научная статья по теме КЛЕТОЧНАЯ СТЕНКА ГРИБОВ: СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О СОСТАВЕ И БИОЛОГИЧЕСКОЙ ФУНКЦИИ Биология

Текст научной статьи на тему «КЛЕТОЧНАЯ СТЕНКА ГРИБОВ: СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О СОСТАВЕ И БИОЛОГИЧЕСКОЙ ФУНКЦИИ»

МИКРОБИОЛОГИЯ, 2010, том 79, № 6, с. 723-733

= ОБЗОР =

УДК 582.281(047)

КЛЕТОЧНАЯ СТЕНКА ГРИБОВ: СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О СОСТАВЕ И БИОЛОГИЧЕСКОЙ ФУНКЦИИ

© 2010 г. Е. П. Феофилова1

Учреждение Российской академии наук Институт микробиологии им. С.Н. Виноградского РАН, Москва

Поступила в редакцию 05.11.2009 г.

Обзор посвящен мало изученной поверхностной структуре клетки мицелиальных грибов — клеточной стенке (КС). Приводятся данные о методах выделения и проверке чистоты на отсутствие цитоплазмати-ческого содержимого во фракции КС и о ее химическом составе. Подробно рассматриваются структурные (каркасные) и внутриструктурные компоненты КС — аминополисахариды, а- и в-глюканы, белки, липиды, уроновые кислоты, гидрофобины, спорополленин и меланины. Особое внимание уделяется хитину, его новой функции в антистрессовой защите клеток, а также отличиям этого аминополисахарида грибов от хитина водорослей и Arthropoda. Обсуждается феномен апикального роста гифы и участие специальных микровезикул в морфогенезе грибной клетки. Приводятся данные о ферментах, участвующих в синтезе и лизисе КС. В заключение обсуждается функциональная значимость КС у грибов по сравнению с поверхностными структурами высших эукариот.

Ключевые слова: мицелиальные грибы, клеточная стенка, методы выделения, химический состав, апикальный рост, физиологические функции, морфогенез.

Одной из ключевых проблем современной биологии является вопрос — каким образом в процессе развития происходит образование морфологически одинаковых организмов, какие биохимические механизмы и какие клеточные структуры участвуют в этом процессе, который уже миллиарды лет протекает на нашей планете. Не менее интересными представляются данные о том, как влияет стресс на морфогенез и какие биополимеры контролируют внешнюю форму клеток. Как показывают результаты исследований последних лет, растущая гифа ми-целиальных грибов является уникальной моделью, позволяющей понять процесс формообразования клеток и то, как сохраняется в онтогенезе постоянство клеточной морфологии. Очень большой вклад в исследование этого феномена внесли данные по изучению состава и биологической функции КС мицелиальных грибов.

КС растений была открыта в 1665 году, а КС грибов только в начале 18 столетия. Однако эта поверхностная клеточная структура длительное время практически не изучалась, так как считалось, что КС выполняет только "каркасную" функцию, и ее сравнивали со стенами дома, несущими опорную нагрузку. Но в начале XX века отношение к КС резко изменилось, ее начали интенсивно исследовать, но в основном у растений и бактерий. Однако интенсивное развитие грибоводства и биотехнологических производств, в которых продуцентами БАВ были мицелиальные грибы, интенсифицировали разви-

1 Адрес для корреспонденции (e-mail: feofilov@inmi.host.ru).

тие научных исследований по изучению КС грибов. Данные по этой поверхностной структуре за период до 80-х годов прошлого столетия были обобщены в первой в мире книге по КС грибов [1]. В последующие годы основной массив работ пришелся на конец XX и начало XXI веков. Были проведены основополагающие исследования, посвященные систематике, химическому составу КС, апикальному росту гифы, метаболизму хитина, антигрибным препаратам, гидрофобинам, ковалентно связанным белкам, ферментам, участвующим в образовании КС, ветвлении гиф и лизисе КС [2—14]. Эти данные не были обобщены, но именно обсуждение их в совокупности позволяет показать, что эта поверхностная структура клетки несет полифункциональную нагрузку и выполняет такие важнейшие функции, как, например, защита клетки от действия неблагоприятных факторов, контроль морфогенеза, участие в процессах репродукции, определение антигенных и адгезивных свойств, контроль процессов диморфизма и образования покоящихся клеток грибов, восприятие внешнего сигнала и передача его на мембрану и внутриклеточные мессенджеры. Учитывая сказанное, мы считали целесообразным остановиться на обсуждении следующих данных: о химическом составе КС, биологической функции ее основных биополимеров, строении КС и межклеточных взаимодействиях в гифах грибов, феномене апикального роста гифы, основных ферментах, участвующих в образовании и лизисе КС.

ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ КЛЕТОЧНОЙ

СТЕНОКИ ГРИБОВ И БИОЛОГИЧЕСКАЯ ФУНКЦИЯ ЕЕ ОСНОВНЫХ КОМПОНЕНТОВ

Изучение химического состава КС грибов начинается с получения чистой фракции этой структуры, т.е. очистки КС от цитоплазматического загрязнения. Первоначальная процедура — разрушение клеток грибов и отмывка от клеточного содержимого — осуществляется при низкой температуре (около 4— 5°С) для того, чтобы предотвратить разрушительную деятельность деградирующих ферментов. Перед разрушением клеток их замораживают при температуре жидкого азота. Разрушение клеток осуществляется либо в специальных гомогенизаторах, либо на прессах методом "твердого давления". Хорошие результаты дает дальнейшее использование ультразвукового дезинтегратора. Отмывка клеточного содержимого осуществляется холодной водой и повторяется 4—5 раз. Для более тщательного удаления цитоплазматического содержимого используют отмывку с использованием №С1, 8 М мочевины, 1 М аммония или 0.5 М уксусной кислоты. В настоящее время разработаны методы выделения КС грибов в процессе их онтогенеза, причем эти методы существенно различаются для мицелия и покоящихся клеток [15]. В зависимости от направления исследований, в частности, при определении полисахарид-ного состава, из КС извлекают липиды, используя органические растворители, например, хлороформ и метанол в соотношении 2 : 1, иногда хорошие результаты дает дополнительная обработка КС серным эфиром. Этот растворитель хорошо подсушивает КС и иногда может заменить лиофильную сушку. Следующий этап — определение чистоты полученной фракции КС. С этой целью используют световую и электронную микроскопию и специализированные методы окраски. Наиболее часто применяется реакция, основанная на взаимодействии I3- с хитозаном. Изолированные чистые КС с раствором Люголя окрашиваются в розовый или фиолетовый цвет, в то время как интактные КС имеют красную окраску [16]. Используется также окраска на наличие ядер с DAPI (4,6-ёкт1ёто-2-ркепуЦп-ёо1). Следует особо подчеркнуть, что выделение чистой фракции КС является очень ответственной процедурой, от которой зависят последующие результаты анализа ее химического состава. В этом отношении интересна работа [17], в которой у представителя мукоровых грибов обнаружен в мицелии глюкан, точнее, хитозан-глюкановый комплекс, хотя все предыдущие исследования свидетельствовали об отсутствии в мицелии Mucorales глюкана [1].

В настоящее время компоненты КС грибов разделяют на структурные компоненты (хитин, р-(1— 3)—р(1—6)-глюканы, р-(1-4)-глюкан (целлюлоза), и внутриструктурные (их называют матрикс), к которым стали относить маннопротеины, галакто-ман-нопротеины, ксило-маннопротеины, глюкуроно-

маннопротеины и а-(1—3)-глюкан [18]. Наименее изучены а-глюканы, представляющие собой линейный полимер глюкозы (у Schizosaccharomyces pombe такой глюкан содержит приблизительно около 260 остатков глюкозы). Этот полимер состоит из двух связанных линейных цепей, содержащих около 120 (1—3)-а^-глюкозных остатков и (1—4)-a-D-глюкозных остатков на концах молекулы полимера. Предполагают, что этот глюкан необходим для протекания процесса морфогенеза [19]. Из КС мицелия Penicillium roqueforti выделен нерастворимый в воде глюкан, который после высушивания теряет способность растворяться в щелочи, однако его удалось растворить в 10% растворе хлорида лития в диме-тилсульфоксиде. При изучении глюкана методом метилирования были получены два, три-О-метил-производных глюкозы, отвечающие связям 1 —► 3 и 1 —»- 4 между моносахаридами в соотношении около 5 : 2, и следы тетра-О-метил-производного, отвечающего концевым невосстанавливающим мо-носахаридным остаткам. Такой результат свидетельствует о линейной структуре молекул, содержащих только 1 —»- 3 и 1 —»- 4 связи между остатками глюкозы. Эти данные были подтверждены анализом спектра 13С-ЯМР полисахарида, из которого также следует а-конфигурация всех остатков глюкозы [20]. Такие полисахариды, особенно после химической модификации (сульфатирования или карбосимети-лирования), способной придать им растворимость в воде, могут быть использованы как биологически активные полимеры и представляют интерес для изучения их биологической функции в клеточной стенке грибов и растений.

Нерастворимые в воде (1 —»- 3)-а^-глюканы были выделены ранее из нескольких видов высших и низших грибов, в том числе из Penicillium chrysoge-num [21], а родственные а^-глюканы с двумя типами связей (1 —3) и (1 —»- 4), различающиеся их соотношением, находили в высших растениях (Aconi-tum kusnezoffii Reichb [22]).

Структурный компонент — целлюлоза — характерен для оомицетных грибов, которых по современной систематике относят к псевдогрибам [23]. Мо-носахаридный состав КС включает глюкозу, манно-зу, ксилозу, причем, преобладающим сахаром является глюкоза, составляющая до 68%. В состав КС грибов входят также аминокислоты, липиды (не более 3%) и ^ацетил^—глюкозамин. Глюканы, например, 1,3-глюкан, образуют прочный комплекс с хитином, называемый хитин-глюкановым комплексом (ХГК), который составляет скелет грибной клетки. Этот комплекс присутствует в КС практически у всех грибов, за исключением зигомицетов, что служит надежным систематическим признаком. У некоторых грибов на поверхности КС обнаружен слизистый материал, состоящий из полисахаридов, представленных ß-1,3-глюканами, содержащими только глюкозные единицы, соединенные ß-1,6-связями с каждой третьей единицей глюкозы по

длине основной цепи. На внешней поверхности КС гифы присутствует S-глюкан, состоящий исключительно из 1,3-связанных глюкозных остатков, и особые белки, называемые гидрофобинами, а также пигменты фенольной природы — меланины.

Основным полисахаридом КС грибов является хитин (поли-^ацетил^-глюкозамин) [24]. Это широко распространенный в природе биополимер, по ряду своих физико-химических свойств напоминающий целлюлозу. В приро

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком