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8.2: Hefen - Biologie

8.2: Hefen - Biologie



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Lernziele

  1. Beschreiben Sie kurz Hefen und geben Sie an, wie sie sich ungeschlechtlich vermehren.
  2. Beschreiben Sie kurz Pseodohypae, Hyphen, Blastoconidien (Blastosporen) und Chlamydoconidien (Chlamydosporen) und nennen Sie eine Hefe, die diese Strukturen produziert.
  3. Nennen Sie drei potenziell pathogene Hefen und geben Sie jeweils eine Infektion an, die sie verursacht.

Hefe-Morphologie

  1. Hefe (siehe Abbildung (PageIndex{1})) sind einzellige Pilze, die normalerweise als ovale Zellen mit einer Breite von 1-5 µm und einer Länge von 5-30 µm auftreten.
  2. Sie haben typische eukaryontische Strukturen (siehe Abbildung (PageIndex{2}) und Abbildung (PageIndex{3})).
  3. Sie haben eine dicke Polysaccharid-Zellwand.
  4. Sie sind fakultativ anaerob.
  5. Die Hefe Kandidat soll Dimorphicin sein, dass es als ovale, knospende Hefe wachsen kann, aber unter bestimmten Kulturbedingungen kann sich die knospende Hefe verlängern und anhaften bleiben, wodurch filamentartige Strukturen entstehen, die Pseudohyphen genannt werden. C. albicans kann auch echte, schimmelähnliche Hyphen produzieren (siehe Abbildung (PageIndex{4})). In diesem Fall lange, sich verzweigende Filamente ohne vollständige Septenform. Die Pseudohyphen und Hyphen helfen der Hefe, in tiefere Gewebe einzudringen, nachdem sie das Epithel besiedelt hat. Asexuelle Sporen, die Blastoconidien (Blastosporen) genannt werden, entwickeln sich in Gruppen entlang der Hyphen, oft an den Verzweigungspunkten. Unter bestimmten Wachstumsbedingungen können sich auch an den Spitzen oder als Teil der Hyphen dickwandige Überlebenssporen namens Chlamydoconidien (Chlamydosporen) bilden (siehe Abbildung (PageIndex{5}).)

Für weitere Informationen: Ein Vergleich von prokaryotischen und eukaryotischen Zellen aus Einheit 1

Die Rolle von pilzlichen Zellwandkomponenten bei der Initiierung der Körperverteidigung

Um sich vor einer Infektion zu schützen, muss der Körper unter anderem zunächst das Vorhandensein von Mikroorganismen erkennen. Der Körper tut dies, indem er Moleküle erkennt, die einzigartig für Mikroorganismen sind, die nicht mit menschlichen Zellen verbunden sind. Diese einzigartigen Moleküle werden Pathogen-assoziierte molekulare Muster oder PAMPs genannt. (Da alle Mikroben, nicht nur pathogene Mikroben, PAMPs besitzen, werden pathogenassoziierte molekulare Muster manchmal als mikrobenassoziierte molekulare Muster oder MAMPs bezeichnet.)

Bestandteile der Hefezellwand, die als PAMPs fungieren, umfassen Lipoteichonsäuren und Zymosan. Darüber hinaus besitzen Bakterien und andere Mikroorganismen auch mannosereiche Glykane (kurze Kohlenhydratketten mit dem Zucker Mannose oder Fructose als endständigem Zucker), die als PAMPs fungieren. Diese mannosereichen Glykane kommen in mikrobiellen Glykoproteinen und Glykolipiden häufig vor, sind jedoch beim Menschen selten. Diese PAMPs binden an Mustererkennungsrezeptoren auf einer Vielzahl von Abwehrzellen des Körpers und lösen die angeborene Immunabwehr wie Entzündungen, Fieber und Phagozytose aus.

Flash-Animation, die die Freisetzung von Pilzmannanen aus den Zellwänden von Hefen und ihre anschließende Bindung an Mustererkennungsrezeptoren auf einem Makrophagen zeigt.

html5-Version der Animation für das iPad, die die Freisetzung von Pilzmannanen aus den Zellwänden von Hefen und ihre anschließende Bindung an Mustererkennungsrezeptoren auf einem Makrophagen zeigt.

Für weitere Informationen: Übersicht über Pathogen-Associated Molecular Patterns (PAMPs) aus Einheit 5

Weitere Informationen: Übersicht über Mustererkennungsrezeptoren aus Einheit 5

Für weitere Informationen: Überprüfung der Entzündung von Einheit 5

Hefezellwandkomponenten aktivieren auch den alternativen Komplementweg und den Lektinweg, Abwehrwege, die eine Vielzahl von Rollen bei der Körperabwehr spielen. Zellwandmoleküle können auch eine adaptive Immunität auslösen, wie die Produktion von Antikörpermolekülen gegen bakterielle Zellwandantigene. Ein Antigen ist definiert als eine Substanz, die mit Antikörpermolekülen und Antigenrezeptoren auf Lymphozyten reagiert. Ein Immunogen ist ein Antigen, das vom Körper als körperfremd erkannt wird und eine adaptive Immunantwort stimuliert.

Der Körper erkennt ein Antigen als fremd, wenn Epitope dieses Antigens an B-Lymphozyten und T-Lymphozyten mittels epitopspezifischer Rezeptormoleküle mit einer zu der des Epitops komplementären Form binden. Der Epitoprezeptor auf der Oberfläche eines B-Lymphozyten wird als B-Zell-Rezeptor bezeichnet und ist eigentlich ein Antikörpermolekül. Der Rezeptor auf einem T-Lymphozyten wird als T-Zell-Rezeptor (TCR) bezeichnet.

