Pohlavné rozmnožovanie kvasiniek: Komplexný pohľad na životný cyklus jednobunkových húb
Kvasinky sú jednobunkové organizmy patriace do oddelenia húb (Ascomycota), ktoré sú mimoriadne rozmanitou skupinou, zahŕňajúcou viac ako 30 000 voľne žijúcich druhov. Ak k nim pripočítame aj tie, ktoré tvoria symbiózu v lišajníkoch, ich počet dosahuje až 60 000 druhov. Slovenský názov kvasiniek bol odvodený od schopnosti väčšiny druhov týchto mikroorganizmov skvasovať monosacharidy, niektoré disacharidy, prípadne trisacharidy na etanol a CO2. Vreckaté huby (Ascomycota) predstavujú druhovo najbohatšiu skupinu húb.
Charakteristika a Morfológia Kvasiniek
Pivovarské kvasinky sú spravidla mierne oválneho tvaru s dĺžkou 6 až 10 μm a so šírkou 5 až 8 μm. Priemerný objem jednej bunky je 175 rnm3 a povrch je okolo 150 μm2. Rozmery a tvar buniek určujú veľkosť povrchu, a tým aj možnosti transportu a metabolizmu kvasničnej kultúry.
Kvasinky vykazujú veľkú tvarovú, rozmerovú či farebnú diverzitu. Obvykle sú guľaté alebo oválne, ale vyskytujú sa aj druhy, ktoré majú bunky charakteristického citrónovitého, vajíčkovitého, fľaškovitého či vláknitého tvaru. Dokonca medzi samotnými bunkami jedného kmeňa možno nájsť morfologické a farebné odlišnosti. To je spôsobené zmenami fyzikálnych a chemických podmienok v prostredí.
Hospodársky najvýznamnejším druhom je kvasinka pivná (Saccharomyces cerevisiae), ktorá je vo všeobecnosti elipsoidná, v priemere od 5 - 10 μm na veľkej osi a od 1 - 7 μm na menšej osi. Stredný objem buniek je 29 - 55 μm3 pre haploidné resp. diploidné bunky. Veľmi podobným a úzko príbuzným druhom je kvasinka vínna (Saccharomycetes cerevisiae var. ellipsoideus).
Rozdelenie kvasiniek podľa spôsobu kvasenia
Podľa spôsobu kvasenia rozdeľujeme kvasinky na:
- Spodne kvasené (Saccharomyces pastorianus): Používajú sa na výrobu ležiakov a ich teplota kvasenia sa pohybuje od 7-15 °C. Majú čistejší profil kvasenia a doba kvasenie trvá cca. 7-14 dní.
- Vrchne kvasené (Saccharomyces cerevisiae): Používajú sa na výrobu ejlov a ich teplota kvasenia sa pohybuje od 15-25 °C. Počas kvasenia môžu vytvárať fenoly a estery a doba kvasenia trvá 3-8 dní.
Základné rozdiely medzi spodnými a vrchnými kvasinkami
Medzi základné rozdiely patria:
- zloženie genetického materiálu;
- rozdielne zloženie bunkových stien, zistené imunochemickými či biochemickými metódami;
- stupeň skvasovania α ,α-rafinózy;
- rast na špecifických pôdach;
- náročná sporulácia spodných kvasiniek;
- rozdielne technologicky významné vlastnosti;
- vyššia maximálna teplota rastu u vrchných kvasiniek;
- vyššia tepelná odolnosť vrchných kvasiniek.
Pohlavné rozmnožovanie kvasiniek (sporulácia)
Pohlavné rozmnožovanie, známe aj ako sexuálna reprodukcia alebo amfigónia, je proces, pri ktorom vzniká dcérsky organizmus s kombináciou genetického materiálu dvoch rodičovských organizmov. Kvasinky sa pohlavne rozmnožujú splývaním haploidných buniek, výsledkom čoho je diploidná zygota, ktorá sa meioticky rozdelí na 4 askospóry. Niekedy sa zygota delí len mitoticky na diploidné dcérske bunky, ktoré žijú ako samostatné organizmy.
Mechanizmus pohlavného rozmnožovania u vreckatých húb
Vreckaté huby sa rozmnožujú oboma spôsobmi, no v prírode je oveľa častejšie nepohlavné rozmnožovanie. Pohlavné rozmnožovanie začína chemickým priťahovaním dvoch odlišných haploidných mycélií (plazmogamia). Ich cytoplazma splynie, no jadrá zatiaľ zostávajú oddelené. Vznikajú tak dikaryotické hýfy, ktoré majú v každej bunke dve rôzne jadrá (\( n + n \)). Z týchto vláken následne vyrastá plodnica (askokarp), v ktorej je voľne alebo vo forme špeciálnej vrstvy uložená výtrusorodá vrstva (técium).
