酵母

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酵母菌是一些單細胞真菌,並非系統演化分類的單元。酵母菌是人類文明史中被應用得最早的生物。可在缺氧環境生存。目前已知有1000多種酵母,根據酵母菌產生孢子(子囊孢子和擔孢子)的能力,可將酵母分成三類:形成孢子的株系屬於子囊菌和擔子菌。不形成孢子但主要通過出芽XX來繁殖的稱為不完全真菌,或者叫「假酵母」(類酵母)。目前已知大部分酵母被分類到子囊菌門。酵母菌在自然界分佈廣泛,主要生長在偏酸性的潮濕的含糖環境中,而在釀酒中,它也十分重要。而且貓吃了還會脹大,非常的危險。

生物學定義

  是一種單細胞真菌,在有氧和無氧環境下都能生存,屬於兼性厭氧菌.

生理

  酵母營專性或兼性好氧生活,目前未知專性厭氧的酵母。在缺乏氧氣時,發酵型的酵母通過將糖類轉化成為二氧化碳乙醇(俗稱酒精)來獲取能量。

酵母菌圖冊(7張)   C6H12O6(酶)→2C2H5OH(酒精)+2CO2+少量能量   在釀酒過程中,乙醇被保留下來;在烤麵包或蒸饅頭的過程中,二氧化碳將麵團發起,而酒精則揮發。   在有氧氣的環境中,酵母菌將葡萄糖轉化為水和二氧化碳。無氧的條件下,將葡萄糖分解為二氧化碳和酒精。   在溫度適合時,氧氣和養料充足的條件下,以出芽方式迅速增殖

化學元素組分

  酵母的化學組成與培養基、培養條件和酵母本身所處的生理狀態有關。   一般情況下:   酵母細胞的平均元素組成(%)如下: 碳-47 氫-6.5 氧-31 氮-7.5~10 磷-1.6~3.5   其他元素的含量很少(%)   鈣-0.3~0.8 鉀-1.5-2.5 鎂--0.1~0.4 鈉-0.06-0.2 硫-0.2   在酵母中發現的微量元素(mg/kg)   鐵--90-350 銅:20-135 鋅:100-160 鈷:15-65

細胞壁

  細胞壁厚約25~70nm,細胞壁分為三層,外層為甘露聚糖;中層為蛋白質,其中多數是酶,少數是結構蛋白;內層為葡聚糖,它使細胞保持一定的機械強度。此外,細胞壁還含有少量脂類幾丁質芽痕)。

不同種屬的酵母菌細胞壁不含甘露聚糖。

細胞膜

  酵母菌的細胞膜是由磷脂雙分子層構成,中間嵌有甾醇和蛋白質

細胞核

  每個細胞通常只有一個核,但也有含有兩個核或者甚至多個核。細胞核由核被膜、染色質核仁和核基質組成。   核由雙層膜包被,核膜上有許多核孔。染色質的基本單位是核小體,它是由DNA與組蛋白結合而成。

染色體外DNA

  主要有兩類,即線粒體DNA和2μm質粒DNA。線粒體DNA是雙鏈DNA,編碼大量呼吸酶

細胞質細胞器

  細胞質位於細胞膜內,是一種粘稠液體,內含各種細胞器,如線粒體、內質網核糖體、微體、液泡

特徵

各種酵母菌的菌落

  多數酵母可以分離於富含糖類的環境中,比如一些水果(葡萄、蘋果、桃等)或者植物分泌物(如仙人掌的汁)。一些酵母在昆蟲體內生活。酵母菌是單細胞真核微生物。酵母菌細胞的形態通常有球形、卵圓形、臘腸形、橢圓形、檸檬形或藕節形等。比細菌的單細胞個體要大得多,一般為1~5微米或5~20微米。酵母菌無鞭毛,不能遊動。酵母菌具有典型的真核細胞結構,有細胞壁、細胞膜、細胞核、細胞質、液泡、線粒體等,有的還具有微體。   酵母菌的遺傳物質組成:細胞核DNA,線粒體DNA,以及特殊的質粒DNA。   大多數酵母菌的菌落特徵與細菌相似,但比細菌菌落大而厚,菌落表面光滑濕潤、粘稠,容易挑起,菌落質地均勻,正反面和邊緣、中央部位的顏色都很均一,菌落多為乳白色,少數為紅色,個別為黑色。   未發現其有性階段的酵母菌稱假酵母。