Vermehrung von Hefen

1. Hefen vermehren sich ungeschlechtlich durch einen Prozess namens Knospung (siehe Abbildung (PageIndex{1}) und Abbildung (PageIndex{6})). Auf der äußeren Oberfläche der Elternzelle bildet sich eine Knospe, wenn sich der Zellkern teilt. Ein Kern wandert in die verlängerte Knospe. Zwischen der Knospe und der Mutterzelle bildet sich Zellwandmaterial und die Knospe bricht ab.

  • Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme von Saccharomyces; mit freundlicher Genehmigung von Dennis Kunkels Mikroskopie.
  • Film von Saccharomyces cerevisiae Fortpflanzung durch Knospung. Film über Wachstum und Teilung von Knospungshefe (Saccharomyces cerevisiae) . © Phillip Meaden, Autor. Zur Nutzung lizenziert, ASM MicrobeLibrary.

2. Ein paar Hefen, wie zum Beispiel Candida albicans, produzieren auch Ansammlungen von asexuellen Fortpflanzungssporen, die als Blastoconidien (Blastosporen) bezeichnet werden, und dickwandige Überlebenssporen, die als Chlamydoconidien (Chlamydosporen) bezeichnet werden; siehe Abbildung (PageIndex{5}).

3. Hefen können sich auch durch sexuelle Sporen, die Ascosporen genannt werden, geschlechtlich vermehren, die aus der Verschmelzung der Kerne zweier Zellen mit anschließender Meiose resultieren. Die sexuelle Fortpflanzung ist viel seltener als die asexuelle Fortpflanzung, ermöglicht jedoch eine genetische Rekombination.

Hefe-Infektionen

Candida albicans

Candida albicans kommt als normale Flora auf den Schleimhäuten und im Magen-Darm-Trakt vor, wird aber meist durch normale Bakterienflora und normale Körperabwehr in Schach gehalten.

Kandidat kann eine Vielzahl opportunistischer Infektionen bei geschwächten, immunsupprimierten oder längerfristig antibakteriell behandelten Personen verursachen. Frauen, die Diabetiker sind, schwanger sind, orale Kontrazeptiva einnehmen oder in den Wechseljahren sind, sind ebenfalls anfälliger für Vaginitis. Diese Bedingungen verändern die Zuckerkonzentration und den pH-Wert der Vagina, wodurch sie für das Wachstum von Kandidat. Menschen, die immunsupprimiert sind, entwickeln häufig Soor, Vaginitis und manchmal disseminierte Infektionen.

Irgendein Kandidat Eine Infektion wird als Candidose bezeichnet. Kandidat verursacht am häufigsten Vaginitis, Soor (eine Infektion des Mundes), Balantitis (eine Infektion der Vorhaut und des Peniskopfes), Onychomykose (eine Infektion der Nägel) und Dermatitis (Windelausschlag und andere Infektionen der feuchten Haut). Weniger häufig, Kandidat kann Lunge, Blut, Herz und Hirnhäute infizieren, insbesondere beim geschwächten oder immunsupprimierten Wirt. Kandidat verursacht heute etwa 10 % aller Fälle von Septikämie. Candidose der Speiseröhre, der Luftröhre, der Bronchien oder der Lunge in Verbindung mit einem positiven HIV-Antikörpertest ist eine der Indikatorkrankheiten für AIDS.

Kandidat heißt dimorph, hat also zwei unterschiedliche Wuchsformen. Es kann als ovale, angehende Hefe wachsen, aber unter bestimmten Kulturbedingungen kann sich die angehende Hefe verlängern und anhaften bleiben, wodurch filamentartige Strukturen entstehen, die Pseudohyphen genannt werden. Albicans kann auch echte Hyphen produzieren, die Schimmelpilzen ähnlich sind. Asexuelle Sporen, Blastoconidien genannt, sind Fortpflanzungseinheiten, die durch Knospung in Hefen produziert werden. Unter bestimmten Wachstumsbedingungen können sich auch an den Spitzen oder als Teil der Hyphen dickwandige Überlebenssporen namens Chlamydoconidien bilden (siehe Abbildung (PageIndex{5}))

Die häufigste Candida-Spezies, die Infektionen beim Menschen verursacht, ist C. albicans, die 50-60% aller Candida-Infektionen verursacht. Candida glabrata ist an zweiter Stelle und verursacht 15-20% der Candida-Infektionen; Candida-Parapsilose ist der dritte, verantwortlich für 10-20%.

Cryptococcus neoformans

Eine weniger bekannte, aber oft schwerwiegendere pathogene Hefe ist CRyptokokken Neoformans. Wie viele Pilze kann sich auch diese Hefe geschlechtlich vermehren und der Name der Geschlechtsform der Hefe lautet Filobasidiella Neoformans. Sie erscheint als ovale Hefe mit einem Durchmesser von 5-6 µm, bildet Knospen mit einem dünnen Hals und ist von einer dicken Kapsel umgeben (Abbildung (PageIndex{8}).2.6). Es produziert keine Pseudohyphen und Chlamydosporen. Die Kapsel ermöglicht es der Hefe, der phagozytischen Verschlingung zu widerstehen. Die Hefe ist dimorph. In seiner sexuellen Form sowie unter bestimmten Bedingungen in seiner asexuellen Form kann es eine Hyphenform hervorbringen.

Abbildung (PageIndex{8}).2.6: Tuschefleck von eingekapseltem Cryptococcus neoformans. Beachten Sie die eingekapselte Hefe. Das Bild wurde von Dr. Leanor Haley zur Verfügung gestellt. Mit freundlicher Genehmigung der Zentren für die Kontrolle und Prävention von Krankheiten.

