиром в цитоплазме и вакуоли, выполняющий роль запасного питательного материала, является смесь триглицеридов с фосфолипидами и стеролы (эргостерола). Капельки жира в старых клетках видны в световом микроскопе благодаря тому, что сильно преломляют свет .

Также еще кроме меланинов для многих типично наземных грибов характерно наличие каротиноидных пигментов, которые выполняют ту же функцию защиты от солнечной инсоляции. Типичными представителями интенсивно пигментированных грибов с высоким содержанием каротиноидов есть много широко распространенных базидиомицетовых дрожжей из родов Rhodotorula, Sporobolomyces, Lipomyces и др.

Аскомицетные дрожжи Metschnikowia pulcherrima образуют диффундирующий в среду красно-вишневый пигмент пульхерримин. Так называемые «черные дрожжи», формируют темно бурые или черные колонии за счет накопления меланоидних пигментов.

Рисунок – Lipomyces starkey – грунтовые дрожжи. Клетки в 7-суточной культуре на сусло-агаре.

Грунтовые дрожжи рода Lipomyces – липомицеты распространены исключительно в почвах и не встречаются в других местообитаниях. Давно известна их способность к хорошему выживанию в минеральных горизонтах почв, бедных органическим веществом. Однако при этом липомицеты не является олиготрофамы, в лабораторных культурах они не способны к росту на разбавленных питательных средах. Отличительная особенность этих дрожжей - очень крупные клетки, на богатых средах быстро накапливают большое количество запасных липидов – до 80% от общей массы клетки (рис.). Судя по всему, стратегия выживания липомицетов в почве - это быстрое накопление запасных веществ, при попадании достижимых субстратов, например свежего опада, а затем длительное их расходования в «ожидании» новых поступлений .

Литература

Бабьева, И.П., Горин, С.Е. Почвенные дрожжи. М.: изд–во МГУ, 1987. – С. 50–63.
Кудрявцев, А.А., Гуревич, Г.А., Фихте, Б.А. Механические свойства микробных оболочек. – Пущино, 1988.
Кейтс М. Техника липидологии. М.: Мир, 1975. – 322 с.
Ревис, Д.Д., Ботстайн, Дж.Рот «Генетика бактерий» М., Мир 1984. – С. 101.
Rudic, V., Popova, N., Crivova, A. et al.«Biosynthesis ofLipoxygenase, Lipids and its Fatty Acid Composition of Actinomycetes and Yeast», Bucureşti, Roumanian Biotechnological Letters. – 2002. – V. 7. – N 3. – Р. 711-716.
Rudic, V.,Topală, L. Teza de doctorat şi autoreferatul pot fi consultate la biblioteca Academiei de Ştiinţe a Moldovei – bd. Ştefancel Mare, 1, MD – 2001, Chişinău.

Дрожжи занимают центральное место в исследованиях по генетике митохондрий, поскольку эти органеллы наиболее активны у таких организмов. Половой цикл одного из представителей сахаромицетов Saccharomycescerevisiaeможет быть изображён в виде такой схемы:

Представленная схема отражает существование гаплоидных и диплоидного клонов клеток с образованием гаплоидных аскоспор.

Существование внеядерной наследственности у дрожжей впервые было показано в работах Эфрусси с соавт., описавших мутацию petite. Мутантные клетки, выращенные на глюкозе, обладали пониженным дыханием и почти не содержали цитохромов а 1 ,a 3 ,b.

Генетичекий анализ показал, что мутация petiteимеет цитоплазматическую природу. Позднее было установлено, что митохондриальная ДНК цитоплазматических мутантовpetiteотличается по плавучей плотности и содержанию ГЦ-пар от ДНК митохондрий нормальных клеток этих дрожжей.

Позднее были получены цитоплазматические мутации устойчивости дрожжей к антибиотикам.

Расщепление и рекомбинация митохондриальных генов в зиготах послужили основой для построения генетических карт цитоплазматических систем.

Дальнейшие работы позволили обнаружить у дрожжей явление супрессивности (suppression– подавление), которое выражается в том, что при скрещивании дикой (нормальной) формы дрожжей с мутантной типаpetiteв зиготах происходит преимущественная репликация ДНК митохондрий мутантной формы. Через некоторое время аллель дикого типа не просто переходит в скрытое (рецессивное) или неактивное состояние, а исчезает совсем и уже никогда не проявляется у потомства.

Явление супрессивности можно рассматривать как одну из форм преимущественной передачи наследственности, при которой один родительский цитоплазматический геном берёт верх над другим. Этот процесс оказывается аналогичным материнскому наследованию у хламидомонады, о котором говорилось выше.

Позднее цитоплазматические гены были выявлены и у многих других грибов. Биохимические изменения в работе митохондрий у них также были связаны с нарушениями биосинтеза цитохромной системы.

Таким образом, описанные примеры позволили расширить арсенал экспериментальных методов для исследования цитоплазматической наследственности и показать высокую значимость цитоплазматической наследственности для обеспечения жизнедеятельности организмов.

Роль цитоплазматических генов в биогенезе клеточных органелл

С самого начала ХХ столетия цитологии постоянно подчёркивают генетическую непрерывность хлоропластов и митохондрий, а именно то, что эти органеллы возникают только из предшествующих органелл того же рода.

Изучение роли митохондриальных генов в биогенезе митохондрий показали, что там присутствуют:

специфические ферменты – РНК-полимеразы;

все три вида РНК: рибосомальные, транспортные, информационные;

особенные рибосомы.

Именно эти компоненты обеспечивают способность органелл к синтезу белка, управляемому их собственными полинуклеотидами. За счёт работы этой системы синтезируются белки только внутренней мембраны митохондрий. При этом почти все белки митохондриальных рибосом синтезируются в цитоплазме.

Изучение роли хлоропластных генов в биогенезе хлоропластов позволило выявить те же компоненты белок-синтезирующей системы, что и в митохондриях. Однако, спектр молекул белков, образующихся в хлоропластах, оказался значительно шире, что обусловлено, главным образом, значительно большей информационной ёмкостью ДНК хлоропластов. Позднее было установлено, что за счёт собственной ДНК в хлоропластах синтезируется большая субъединица центрального фермента ассимиляции СО 2 – рибулозобисфосфат-карбоксилазы, фермента фосфорибулокиназы, некоторые белковые компоненты фотосистемыII, а также белки, участвующие в построении внутренней хлоропластной мембраны, в т.ч. мембран тилакоидов, и т.д.