用途

  在醫藥工業中,酵母及其製品用於治療某些消化不良症,並能提高調整人體的新陳代謝機能。因此,藥用酵母的生產在酵母工業中佔有重要的地位。   在畜牧業中,酵母廣泛用作精飼料以增加飼料中的蛋白質含量,對提高禽畜的出肉率、產蛋率和產乳率,對肉質的改良和毛皮質量的提高均有明顯的效果

XX

  酵母菌的XX方式分無性繁殖和有性繁殖兩大類。   無性繁殖包括:芽殖,裂殖,芽裂。   有性繁殖方式:子囊孢子。

出芽繁殖

  這是酵母菌進行無性繁殖的主要方式。成熟的酵母菌細胞,先長出一個小芽,芽細胞長到一定程度,脫離母細胞繼續生長,而後形成新個體。有多邊出芽、兩端出芽、和三邊出芽。

分裂XX

  少數種類的酵母菌與細菌一樣,借細胞橫分裂而繁殖。

芽裂

  母細胞總在一端出芽,並在芽基處形成隔膜,子細胞呈瓶狀。這種方式很少。   有性繁殖:在合適的條件下接合子減數分裂,雙倍體核分裂為4~8個單倍體核,形成子囊孢子,包含在由酵母菌細胞壁演變來的子囊中。子囊孢子又可萌發成單倍體營養細胞。   酵母可以通過出芽進行無性XX,也可以通過形成子囊孢子進行有性XX。無性XX即在環境條件適合時,從母細胞上長出一個芽,逐漸長到成熟大小后與母體分離。

有性XX

  在營養狀況不好時,一些可進行有性XX的酵母會形成孢子(一般是四個),在條件適合時再萌發。一些酵母,如假絲酵母(或稱念珠菌,Candida)不能進行有性繁殖。

酵母菌細胞結構的顯微照片

酵母菌的生長條件

營養

  酵母菌同其它活的有機體一樣需要相似的營養物質,象細菌一樣它有一套胞內和胞外酶系統,用以將大分子物質分解成細胞新陳代謝易利用的小分子物質。屬於異養。

水分

  像細菌一樣,酵母菌必須有水才能存活,但酵母需要的水分比細菌少,某些酵母能在水分極少的環境中生長,如蜂蜜和果醬,這表明它們對滲透壓有相當高的耐受性

酸度

  酵母菌能在pH值為3.0-7.5 的範圍內生長,最適pH 值為pH4.5-5.0。

溫度

  在低於水的冰點或者高於47℃的溫度下, 酵母細胞一般不能生長,最適生長溫度一般在20℃~30℃。

氧氣

  酵母菌在有氧和無氧的環境中都能生長,即酵母菌是兼性厭氧菌,在有氧的情況下,它把糖分解成二氧化碳和水,在有氧存在時,酵母菌生長較快。在缺氧的情況下,酵母菌把糖分解成酒精和二氧化碳。用途 最常提到的酵母釀酒酵母(也稱麵包酵母)(Saccharomyces cerevisiae),自從幾千年前人類就用其發酵麵包和酒類,在醱酵麵包和饅頭的過程中麵團中會放出二氧化碳。   因酵母屬於簡單的單細胞真核生物,易於培養,且生長迅速,被廣泛用於現代生物學研究中。如釀酒酵母作為重要的模式生物,也是遺傳學分子生物學的重要研究材料。   酵母菌中含有環狀DNA---質粒,可以用來作基因工程的載體

屬性

  因為酵母多被用於發麵,很多人誤認為酵母是食品添加劑,但酵母在全球範圍都被認定為食品,它不屬於食品添加劑。在我國,酵母屬於食品的最直接的法律依據是GB2760-2007,其 規定酵母的食品分類號為16.04;具體可查閱《食品添加劑衛生使用衛生標準》GB2760-2007附錄F食品分類系統,即第248頁。並且酵母被歸為「其它食品」類,所有酵母產品均應標注有QS證。如果是食品添加劑則必須在產品包裝上標注「食品添加劑」字樣,無QS標識。