Kryptokokkus Infektionen verlaufen in der Regel mild oder subklinisch, beginnen aber, wenn sie symptomatisch sind, in der Regel in der Lunge nach Inhalation der Hefe aus getrocknetem Vogelkot. Es wird typischerweise mit Tauben- und Hühnerkot und mit diesem Kot kontaminiertem Boden in Verbindung gebracht. Kryptokokkus, im Boden gefunden, wächst aktiv im Vogelkot, wächst jedoch nicht im Vogel selbst. Normalerweise schreitet die Infektion nicht über dieses Lungenstadium hinaus. Beim immunsupprimierten Wirt kann es sich jedoch über das Blut auf die Hirnhäute und andere Körperbereiche ausbreiten und oft eine Kryptokokken-Meningoenzephalitis verursachen. Jede Krankheit durch diese Hefe wird normalerweise als Kryptokokkose bezeichnet.

Die Verbreitung der Lungeninfektion kann zu einer sehr schweren und oft tödlich verlaufenden Kryptokokken-Meningoenzephalitis führen. Kutane und viszerale Infektionen werden ebenfalls gefunden. Obwohl die Exposition gegenüber dem Organismus wahrscheinlich häufig ist, sind große Ausbrüche selten, was darauf hindeutet, dass für die Entwicklung einer schweren Krankheit normalerweise ein immunsupprimierter Wirt erforderlich ist. Extrapulmonale Kryptokokkose in Verbindung mit einem positiven HIV-Antikörpertest ist eine weitere Indikatorerkrankung für AIDS.

Pneumocystis jiroveci

Pneumocystis jiroveci (früher genannt Pneumocystis carinii) (siehe Abbildung (PageIndex{7}) und Abbildung (PageIndex{8})) wird vermutlich über den Atemweg von Mensch zu Mensch übertragen und ist fast immer asymptomatisch. Bei Personen mit stark geschwächter Immunantwort, wie Personen mit Leukämien oder mit dem Humanen Immunschwächevirus (HIV), P. jirovec kann eine schwere Lungenentzündung namens PCP (Pneumozystis Lungenentzündung).

P. jirovec kann in drei verschiedenen morphologischen Stadien gefunden werden:

  • Der Trophozoit (trophische Form), eine haploide amöboide Form mit einem Durchmesser von 1-4 µm, die sich durch Mitose und binäre Spaltung repliziert. Die trophischen Formen sind unregelmäßig geformt und erscheinen oft in Gruppen.
  • Eine präzystische Form oder frühe Zyste. Haploide trophische Formen konjugieren und produzieren eine Zygote oder Sporozyte (frühe Zyste).
  • Die Zystenform, die mehrere intrazystische Körper oder Sporen enthält, hat einen Durchmesser von 5-8 µm. Es wurde postuliert, dass die Zygote bei der Bildung der Zystenform (Spätphasenzyste) eine Meiose und anschließende Mitose durchläuft, um typischerweise acht haploide Ascosporen (Sporozoiten) zu produzieren. Siehe Abbildung (PageIndex{7}). Wenn die haploiden Ascosporen freigesetzt werden, kollabieren die Zysten oft und bilden sichelförmige Körper (siehe Abbildung (PageIndex{8})). P. jirovec wird normalerweise durch Inhalation der Zystenform übertragen. Freigesetzte Ascosporen entwickeln sich dann zu replizierenden trophischen Formen, die an der Wand der Alveolen anhaften und sich replizieren, um die Alveolen zu füllen.

In Biopsien aus Lungengewebe oder in tracheobronchialen Aspiraten ist sowohl eine trophische Form von ca. 1-4 µm Durchmesser mit ausgeprägtem Kern als auch eine Zystenform zwischen 5-8 µm Durchmesser mit 6-8 intrazystischen Körpern (Ascosporen) zu erkennen.

Malassezia globosa

Malassezia globosa ist ein dimorpher Hefepilz, der die häufigste Ursache einer oberflächlichen Hautinfektion namens Tinea versicolor ist, die häufig als Hypopigmentierung der infizierten Haut auftritt. M. globosa ist auch die häufigste Ursache von Schuppen und seborrhoischer Dermatitis. Die Hefe kommt von Natur aus auf der Haut vor. Um zusätzliche Mikrofotografien von anzuzeigen Kandidat, Kryptokokkus, und Pneumozystis, siehe das AIDS-Pathologie-Tutorial an der University of Utah.

Übung: Think-Pair-Share-Fragen

  1. Eine Frau hat zwei Wochen lang Breitbandantibiotika zur Behandlung einer bakteriellen Infektion eingenommen. Anschließend entwickelt sie eine Vaginitis.
    1. Erklären Sie, was dafür verantwortlich sein könnte.
    2. Warum haben die Antibiotika die Vaginitis nicht verhindert?
  2. Ein kleines Kind mit einer immunsuppressiven Störung, das in einem städtischen Gebiet lebte, spielte routinemäßig in einem Park mit einer großen Taubenpopulation. Das Kind entwickelte daraufhin eine Atemwegsinfektion, gefolgt von Symptomen einer Meningitis.
    1. Welche Infektion ist zu erwarten und warum?
    2. Was könnte das Labor in der Rückenmarksflüssigkeit suchen, um dies zu bestätigen?

Medscape-Artikel über Infektionen im Zusammenhang mit Organismen, die in diesem Lernobjekt erwähnt werden. Die Registrierung für den Zugriff auf diese Website ist kostenlos.