Spoločným a definujúcim znakom všetkých vreckatých húb je tvorba špeciálnej výtrusnice v tvare vrecka - vrecko (askus). Vytvára sa na koncoch dikaryotických vláken priamo v plodnici. Až vo vnútri tohto vrecka obe jadrá splynú (karyogamia) a na veľmi krátku chvíľu vznikne diploidné jadro. To sa okamžite meioticky a následne mitoticky rozdelí, čím v jednom vrecku vznikne zvyčajne 8 haploidných výtrusov - askospór.
Kvasinkotvaré (Saccharomycetales) sú výnimočné tým, že nevytvárajú plodnicu (askokarp) ako všetky ostatné vreckaté huby a vrecká vznikajú jednotlivo po karyogamii. Ich stielka je zväčša jednobunková.
Životný cyklus kvasiniek (Saccharomyces) | Prečo sa nazýva haplodiplobiontický životný cyklus? #kvasinky #huby
Pohlavné rozmnožovanie a genetická variabilita
Pohlavné rozmnožovanie primárne vzniklo preto, aby bolo organizmom umožnené tvoriť potomstvo s unikátnou genetickou výbavou. To je možné dosiahnuť buď výmenou génov medzi dvoma organizmami, alebo (a to je častejší prípad) spojením buniek dvoch organizmov, z ktorých každý nesie svoje gény. Pri pohlavnom rozmnožovaní väčšinou vzniká organizmus s novou, unikátnou genetickou výbavou, ktorá nikdy nie je úplne totožná s genetickou výbavou rodičov.
Väčšina eukaryotických organizmov je diploidných, čo znamená, že skrývajú vo svojich jadrách dve chromozómové súbory. Preto je dôležité, aby spájajúce sa bunky mali len haploidnú sadu chromozómov a ich spojením by vznikol diploidný jedinec. Z tohto dôvodu vzniklo tzv. redukčné delenie alebo meióza.
Meióza je zvláštnym typom delenia, pri ktorej namiesto dvoch dcérskych buniek vznikajú až 4 dcérske bunky, ale každá len s haploidným počtom chromozómov. Meióza je základným spôsobom vzniku pohlavných buniek.
Rozdiely medzi párovacími typmi u kvasiniek
U jednobunkových organizmov s veľkostne a tvarovo rovnakými (izogamnými) bunkami sa nehovorí o samčích a samičích pohlavných bunkách, ale o bunkách párovacích typov. Rozdiely medzi jedincami rozdielnych pohlaví môžu byť nepatrné, iba biochemické (napríklad rozličné párovacie typy u kvasiniek).
Nepohlavné rozmnožovanie kvasiniek
Bunky spodných pivovarských kvasiniek sa rozmnožujú takmer výhradne vegetatívne pučaním. Nepohlavné rozmnožovanie u kvasiniek prebieha najčastejšie delením alebo pučaním z materskej bunky. Po oddelení dcérskej bunky zostáva v raste jej vzniku materská jazva, na oddelenej bunke jazva dcérska. Podľa počtu jaziev je možné určiť individuálny vek bunky, a preto sa kvasničné bunky používajú pri štúdiu mechanizmov starnutia. Jedna materská bunka môže poskytnúť 10 až 30 dcérskych buniek, než zostarne a odumiera.
Generačná doba kvasiniek za optimálnych podmienok je 3 až 4 hodiny.
Využitie kvasiniek a ich význam
Kvasinky majú vynikajúce fermentačné schopnosti. Pri kvasných procesoch produkujú alkoholy, organické kyseliny a oxid uhličitý. Využívajú sa v potravinárskom priemysle (najmä tie, ktoré produkujú etanol) a vo farmácii, keďže niektoré sú významnými producentmi vitamínov.
Prvoradý význam majú dnes v kvasnom priemysle pri výrobe liehu, piva, vína, pekárskeho droždia a tiež niektorých mliečnych nápojov. Majú bohatý obsah dobre stráviteľných bielkovín (okolo 40%), cukrov a hlavne komplexu vitamínu B, čo platí zvlášť pre pivovarské kvasinky. Tie sa využívajú aj pri liečbe nervových ochorení, pri zápalových kožných chorobách, pri poruchách tráviaceho traktu a pečeňových chorobách.
Primiešavanie kvasiniek do mladiny sa nazýva očkovanie (pitching). Počas kvasenia sa množstvo kvasinkovej hmoty zvyšuje trojnásobne až šesťnásobne.