產品種類

  酵母產品有幾種分類方法。以人類食用和作動物飼料的不同目的可分成食用酵母和飼料酵母。食用酵母中又分成麵包酵母、食品酵母、藥用酵母和飼料酵母等。

麵包酵母

麵包酵母

  又分壓榨酵母、活性乾酵母和快速活性乾酵母。①壓榨酵母:採用釀酒酵母生產的含水分70~73%的塊狀產品。呈淡黃色,具有緊密的結構且易粉碎,有強的發麵能力。在4℃可保藏1個月左右,在0℃能保藏2~3個月產品最初是用板框壓濾機將離心后的酵母乳壓榨脫水得到的,因而被稱為壓榨酵母,俗稱鮮酵母。發麵時,其用量為麵粉量的1~2%,發麵溫度為28~30℃,發麵時間隨酵母用量、發麵溫度和麵團含糖量等因素而異,一般為1~3小時。②活性乾酵母:採用釀酒酵母生產的含水分8%左右、顆粒狀、具有發麵能力的乾酵母產品。採用具有耐乾燥能力、發酵力穩定的醇母經培養得到鮮酵母,再經擠壓成型和乾燥而製成。發酵效果與壓榨酵母相近。產品用真空或充惰性氣體(如氮氣或二氧化碳)的鋁箔袋或金屬罐包裝,貨架壽命為半年到1年。與壓榨酵母相比,它具有保藏期長,不需低溫保藏,運輸和使用方便等優點。③快速活性乾酵母:一種新型的具有快速高效發酵力的細小顆粒狀(直徑小於1mm)產品。水分含量為4~6%。它是在活性乾酵母的基礎上,採用遺傳工程技術獲得高度耐乾燥的釀酒酵母菌株,經特殊的營養配比和嚴格的增殖培養條件以及採用流化床乾燥設備乾燥而得。與活性乾酵母相同,採用真空或充惰氣體保藏,貨架壽命為1年以上。與活性乾酵母相比,顆粒較小,發酵力高,使用時不需先水化而可直接與麵粉混合加水製成麵團發酵,在短時間內發酵完畢即可焙烤成食品。

食品酵母

  不具有發酵力的繁殖能力,供人類食用的干酵母粉或顆粒狀產品。它可通過回收啤酒廠的酵母泥、或為了人類營養的要求專門培養並乾燥而得。美國、日本及歐洲一些國家在普通的糧食製品如麵包、蛋糕餅乾和烤餅中摻入5%左右的食用酵母粉以提高食品的營養價值。酵母自溶物可作為肉類、果醬、湯類、乳酪、麵包類食品、蔬菜及調味料的添加劑;在嬰兒食品、健康食品中作為食品營養強化劑。由酵母自溶浸出物制得的5′-核苷酸味精配合可作為強化食品風味的添加劑(見)。從安琪酵母中提取的濃縮轉化酶用作方蛋夾心巧克力液化劑。從以乳清為原料生產的酵母中提取的乳糖酶,可用於牛奶加工以增加甜度,防止乳清濃縮液中乳糖的結晶,適應不耐乳糖症的消費者的需要。

藥用酵母

  製造方法和性質與食品酵母相同。由於它含有豐富的蛋白質、維生素和酶等生理活性物質,醫藥上將其製成酵母片食母生片,用於治療因不合理的飲食引起的消化不良症。體質衰弱的人服用后能起到一定程度的調整新陳代謝機能的作用。在酵母培養過程中,如添加一些特殊的元素製成含硒、鉻等微量元素的酵母,對一些疾病具有一定的療效。如含硒酵母用於治療克山病大骨節病,並有一定防止細胞衰老的作用;含鉻酵母可用於治療糖尿病等。

飼料酵母

  飼料酵母:通常用假絲酵母或脆壁克魯維酵母經培養、乾燥製成是不具有發酵力,細胞呈死亡狀態的粉末狀或顆粒狀產品。它含有豐富的蛋白質(30~40%左右)、B族維生素氨基酸等物質,廣泛用作動物飼料的蛋白質補充物。它能促進動物的生長發育,縮短飼養期,增加肉量和蛋量,改良肉質和提高瘦肉率,改善皮毛的光澤度,並能增強幼禽畜的抗病能力。

危害

  有些酵母菌對生物或用具是有害的,例如紅酵母(Rhodotorula)會生長在浴簾等潮濕的傢具上;白色假絲酵母(或稱白色念珠菌)(Candida albicans)會生長在XX襯壁等濕潤的人類上皮組織