  • Candida albicans
  • Cryptococcus neoformans
  • Pneumocystis carinii

Zusammenfassung

  1. Hefen sind eukaryotische einzellige Pilze
  2. Einige Hefen sind insofern dimorph, als sie als ovale, knospenförmige Hefen wachsen können, aber unter bestimmten Kulturbedingungen können sie filamentähnliche Strukturen, sogenannte Hyphen, ähnlich wie Schimmelpilze, produzieren.
  3. Bestandteile der Hefezellwand, die als Pathogen-assoziierte molekulare Muster oder PAMPs fungieren, umfassen Lipoteichonsäuren, Zymosan und mannosereiche Glykane.
  4. Diese PAMPs binden an Mustererkennungsrezeptoren oder PRRs auf einer Vielzahl von Körperabwehrzellen und lösen die angeborene Immunabwehr aus.
  5. Zellwandmoleküle können auch eine adaptive Immunität auslösen, wie die Produktion von Antikörpermolekülen gegen bakterielle Zellwandantigene.
  6. Hefen vermehren sich ungeschlechtlich durch einen Prozess, der als Knospung bezeichnet wird.
  7. Candida albicans kommt als normale Flora auf den Schleimhäuten und im Magen-Darm-Trakt vor, wird aber in der Regel durch die normale Mikrobiota des Körpers und die normale Körperabwehr in Schach gehalten.
  8. Candida kann bei geschwächten, immunsupprimierten oder längerfristig antibakteriell behandelten Menschen eine Vielzahl opportunistischer Infektionen verursachen und Lunge, Blut, Herz und Hirnhäute infizieren, insbesondere bei geschwächten oder immunsupprimierten Wirten.
  9. Infektionen mit Cryptococcus neoformans verlaufen in der Regel mild oder subklinisch, beginnen aber bei Symptomen in der Regel in der Lunge nach Inhalation der Hefe in getrocknetem Vogelkot.
  10. Pneumocystis jiroveci kann eine schwere Lungenentzündung namens PCP (Pneumocystis-Pneumonie) verursachen.
  11. Malassezia globosa ist die häufigste Ursache einer oberflächlichen Hautinfektion namens Tinea versicolor und auch die häufigste Ursache für Schuppen.

Bewertung der unteren Proteingrenze in der Keimhefe Saccharomyces cerevisiae mit TIPI-gTOW

Die Identifizierung zulässiger Grenzen intrazellulärer Parameter wie der Proteinexpression liefert wichtige Informationen zur Untersuchung der Robustheit. In dieser Studie haben wir die TEV-Protease-vermittelte Induktion von Proteininstabilität (TIPI) in Kombination mit dem genetischen Tauziehen (gTOW) verwendet, um eine Methode zur Messung der unteren Grenze des Proteinspiegels zu entwickeln. Wir haben die Machbarkeit dieser Methode zuerst mit getestet ADE2 als Marker und analysierte dann einige Zellzyklusregulatoren, um genetische Wechselwirkungen aufzudecken.

Ergebnisse

Unter Verwendung von TIPI-gTOW konstruierten wir erfolgreich einen Stamm, in dem GFP-TDegF Ade2 an der unteren Grenze exprimiert wurde, gerade ausreichend, um das Zellwachstum unter der -Ade-Bedingung durch Beschleunigung des Abbaus durch TEV-Protease zu unterstützen. Es gelang uns auch, einen Stamm zu konstruieren, in dem die minimale Menge an GFP-TDegF Cdc20 von TIPI-gTOW exprimiert wurde. Mit diesem Stamm untersuchten wir genetische Interaktionen zwischen Zellzyklusregulatoren und CDC20, und das Ergebnis stimmte in hohem Maße mit den zuvor identifizierten Wechselwirkungen überein. Der Vergleich der experimentellen Daten mit Vorhersagen eines mathematischen Modells zeigte einige Wechselwirkungen, die nicht in das aktuelle Modell implementiert wurden.

Schlussfolgerungen

TIPI-gTOW ist nützlich, um Veränderungen der unteren Grenze eines Proteins unter verschiedenen Bedingungen, wie zum Beispiel verschiedenen genetischen Hintergründen und Umgebungen, abzuschätzen. TIPI-gTOW ist auch nützlich für die Analyse genetischer Interaktionen von essentiellen Genen, deren Deletionsmutanten nicht erhalten werden können.


1. Einleitung

Die Fermentation ist ein bekannter natürlicher Prozess, der von der Menschheit seit Tausenden von Jahren mit dem grundlegenden Zweck verwendet wird, alkoholische Getränke sowie Brot und Nebenprodukte herzustellen. Aus streng biochemischer Sicht ist die Gärung ein Prozess des zentralen Stoffwechsels, bei dem ein Organismus ein Kohlenhydrat wie Stärke oder Zucker in einen Alkohol oder eine Säure umwandelt. Hefe führt beispielsweise eine Gärung durch, um Energie zu gewinnen, indem sie Zucker in Alkohol umwandelt. Fermentationsprozesse wurden spontan durchgeführt, bevor der biochemische Prozess vollständig verstanden war. In den 1850er und 1860er Jahren untersuchte der französische Chemiker und Mikrobiologe Louis Pasteur als erster Wissenschaftler die Fermentation, als er zeigte, dass dieser Prozess von lebenden Zellen durchgeführt wird. Gärprozesse zur Herstellung von Wein, Bier und Apfelwein werden traditionell mit Saccharomyces cerevisiae Stämme, die gebräuchlichste und kommerziell erhältliche Hefe. Sie sind bekannt für ihr fermentatives Verhalten und ihre technologischen Eigenschaften, die es ermöglichen, Produkte von einheitlicher und standardisierter Qualität zu erhalten. Viele andere wichtige Industrieprodukte sind das Ergebnis der Fermentation, wie Joghurt, Käse, Brot, Kaffee. Auch bei der Abwasserreinigung oder der Biokraftstoffproduktion spielen Hefen eine Schlüsselrolle. Aus biochemischer Sicht wird die Fermentation von Hefen (und einigen Bakterien) durchgeführt, wenn Pyruvat, das aus dem Glukosestoffwechsel entsteht, in Ethanol und Kohlendioxid zerlegt wird (Abbildung 1).

Zentraler Gärstoffwechsel bei Hefen.