Proces fermentácie
Kvasenie zvyčajne prebieha v dvoch fázach:
- Primárna fermentácia: Uskutočňuje sa v rozmedzí odporúčaných kvasiacich teplôt určených pre vybraný druh kvasiniek. Fermentácia zahŕňa 4 fázy kvasenia:
- zaprašovanie,
- nízke biele krúžky,
- hnedé krúžky,
- hnedé krúžky - prepadávanie deky.
- Sekundárna fermentácia: Uskutočňuje sa pri teplote 1 °C až +4 °C. Je to fáza zretia piva a jej dĺžka trvá v závislosti na stupňovitosti a zložitosti daného pivného štýlu:
- výčapné pivá 21 až 30 dní,
- ležiaky 31 až 45 dní,
- exkluzívne ležiaky 90 - 120 dní,
- ejly 21 až 40 dní,
- barley wine 360 dní.
Anatómia kvasinkovej bunky
Pivovarské kvasinky sú jednobunkové organizmy patriace do oddelenia húb (Ascomycota).
Bunková stena
V bunkovej stene sa nachádzajú taktiež hydrolytické enzýmy glykoproteínového typu, napr. β-fruktofuranosidasa (invertáza). Polysacharidy bunkovej steny môžu byť jednozložkové (homopolysacharidy) alebo viaczložkové (heteropolysacharidy) - napr. galaktomannány, xylomannany, arabomannany. Polysacharidy určujú predovšetkým imunologické vlastnosti kvasiniek, pretože pôsobia ako antigény.
Ako stále štruktúry na bunkovej stene vznikajú jazvy po pučaní dcérskych buniek a ich separácii od materskej bunky, popr. po delení kvasinkových buniek. Pretrvávajú počas celého vývoja jednotlivej bunky a ovplyvňujú tzv. architektúru jej steny. Vznik jaziev a ich stavbu možno sledovať napr. elektrónovou mikroskopiou alebo fluorescenčným farbením špecifických látok.
Cytoplazmatická membrána
Cytoplazmatická membrána (alebo plazmalema) tvorí elastický obal protoplastu, osmotickú bariéru a kontroluje transport látok. Štruktúra cytoplazmatickej membrány je zrejme najlepšie popísaná v rámci mozaikového modelu bunkových membrán, ktorý hovorí, že molekuly fosfolipidov sú usporiadané v dvoch vrstvách tak, že polárne časti sú na vonkajších stranách a nepolárne vo vnútri membrány.
Jadro a genetický materiál
Vlastnosti každého živého organizmu sú určené jeho deoxyribonukleovou kyselinou - DNA. Najväčšia časť DNA je u eukaryotických organizmov obalená jadrovou membránou. Určité úseky DNA sa nazývajú gény (alebo tzv. kódujúce úseky). DNA v jadre eukaryotov nie je tvorená jedinou spojenou molekulou (tak je tomu u prokaryotov), ale je rozdelená do samostatných, rôzne dlhých úsekov. Tieto úseky sú v spojení s bielkovinami formované do hmoty, ktorá sa nazýva chromatín. V čase delenia bunky sa chromatín mení na zreteľne odlíšiteľné útvary - chromozómy.
Na rozdiel od väčšiny eukaryotických buniek majú kvasinky tzv. endomitózu, takže delenie jadra prebieha bez rozrušenia jadrovej membrány. To je hlavný dôvod, prečo je u kvasiniek mimoriadne ťažké urobiť dobrý karyotyp a zistiť tak presný počet a stavbu chromozómov.
Mitochondrie a vakuoly
Mitochondrie sú organely špecializované na respiráciu a oxidatívnu fosforyláciu. Majú vlastné gény a proteosyntézu. Tvar, štruktúra a počet mitochondrií môžu byť ovplyvňované rôznymi faktormi. Napr. v podmienkach reprimujúceho dýchania sa výrazne znižuje podiel, ktorý mitochondrie zaberajú v celkovom objeme bunky.
Kvasinková bunka spravidla obsahuje jednu veľkú guľatú vakuolu. V počiatočnej fáze pučania možno pozorovať väčšie množstvo malých vakuol, ktoré však počas rastu splývajú do jednej vakuoly, prípadne dvoch vakuol (v stacionárnej fáze rastu). Priemer vakuol je premenlivý od 0,3 do 3 μm. 80 až 90 % rozpustných aminokyselín z celkového objemu voľných aminokyselín v kvasinkách je obsiahnutých vo vakuolách. Ďalej sa tu nachádzajú enzýmy hydrolázy, väčšina proteáz, ribonukleázy či esterázy.
tags: #pohlavne #rozmnozovanie #kvasiniek