酵母作用

基因組組成

  在釀酒酵母測序計劃開始之前,人們通過傳統的遺傳學方法已確定了酵母中編碼RNA或蛋白質的大約2600個基因。通過對釀酒酵母的完整基因組測序,發現在12068kb的全基因組序列中有5885個編碼專一性蛋白質的開放閱讀框。這意味著在酵母基因組中平均每隔2kb就存在一個編碼蛋白質的基因,即整個基因組有72%的核苷酸順序由開放閱讀框組成。這說明酵母基因比其它高等真核生物基因排列緊密。如在線蟲基因組中,平均每隔6kb存在一個編碼蛋白質的基因;在人類基因組中,平均每隔30kb或更多的鹼基才能發現一個編碼蛋白質的基因。酵母基因組的緊密性是因為基因間隔區較短與基因中內含子稀少。酵母基因組的開放閱讀框平均長度為1450bp即483個密碼子,最長的是位於XII號染色體上的一個功能未知的開放閱讀框(4910個密碼子),還有極少數的開放閱讀框長度超過1500個密碼子。在酵母基因組中,也有編碼短蛋白的基因,例如,編碼由40個氨基酸組成的細胞質膜蛋白脂質的PMP1基因。此外,酵母基因組中還包含:約140個編碼RNA的基因,排列在XII號染色體的長末端;40個編碼SnRNA的基因,散佈於16條染色體;屬於43個家族的275個tRNA基因也廣泛分佈于基因組中。表1提供了酵母基因在各染色體上分佈的大致情況。

染色體簡況

  染色體編號

  長度(bp) 基因數 tRNA基因數   I 23×103 89 4   II 807188 410 13   III 315×103 182 10   IV 1531974 796 27   V 569202 271 13   VI 270×103 129 10   VII 1090936 572 33   VIII 561×103 269 11   IX 439886 221 10   X 745442 379 24   XI 666448 331 16   XII 1078171 534 22   XIII 924430 459 21   XIV 784328 419 15   XV 1092283 560 20   XVI 948061 487 17   序列測定揭示了酵母基因組中大範圍的鹼基組成變化。多數酵母染色體由不同程度的、大範圍的GC豐富DNA序列和GC缺乏DNA序列鑲嵌組成。這種GC含量的變化與染色體的結構、基因的密度以及重組頻率有關。GC含量高的區域一般位於染色體臂的中部,這些區域的基因密度較高;GC含量低的區域一般靠近端粒著絲粒,這些區域內基因數目較為貧乏。Simchen等證實,酵母的遺傳重組即雙鏈斷裂的相對發生率與染色體的GC豐富區相耦合,而且不同染色體的重組頻率有所差別,較小的Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅸ號染色體的重組頻率比整個基因組的平均重組頻率高。?   酵母基因組另一個明顯的特徵是含有許多DNA重複序列,其中一部分為完全相同的DNA序列,如rDNA與CUP1基因、Ty因子及其衍生的單一LTR序列等。在基因的間隔區包含大量的三核苷酸重複,引起了人們的高度重視。因為一部分人類遺傳疾病是由三核苷酸重複數目的變化所引起的。還有更多的DNA序列彼此間具有較高的同源性,這些DNA序列被稱為遺傳豐余(genetic redundancy)。酵母多條染色體末端具有長度超過幾十個kb的高度同源區,它們是遺傳豐余的主要區域,這些區域至今仍然在發生著頻繁的DNA重組過程。遺傳豐余的另一種形式是單個基因重複,其中以分散類型最為典型,另外還有一種較為少見的類型是成簇分佈的基因家族。成簇同源區(cluster homology region,簡稱CHR)是酵母基因組測序揭示的一些位於多條染色體的同源大片段,各片段含有相互對應的多個同源基因,它們的排列順序與轉錄方向十分保守,同時還可能存在小片段的XX或缺失。這些特徵表明,成簇同源區是介於染色體大片段重複與完全分化之間的中間產物,因此是研究基因組進化的良好材料,被稱為基因重複的化石。染色體末端重複、單個基因重複與成簇同源區組成了酵母基因組遺傳豐余的大致結構。研究表明,遺傳豐余中的一組基因往往具有相同或相似的生理功能,因而它們中單個或少數幾個基因的突變並不能表現出可以辨別表型,這對酵母基因的功能研究是很不利的。所以許多酵母遺傳學家認為,弄清遺傳豐余的真正本質和功能意義,以及發展與此有關的實驗方法,是揭示酵母基因組全部基因功能的主要困難和中心問題。