Die schematische chemische Gleichung zur Herstellung von Ethanol aus Glucose lautet wie folgt:

Unter Abwesenheit oder sauerstoffbegrenzten Bedingungen wird Ethanol aus Acetaldehyd hergestellt, und es werden zwei Mol ATP erzeugt. Dies ist für Zellen keine voll zufriedenstellende Reaktion, da sie große Mengen an Glukose verbrauchen müssen, um dem System genügend ATP zuzuführen. Als Folge wird Ethanol akkumuliert und wenn dies auftritt, wird die fermentative Aktivität gestoppt [1].

1.1. Hefen

Hefen sind eukaryontische Mikroorganismen, die in den unterschiedlichsten ökologischen Nischen leben, vor allem in Wasser, Boden, Luft sowie auf Pflanzen- und Fruchtoberflächen. Der vielleicht interessanteste Lebensraum ist an dieser Stelle letztere, da sie direkt in die Zersetzung reifer Früchte eingreifen und am Fermentationsprozess teilnehmen. In dieser natürlichen Umgebung können Hefen ihren Stoffwechsel und ihre Gärungsaktivität zufriedenstellend ausführen, da sie über die notwendigen Nährstoffe und Substrate verfügen [2]. Auf ernährungsphysiologischer Ebene sind Hefen im Vergleich zu anderen Mikroorganismen wie Milchsäurebakterien nicht besonders anspruchsvoll. Ihr Wachstum wird jedoch durch die Existenz basischer Verbindungen wie fermentierbare Zucker, Aminosäuren, Vitamine, Mineralstoffe und auch Sauerstoff unterstützt. Aus morphologischer Sicht weisen Hefen eine hohe morphologische Divergenz auf, wobei runde, ellipsoide und ovale Formen am häufigsten vorkommen. Tatsächlich ist bei den Identifizierungsprozessen die mikroskopische Bewertung die erste Ressource, gefolgt von anderen diskriminierenden Tests wie mikrobiologischen und biochemischen. In einer nächsten Stufe umfasst die klassische Klassifizierung weitere aufwändigere Tests wie die der Zuckerfermentation und der Aminosäureassimilation [2]. Auch die Produktion und Verträglichkeit gegenüber Ethanol, organischen Säuren und SO 2 sind wichtige Instrumente zur Speziesdifferenzierung. Die Vermehrung von Hefen erfolgt hauptsächlich durch Knospung, was zu einer neuen und genetisch identischen Zelle führt. Knospung ist die häufigste Art der asexuellen Fortpflanzung, obwohl die Zellspaltung ein Merkmal von Hefen der Gattung ist Schizosaccharomyces. Wachstumsbedingungen, die zu Nährstoffmangel führen, wie ein Mangel an Aminosäuren, induzieren die Sporulation, einen Mechanismus, der von Hefen verwendet wird, um unter widrigen Bedingungen zu überleben. Als Folge der Sporulation leiden Hefezellen an genetischer Variabilität. In industriellen Fermentationsprozessen empfiehlt sich die ungeschlechtliche Vermehrung von Hefen, um den Erhalt des Genotyps und ein möglichst langes stabiles, nicht davon abgeleitetes Fermentationsverhalten zu gewährleisten. Auf metabolischer Ebene zeichnen sich Hefen durch ihre Fähigkeit aus, ein hohes Spektrum an Zuckern zu vergären, unter denen Glucose, Fructose, Saccharose, Maltose und Maltotriose sowohl in reifen Früchten als auch in verarbeitetem Getreide vorherrschen. Darüber hinaus tolerieren Hefen saure Umgebungen mit pH-Werten um 3,5 oder sogar darunter. Nach technologischer Zweckmäßigkeit werden Hefen in zwei große Gruppen eingeteilt, nämlich Saccharomyces und nicht-Saccharomyces. Morphologisch, Saccharomyces Hefen können je nach Wachstumsphase und Kultivierungsbedingungen rund oder ellipsoidförmig sein. S. cerevisiae ist die am besten untersuchte Art und wird aufgrund ihrer zufriedenstellenden Gärfähigkeit, ihres schnellen Wachstums und ihrer leichten Anpassung am meisten bei der Gärung von Weinen und Bieren verwendet. Sie tolerieren SO 2 -Konzentrationen, die normalerweise die meistenSaccharomyces Hefen überleben nicht. Trotz dieser Vorteile ist es jedoch möglich, in der Natur Vertreter von . zu finden S. cerevisiae die nicht unbedingt diese Eigenschaften haben.

1.2. Nicht-Saccharomyces Hefen

Nicht-Saccharomyces Hefen sind eine Gruppe von Mikroorganismen, die in zahlreichen Fermentationsprozessen verwendet werden, da ihre hohen Stoffwechselunterschiede die Synthese verschiedener Endprodukte ermöglichen. Im Allgemeinen gelten viele dieser Hefen, die die sensorische Qualität von Weinen verändern können, als Kontaminanten, daher war es in der Vergangenheit ein grundlegendes Ziel, sie zu eliminieren oder auf einem niedrigen Niveau zu halten [3]. Um ihre Aktivität bei der Weingärung zu eliminieren, ist es üblich, die Tanks und Gärbehälter mit Sulfit zu desinfizieren. Diese Wahrnehmung hat sich Jahr für Jahr geändert, wodurch die Wirkung dieser Hefen in der Spontangärung an Relevanz gewinnt, da sie positiv zur sensorischen Endqualität des Weines beitragen. Diese Hefen sind die Mehrheit in der Anfangsphase der Spontangärung bis zu dem Punkt, an dem die Ethanolkonzentration 4 und 5 % erreicht. v/v. An diesem Punkt, zwischen Alkohol und Erschöpfung des gelösten Sauerstoffs, wird ihr Wachstum gehemmt [4]. Wenn der Vorgang abgeschlossen ist, Saccharomyces Hefen, die am widerstandsfähigsten gegen Ethanol sind, überwiegen und vervollständigen die Gärung. Es wurde berichtet, dass einige nicht-Saccharomyces Hefen können gegen Ende der Spontangärung überleben und ihre Stoffwechselaktivität entfalten und so positiv zur sensorischen Qualität von Weinen beitragen. Basierend auf diesen Erkenntnissen haben viele Forscher in den letzten Jahren ihre Studien auf das Verständnis der Natur und der fermentativen Aktivität der nicht-Saccharomyces Hefen [5]. Die Ergebnisse zeigten das enorme Potenzial dieser Hefen für die Fermentation traditioneller und nicht traditioneller Getränke. Trotz der Tatsache, dass die meisten Nicht-Saccharomyces Hefen weisen einige technologische Nachteile gegenüber S. cerevisiae wie geringere Gärkraft und Produktion von Ethanol, nicht-Saccharomyces Hefen besitzen Eigenschaften, die in S. cerevisiae fehlen z. B. hohe Mengen an aromatischen Verbindungen wie Estern, höheren Alkoholen und Fettsäuren [6]. Darüber hinaus wurde berichtet, dass sich die fermentative Aktivität dieser Hefen in Gegenwart geringer Sauerstoffmengen manifestiert, was zu einer Erhöhung der Zellbiomasse und einer Verringerung der Ethanolausbeute führt, eine Strategie, die verwendet werden kann, um den Ethanolgehalt zu reduzieren von Weinen in Kokultur mit S. cerevisiae [7]. Mit dem Ziel, die positiven Eigenschaften nicht-Saccharomyces Hefen und Reduzierung ihrer negativen Auswirkungen, Fermentationen mit gemischten und sequentiellen Kulturen mit S. cerevisiae kann durchgeführt werden, um fermentierte Getränke mit unterschiedlichen sensorischen Profilen herzustellen [8]. Die wichtigste Tatsache bezieht sich auf das Potenzial zur Herstellung einer breiten Palette von Verbindungen von sensorischer Bedeutung, die zur Verbesserung der organoleptischen Qualität von Weinen und Bieren erforderlich sind. Die bisher in der Literatur berichteten Erkenntnisse haben dazu geführt, die Rolle dieser Hefen in fermentativen Prozessen zu überdenken und ihren Einsatz bei der Entwicklung neuer Produkte zu bewerten. Zu den am besten untersuchten nicht-Saccharomyces Hefen, die für Forscher besondere Bedeutung erlangten, sind Kandidat, Klöckera, Hanseniaspora, Brettanomyces, Pichia, Lanchacea und Kluyveromyces, unter anderen.


Eine wesentliche Rolle des Hefe-Pheromon-induzierten Ca2+-Signals besteht darin, Calcineurin zu aktivieren.

Frühere Studien zeigten, dass der Alpha-Faktor in Wildtyp-(MATa)-Zellen einen wesentlichen Anstieg des zytosolischen Ca2+ verursacht. Wir zeigen, dass Calcineurin, die Ca2+/Calmodulin-abhängige Proteinphosphatase, ein Ziel dieses Ca2+-Signals ist. Calcineurin-Mutanten verlieren ihre Lebensfähigkeit, wenn sie mit Paarungspheromon inkubiert werden, und eine Überproduktion von konstitutiv aktivem (Ca(2+)-unabhängigem) Calcineurin verbessert die Lebensfähigkeit von Wildtypzellen, die Pheromon in Ca(2+)-defizientem Medium ausgesetzt wurden. Eine wesentliche Folge des pheromoninduzierten Anstiegs von zytosolischem Ca2+ ist somit die Aktivierung von Calcineurin. Obwohl Calcineurin die intrazelluläre Ca2+-Sequestrierung in Hefezellen hemmt, umgehen weder erhöhtes extrazelluläres Ca2+ noch Defekte im vakuolären Ca2+-Transport den Bedarf an Calcineurin während der Pheromonreaktion. Diese Beobachtungen legen nahe, dass sich die wesentliche Funktion von Calcineurin bei der Pheromonantwort von seiner Modulation der intrazellulären Ca2+-Spiegel unterscheiden kann. Mutanten, die keinen Pheromon-induzierten Zellzyklusarrest (fus3, far1) durchlaufen, zeigen während der Behandlung mit Pheromon eine verringerte Abhängigkeit von Calcineurin. Somit ist Calcineurin in Hefezellen während längerer Exposition gegenüber Pheromonen und insbesondere unter Bedingungen eines durch Pheromon induzierten Wachstumsstillstands essentiell. Eine Ultrastrukturuntersuchung von Pheromon-behandelten Zellen zeigt, dass die Vakuolenmorphologie in Calcineurin-defizienten Zellen abnormal ist, was darauf hindeutet, dass Calcineurin für die Aufrechterhaltung der richtigen Vakuolenstruktur oder -funktion während der Pheromonreaktion erforderlich sein kann.


Kapitel 3 - Hefebiotechnologie

Hefen haben eine reiche Geschichte und eine glänzende Zukunft in der Biotechnologie. Ihre Beteiligung und Bedeutung bei der traditionellen Lebensmittelfermentation ist mit anderen biotechnologisch relevanten Organismen vergleichbar. Der Einsatz von Hefen in biotechnologischen Prozessen beschleunigt sich aufgrund einer Reihe von Eigenschaften und Entwicklungen. Die meisten Hefearten sind für Mensch und Tier nicht pathogen und werden daher voraussichtlich in einer Vielzahl von Disziplinen, die für menschliche Aktivitäten von Bedeutung sind, mehr Verwendung finden. Es ist wahrscheinlich, dass Hefen zunehmend in traditionellen Verfahren verwendet werden, da ihre Sicherheit umfassender nachgewiesen ist. S. cerevisiae und bestimmte andere Arten werden zur Herstellung von Biokraftstoffen aus Cellulosematerialien und möglicherweise anderen Substraten entwickelt und werden bei der Erzeugung neuer Energiequellen von Bedeutung sein. In den letzten zehn Jahren wurden Hefesysteme für die Produktion heterologer Proteine ​​in hohen Ausbeuten und mit posttranslationalen Modifikationen entwickelt, die den beim Menschen durchgeführten Modifikationen äquivalent oder ähnlich sind. Hefen werden als Biokatalysatoren für die Herstellung hochwertiger Feinchemikalien und Proteinpharmazeutika immer wichtiger. Aufgrund ihrer metabolischen Fähigkeiten spielen sie eine wichtige Rolle bei der ökologischen Bioremediation.


Hefe PAG

Die aerobe Atmung umfasst die Glykolyse, die Link-Reaktion, den Krebs-Zyklus und die oxidative Phosphorylierung. Es ist der Prozess, bei dem Glukose mehrmals abgebaut wird, während NAD und FAD reduziert werden. Diese Wasserstoffionen treiben die Produktion von ATP aus der ATP-Synthase nach der Chemiosmose an. Kohlendioxid entsteht jedoch nur in der Link-Reaktion, da Pyruvat in Acetat umgewandelt wird, und im Krebs-Zyklus zweimal. Für ein Molekül Glukose werden 6 Moleküle Kohlendioxid und 32 Moleküle ATP produziert.

Die Struktur von Kohlenhydraten

Kohlenhydrate sind in der Regel Polymere aus Monomeren (Monosacchariden). Ein Hexosemonosaccharid hat 6 Kohlenstoffatome und kann Alpha sein, wenn das H über dem OH an Kohlenstoff 1 liegt, oder Beta, wenn es darunter liegt. Alle Kohlenhydrate bestehen aus Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff mit der Formel: CnH2nOn. Monosaccharide können sich durch glykosidische Bindungen zu Disacchariden verbinden. Es findet eine Kondensationsreaktion statt, bei der ein Wassermolekül entfernt wird. Ein Polysaccharid besteht aus mehr als zwei miteinander verbundenen Monomeren.

 Hefesuspension  5 x Zuckerlösungen (Glukose, Saccharose, Lactose, Maltose & Fructose)

 5 x Boiling Tubes  Wasserbad (bei 25°C)  6 x Pipette  Boiling Tube Rack

 6 x 10 cm 3 Messzylinder  Gasspritze (mit Siederohr-Spund & Ampere-Zufuhrrohr)  Timer/Stoppuhr

  1. Sammeln Sie die Ausrüstung und stellen Sie sie wie in der Abbildung unten gezeigt auf. (2)
  2. 5 cm 3 Zuckerlösung bekannter Konzentration mit einer sauberen Pipette in einen sauberen Messzylinder geben. (1) (2)
  3. 5 cm 3 Zuckerlösung in alle 5 kochenden Röhrchen im Wasserbad geben. (1) (2)
  4. 5 Minuten ruhen lassen, damit die Zuckerlösung auf Temperatur kommt. (1)
  5. Mit einer Pipette 5 cm 3 Hefesuspension in den sauberen Messzylinder geben. (2)
  6. Überprüfen Sie, ob die Gasspritze auf 0 eingestellt ist, geben Sie dann Hefesuspension in ein Siederohr, fügen Sie sofort Spund hinzu und starten Sie den Timer. (1)
  7. Tragen Sie nach 5 Minuten das produzierte CO 2 -Volumen in die Ergebnistabelle ein und entfernen Sie dann den Spund. (1)
  8. Wiederholen Sie die Schritte 5-7 für die restlichen 4 Siederohre, um den Durchschnitt zu berechnen. (1)
  9. Nach 5 Tests mit einer Zuckerlösung alle kochenden Röhrchen entfernen und ausspülen.
  10. Stellen Sie die kochenden Röhrchen wieder in das Gestell und wiederholen Sie die Schritte 2-9 für alle Zuckerlösungen.

Kohlenhydrat Nach 5 Minuten produziertes Kohlendioxidvolumen (cm 3 ) CO 2 -Produktionsrate (cm 3 /min) Test 1 Test 2 Test 3 Test 4 Test 5 Durchschnittliche Glucose 10 12 12 11 9 10,8 2. Saccharose 5 5 4 3 4 4,2 0. Lactose 6 5 4 6 5 5,2 1. Maltose 4 3 3 4 3 3,4 0. Fructose 8 7 6 7 8 7,2 1.

Glucose Saccharose Lactose Maltose Fructose

Ein Diagramm, das die Geschwindigkeit der Kohlendioxidproduktion pro Minute durch Hefe zeigt, die 5 verschiedene Kohlenhydrate einatmet

Rate der Kohlendioxidproduktion (cm3/Minute)

Wie die Grafik zeigt, wurde Glukose mit durchschnittlich 2,16 cm³ Kohlendioxid pro Minute am schnellsten geatmet und Fruktose war mit 1,44 cm³/min am zweitschnellsten. Glucose trat sofort in die Glykolyse ein und produzierte Kohlendioxid, während Fructose aufgrund ihrer unterschiedlichen Struktur verändert werden musste, bevor sie in die Glykolyse eintreten konnte. Fructose war 0,72 cm 3 /min langsamer als Glucose aufgrund der Zeit, die benötigt wurde, um ihre Struktur zu ändern, was die Atmungsrate verlangsamte.