基因組分析

  在酵母基因組測序以前,人們已知道在酵母和哺乳動物中有大量基因編碼類似的蛋白質。對於一些編碼結構蛋白質(如核糖體和細胞骨架中的)在內的同源基因,人們並不感到意外。但某些同源基因卻出乎人們意料,如在酵母中發現的兩個同源基因RAS1和RAS2與哺乳動物的H-ras原癌基因高度同源。酵母細胞如同時缺乏RAS1和RAS2基因,呈現致死表型。在1985年,首次應用RAS1和RAS2基因雙重缺陷的酵母菌株進行了功能保守性檢測,結果表明,當哺乳動物的H-ras基因在RAS1和RAS2基因雙重缺陷的酵母菌株中表達時,酵母菌株可以恢復生長。因此,酵母的RAS1和RAS2基因不僅與人類的H-ras原癌基因在核苷酸順序上高度同源,而且在生物學功能方面保守。   隨著整個酵母基因組測序計劃的完成,人們可以估計有多少酵母基因與哺乳動物基因具有明顯的同源性。Botstein等將所有的酵母基因同GenBank資料庫中的哺乳動物基因進行比較(不包括EST順序),發現有將近31%編碼蛋白質的酵母基因或者開放閱讀框與哺乳動物編碼蛋白質的基因有高度的同源性。因為資料庫中並未能包含所有編碼哺乳動物蛋白質的序列,甚至不能包括任何一個蛋白質家族的所有成員,所以上述結果無疑會被低估。酵母與哺乳動物基因的同源性往往僅限於單個的結構域而非整個蛋白質,這反映了在蛋白質進化過程中功能結構域發生了重排。在酵母5800多個編碼蛋白質的基因中,約41%(~2611個)是通過傳統遺傳學方法發現的,其餘都是通過DNA序列測定所發現。約有20%酵母基因編碼的蛋白質與其它生物中已知功能的基因產物具有不同程度的同源性(其中約6%表現出很強的同源性,約12%表現出稍弱的同源性),從而能初步推測其生物學功能。酵母基因組中有10%基因(約653個)與其它生物中功能未知的蛋白質的基因具有同源性,被稱為孤兒基因對或孤兒基因家族(orphan pairs or family);約25%的基因(~1544個)則與所有已發現的蛋白質的基因沒有同源性,屬首次發現的新基因,是真正意義上的孤兒基因。這些孤兒基因的發現是酵母基因組計劃的重要收穫,對於其功能的闡明,將大大推進對酵母生命過程的認識,因而引起了眾多遺傳學家的重視。   為了系統地分析酵母基因組測序發現的3000多個新基因的功能,1996年1月,隨著DNA測序工作的結束,歐洲建立了名為EUROFAN(European Functional Analysis Network)的研究網路。這一網路由歐洲14個國家的144個實驗室組成,它包括服務共同體(service consortia,A1-A4)、研究共同體(research consortia,B0?B9)和特定功能分析部(specific functional analysis nodes,N1-N14)三部分,每個部分下設許多小的分支機構。其中研究共同體中的B0部門負責製作特定的酵母基因缺失突變株。缺失突變株的製作採用新發展起來的PCR介導的基因置換方法進行,即將來自細菌的卡那霉素性基因(KanMX)與線狀真菌Ashbya gossypil的啟動子和終止序列構建成表達單元,它可賦予酵母細胞G418以抗性。然後,根據所要置換的染色體DNA序列設計PCR引物,這些引物的外側與染色體DNA序列同源,內側則保證通過PCR可以擴增出KanMX基因,PCR產物直接用於基因置換操作。通過這項技術,可以有目的地將新發現的基因用KanMX置換,造成基因缺失突變,隨後通過系統地研究這些酵母缺失突變株表型有無改變(如生活力、生長速度、接合能力等)以確定這些基因的功能。此種方法中有兩個方面的問題限制實驗進程:其一是大部分的突變子(60%~80%)並不顯示明顯的突變表型,這往往與前面提到的遺傳豐余有關;其二是許多突變子即使發生了表型改變,也不能反映其編碼蛋白質的功能,如某些突變子不能在高溫或高鹽的環境中生長,但這些表型卻不能提示任何有關缺失蛋白質在生理功能方面的信息。