Saccharose, Lactose und Maltose wurden am langsamsten geatmet, da sie alle Disaccharide sind, dh sie enthalten eine glykosidische Bindung. Diese Bindung verhinderte, dass sie sofort in die Glykolyse eintreten. Um diese Bindungen durch Hydrolyse aufzubrechen, wurden die Enzyme Saccharose, Lactase und Maltase benötigt, die jedoch zunächst an Ribosomen synthetisiert werden mussten. Dies führte dazu, dass die Hefezelle diese Kohlenhydrate langsam einatmete, da die Proteinsynthese Zeit brauchte und daher die Hefe über 5 Minuten weniger Kohlendioxid produzierte, wobei die niedrigste Maltose mit 0,68 cm 3 /min war.

Quelle 1: Charlotte Burrows, Katherine Faudemer, Rachel Kordon, Christopher Lindle, Rachael Marshall, Christopher McGarry, Sarah Pattison, Claire Plowman, Rachael Rogers, Camila Simson (Hrsg.) (2015), A Level Year 2 Biology Exam Board: OCR A, Koordinationsgruppe Publikationen AG (CGP)


Aktivität 8.1 Wie reproduzieren sich Organismen

Kurze Vorgehensweise: Die Aktivität 8.1 fordert uns auf, das Gleiten von Hefe in Zuckerlösung zu beobachten.

Überwachung: Unter dem Mikroskop sehen wir Hefen, die sich durch Knospenbildung vermehren.

Kleine Knospen um eine große Knospe sind neu gebildete Hefen.

Erläuterung:

Hefe ist ein einfacher einzelliger Pilz. In einem günstigen Medium vermehrt es sich durch Knospung. Hier erscheint ein kleiner Auswuchs in der Hefe. Bald verdoppelt sich das genetische Material und eine Kopie geht an die sich neu bildende Knospe. Jetzt löst sich die Knospe von der Mutterhefe und beginnt einen neuen Lebenszyklus.

Das Vorhandensein von Zucker in Lösung wirkt als günstiges Medium für die Hefe, da es ihnen eine Energiequelle liefert. Hier verwertet Hefe Zucker und bildet unter Freisetzung von Kohlendioxid Alkohol.

Anwendung: Beim Aufgehen von Teig erhöhen wir zuerst die Anzahl der Hefen, indem wir Hefe zu einer warmen Zuckerlösung hinzufügen. Diese Lösung hebt den Teig schneller.


8.2: Hefen - Biologie

biology instruction, Dordt College, molecular biology, laboratory experiments, Y2H clones

Abstrakt

A challenge with upper level biology labs is that experiments cannot normally be done in a 3-hour window. It can also be a challenge to stay motivated when doing labs with predetermined outcomes. Third, a “one size fits all” laboratory can be boring for those of us with previous experience. Finally, having to share a small lab space with many classmates simultaneously makes working efficiently difficult. An unexpectedly large enrollment in our molecular biology lab course provided our professor with an opportunity to use a class project to address the above concerns. One of our professors has a collection of clones from an initial Y2H screen for proteins that interact with a myosin protein. Each of us was assigned 3 clones in yeast that we characterized. This included plasmid isolation from yeast, transformation of E. coli, plasmid isolation from E. coli, DNA quantitation, restriction analysis, DNA sequencing, and BLAST analysis to identify and characterize our clones. We could not begin our research until we had verbally demonstrated understanding of the Y2H system to the instructor. We needed our lab notebook signed before each step in the process, which we could then do at any time the lab was open. Results were presented in a formal lab report. This approach allowed us to take ownership of our projects, troubleshoot problems, and learn techniques on our own. It also staggered the use of lab space and facilities, allowing more of us to work on our own time, while less experienced students could use the regular time block with more instructor availability. This lab was a positive learning experience we got a better feel for the nature of scientific research, gained independence in the lab and were more invested in obtaining results.

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Poster presented at the 5th Annual FUTURE in Biomedicine Symposium held on the campus of the University of Iowa in Iowa City, Iowa, August 2, 2013.


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Bax- and Bak-induced cell death in the fission yeast Schizosaccharomyces pombe.

The effects of the expression of the human Bcl-2 family proteins Bax, Bak, Bcl-2, and Bcl-XL were examined in the fission yeast Schizosaccharomyces pombe and compared with Bax-induced cell death in mammalian cells. Expression of the proapoptotic proteins Bax and Bak conferred a lethal phenotype in this yeast, which was strongly suppressed by coexpression of the anti-apoptotic protein Bcl-XL. Bcl-2 also partially abrogated Bax-mediated cytotoxicity in S. pombe, whereas a mutant of Bcl-2 (Gly145Ala) that fails to heterodimerize with Bax or block apoptosis in mammalian cells was inactive. However, other features distinguished Bax- and Bak-induced death in S. pombe from animal cell apoptosis. Electron microscopic analysis of S. pombe cells dying in response to Bax or Bak expression demonstrated massive cytosolic vacuolization and multifocal nuclear chromatin condensation, thus distinguishing this form of cell death from the classical morphological features of apoptosis seen in animal cells. Unlike Bax-induced apoptosis in 293 cells that led to the induction of interleukin-1 beta-converting enzyme (ICE)/CED-3-like protease activity, Bax- and Bak-induced cell death in S. pombe was accompanied neither by internucleosomal DNA fragmentation nor by activation of proteases with specificities similar to the ICE/CED-3 family. In addition, the baculovirus protease inhibitor p35, which is a potent inhibitor of ICE/CED-3 family proteases and a blocker of apoptosis in animal cells, failed to prevent cell death induction by Bax or Bak in fission yeast, whereas p35 inhibited Bax-induced cell death in mammalian cells. Taken together, these findings suggest that Bcl-2 family proteins may retain an evolutionarily conserved ability to regulate cell survival and death but also indicate differences in the downstream events that are activated by overexpression of Bax or Bak in divergent cell types.


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