作為模式生物的作用

  酵母作為高等真核生物特別是人類基因組研究的模式生物,其最直接的作用體現在生物信息學領域。當人們發現了一個功能未知的人類新基因時,可以迅速地到任何一個酵母基因組資料庫中檢索與之同源的功能已知的酵母基因,並獲得其功能方面的相關信息,從而加快對該人類基因的功能研究。研究發現,有許多涉及遺傳性疾病的基因均與酵母基因具有很高的同源性,研究這些基因編碼的蛋白質的生理功能以及它們與其它蛋白質之間的相互作用將有助於加深對這些遺傳性疾病的了解。此外,人類許多重要的疾病,如早期糖尿病、小腸癌心臟疾病,均是多基因遺傳性疾病,揭示涉及這些疾病的所有相關基因是一個困難而漫長的過程,酵母基因與人類多基因遺傳性疾病相關基因之間的相似性將為我們提高診斷和治療水平提供重要的幫助。   酵母作為模式生物的最好例子體現在那些通過連鎖分析、定位克隆然後測序驗證而獲得的人類遺傳性疾病相關基因的研究中,後者的核苷酸序列與酵母基因的同源性為其功能研究提供了極好的線索。例如,人類遺傳性非息肉性小腸癌相關基因與酵母的MLH1、MSH2基因,運動失調毛細血管擴張症相關基因與酵母的TEL1基因,布盧姆氏綜合征相關基因與酵母的SGS1基因,都有很高的同源性(見表2)。遺傳性非息肉性小腸癌基因在腫瘤細胞中表現出核苷酸短重複順序不穩定的細胞表型,而在該人類基因被克隆以前,研究工作者在酵母中分離到具有相同表型的基因突變(msh2和mlh1突變)。受這個結果啟發,人們推測小腸癌基因是MSH2和MLH1的同源基因,而它們在核苷酸序列上的同源性則進一步證實了這一推測。布盧姆氏綜合征是一種臨床表現性早熟的遺傳性疾病,病人的細胞在體外培養時表現出生命周期縮短的表型,而其相關基因則與酵母中編碼蝸牛酶的SGS1基因具有很高的同源性。與來自布盧姆氏綜合征個體的培養細胞相似,SGS1基因突變的酵母細胞表現出顯著縮短的生命周期。Francoise等研究了170多個通過功能克隆得到的人類基因,發現它們中有42%與酵母基因具有明顯的同源性,這些人類基因的編碼產物大部分與信號轉導途徑、膜運輸或者DNA合成修復有關,而那些與酵母基因沒有明顯同源性的人類基因主要編碼一些膜受體血液免疫系統組分,或人類特殊代謝途徑中某些重要的酶和蛋白質。

釀酒酵母基因

  人類疾病   人類基因   人類cDNA   GenBank登記號   酵母基因 酵母cDNA   GenBank登記號酵母基因功能   遺傳性非息肉性小腸癌MSH2   U03911 MSH2 M84170 DNA修復蛋白   遺傳性非息肉性小腸癌MLH1 U07418 MLH1 U07187 DNA修復蛋白   囊性纖維變性CFTR N28668 YCF1 L35237 金屬抗性蛋白   威爾遜氏病 WND U11700 CCC2 L36317 銅轉運器   甘油激酶缺乏症 GK L13943 GUT1 X69049 甘油激酶   布盧姆氏綜合症BLM U39817 SGS1 U22341 蝸牛酶   X-連鎖的腎上腺腦白質營養不良 ALD Z21876 PAL1 L38491 過氧化物酶轉運器   共濟失調性毛細血管擴張症 ATM U26455 TEL1 U31331 P13激酶   肌萎縮脊髓側索硬化 SOD1 K00065 SOD1 J03279 過氧化物歧化酶   營養不良性肌萎縮 DM L19268 YPK1 M21307 絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶   勒韋氏綜合症 OCRL M88162 YIL002C X47047 IPP-5-磷酸酶   I-型神經纖維瘤 NF1 M89914 IRA2 M33779 抑制性的調節蛋白   隨著獲得高等真核生物更多的遺傳信息,人們將會發現有更多的酵母基因與高等真核生物基因具有同源性,因此酵母基因組在生物信息學領域的作用會顯得更加重要,這同時也會反過來促進酵母基因組的研究。與酵母相比,高等真核生物具有更豐富的表型,從而彌補了酵母中某些基因突變沒有明顯表型改變的不足。下面將要提到的例子正說明了酵母和人類基因組研究相互促進的關係。人類著色性干皮病是一種常染色體隱性遺傳皮膚疾病,極易發展成為皮膚癌。早在1970年Cleaver等就曾報道,著色性干皮病和紫外線敏感的酵母突變體都與缺乏核苷酸切除修復途徑(nucleotide excision repair,NER)有關。1985年,第一個NER途徑相關基因被測序並證實是酵母的RAD3基因。1987年,Sung首次報道酵母Rad3p能修復真核細胞中DNA解旋酶活力的缺陷。1990年,人們克隆了著色性干皮病相關基因xPD,發現它與酵母NER途徑的RAD3基因有極高的同源性。隨後發現所有人類NER的基因都能在酵母中找到對應的同源基因。重大突破來源於1993年,發現人類xPBp和xPDp都是轉錄機制中RNA聚合酶Ⅱ的TFⅡH複合物的基本組分。於是人們猜測xPBp和xPDp在酵母中的同源基因(RAD3和RAD25) 也應該具有相似的功能,依此線索很快獲得了滿意的結果並證實了當初的猜測。   酵母作為模式生物的作用不僅是在生物信息學方面的作用,酵母也為高等真核生物提供了一個可以檢測的實驗系統。例如,可利用異源基因與酵母基因的功能互補以確證基因的功能。據Bassett的不完全統計,到1996年7月15日,至少已發現了71對人類與酵母的互補基因。

六個類型

  1、20個基因與生物代謝包括生物大分子的合成、呼吸鏈能量代謝以及藥物代謝等有關   2、16個基因與基因表達調控相關,包括轉錄、轉錄后加工、翻譯、翻譯后加工和蛋白質運輸等   3、1個基因是編碼膜運輸蛋白的   4、7個基因與DNA合成、修復有關   5、7個基因與信號轉導有關   6、17個基因與細胞周期有關。現在,人們發現有越來越多的人類基因可以補償酵母的突變基因,因而人類與酵母的互補基因的數量已遠遠超過過去的統計。   在酵母中進行功能互補實驗無疑是一種研究人類基因功能的捷徑。如果一個功能未知的人類基因可以補償酵母中某個具有已知功能的突變基因,則表明兩者具有相似的功能。而對於一些功能已知的人類基因,進行功能互補實驗也有重要意義。例如與半乳糖血症相關的三個人類基因GALK2(半乳糖激酶)、GALT(UDP-半乳糖轉移酶)和GALE(UDP-半乳糖異構酶)能分別補償酵母中相應的GAL1、GAL7、GAL10基因突變。在進行互補實驗以前,人類和酵母的乳糖代謝途徑都已十分清楚,對有關幾種酶的活性檢測法也十分健全,並已獲得其純品,可以進行一系列生化分析。隨著人類三個半乳糖血症相關基因的克隆分離成功,功能互補實驗成為可能,從而在遺傳學水平進一步確證了人類半乳糖血症相關基因與酵母基因的保守性。人們又將這一成果予以推廣,利用酵母系統進行半乳糖血症的檢測和基因治療,如區別真正的突變型和遺傳多態性,在酵母中模擬多種突變型的組合表型,或篩選基因內或基因間的抑制突變等。這些方法也同樣適用於其它遺傳病的研究。   利用異源基因與酵母基因的功能,還能使酵母成為其它生物新基因的篩查工具。通過使用特定的酵母基因突變株,對人類cDNA表達文庫進行篩選,從而獲得互補的克隆。如Tagendreich等利用酵母的細胞分裂突變型(cdc mutant)分離到多個在人類細胞有絲分裂過程中起作用的同源基因。利用此方法,人們還克隆分離到了農作物、家畜和家禽等的多個新基因。為了充分發揮酵母作為模式生物的作用,除了發展酵母生物信息學和健全異源基因在酵母中進行功能互補的研究方法外,通過建立酵母最小的基因組也是一個可行的途徑。酵母最小的基因組是指所有明顯豐余的基因減少到允許酵母在實驗條件下的合成培養基中生長的最小數目。人類cDNA克隆與酵母中功能已知基因缺陷型進行遺傳互補可以確定人類新基因的功能,但是這種互補實驗會受到酵母基因組中其它豐余基因的影響。如果構建的酵母最小基因組中所保留的基因可以被人類或者病毒的DNA序列完全替換,那麼替換后的表型將完全取決於外源基因,這將成為一種篩選抗癌抗病毒藥物的分析系統。?

在發酵工程中的應用

  單細胞真核生物的酵母菌具有比較完備的基因表達調控機制和對錶達產物的加工修飾能力。釀酒酵母(Saccharomyces.Cerevisiae)在分子遺傳學方面被人們的認識最早,也是最先作為外源基因表達的酵母宿主。1981年釀酒酵母表達了第一個外源基因----干擾素基因,隨後又有一系列外源基因在該系統得到表達干擾素和胰島素雖然已經利用釀酒酵母大量生產並被廣泛應用,當利用釀酒酵母製備時,實驗室的結果很令人鼓舞,但由實驗室擴展到工業規模時,其產量迅速下降。原因是培養基中維特質粒高拷貝數的選擇壓力消失質粒變得不穩定,拷貝數下降。拷貝數是高效表達的必備因素,因此拷貝數下降,也直接導致外源基因表達量的下降。同時,實驗室用培養基成分複雜且昂貴,當採用工業規模能夠接受的培養基時,導致了產量的下降。為克服釀酒酵母的局限,1983年美國Wegner等人最先發展了以甲基營養型酵母(methylotrophic yeast)為代表的第二代酵母表達系統。甲基營養型酵母包括:Pichia、Candida等.以Pichia.pastoris(畢赤巴斯德酵母)為宿主的外源基因表達系統近年來發展最為迅速,應用也最為廣泛。畢赤酵母系統的廣泛應用,原因在於該系統除了具有一般酵母所具有的特點外。

工業發展史

  早在公元3000年前,人類開始利用酵母來製作發酵產品。最早在市場上銷售的產品是酵母泥,這種產品的特點是發酵速度快,但運輸和使用不便,產品的商業化受到了一定的限制。從銷售酵母泥算起,把製造酵母作為一種工業來看,酵母工業的發展已有200余年的歷史了。酵母已成為世界上研究最多的微生物之一,是當今生物技術產品研究開發的熱點和現代生物技術發展、基因組研究的模式系統。   目前,全球酵母生產能力總計(以乾酵母計)超過100萬噸,年銷售收入超過25億美元。   20世紀80年代以來,中國酵母工業取得了跨越式發展,擁有了暢銷全球的自主創新品牌,酵母產品的研究、生產和應用達到了國際先進水平。   還有以下幾個優點:   ⑴具有醇氧化酶AOX1基因啟動子,這是目前最強,調控機理最嚴格的啟動子之一。   ⑵ 表達質粒能在基因組的特定位點以單拷貝或多拷貝的形式穩定整合。   ⑶ 菌株易於進行高密度發酵,外源蛋白表達量高。   ⑷ 畢赤酵母中存在過氧化物酶體,表達的蛋白貯存其中,可免受蛋白酶降解,而且減少對細胞的毒害作用。Pichia.pastoris基因表達系統經過近十年發展,已基本成為較完善的外源基因表達系統,具有易於高密度發酵,表達基因穩定整合在宿主基因組中,能使產物有效分泌並適當糖基化,培養方便經濟等特點。利用強效可調控啟動子AOX1,已高效表達了HBsAg、TNF、EGF、破傷風毒素 C片段、基因工程抗體等多種外源基因,證實該系統為高效、實用、簡便,以提高表達量並保持產物生物學活性為突出特徵的外源基因表達系統,而且非常適宜擴大為工業規模。   目前美國FDA已能評價來自該系統的基因工程產品,最近來自該系統的Cephelon製劑已獲得FDA批准,所以該系統被認為是安全的.Pichia.pastoris表達系統在生物工程領域將發揮越來越重要的作用,促進更多外源基因在該系統的高效表達,提供更為廣泛的基因工程產品。   Johns Hopkins大學研究人員成功運用新技術從酵母基因組中找到一些和在酵母細胞分裂時將複製的染色體聚集以保護細胞分裂時酵母遺傳完整性相關的基因。

酵母保護肝臟

  讓麵粉發酵有很多辦法,如小蘇打發酵、老面發酵、酵母發酵等。   這些方法原理上都一樣,就是通過發酵劑在麵團中產生大量二氧化碳氣體,蒸煮過程中,二氧化碳受熱膨脹,於是麵食就變得鬆軟好吃了。   但是前兩種方法都各有弊端,小蘇打會嚴重破壞麵粉中的B族維生素,老面發酵會使麵團產生酸味,只有酵母發酵,不僅讓麵食味道好,還提高了它的營養價值。   酵母分為鮮酵母、乾酵母兩種,是一種可食用的、營養豐富的單細胞微生物,營養學上把它叫做「取之不盡的營養源」。除了蛋白質、碳水化合物、脂類以外,酵母還富含多種維生素、礦物質和酶類。有實驗證明,每1公斤乾酵母所含的蛋白質,相當於5公斤大米、2公斤大豆或2.5公斤豬肉的蛋白質含量。因此,饅頭、麵包中所含的營養成分比大餅、麵條要高出3—4倍,蛋白質增加近2倍。   發酵后的酵母還是一種很強的抗氧化物,可以保護肝臟,有一定的解毒作用。酵母里的硒、鉻等礦物質能抗衰老、抗腫瘤、預防動脈硬化,並提高人體的免疫力。發酵后,麵粉里一種影響鈣、鎂、鐵等元素吸收植酸可被分解,從而提高人體對這些營養物質的吸收和利用。

在烘烤食品中的作用

使製品疏鬆

  酵母在麵團發酵中產生大量的二氧化碳,並由於麵筋網路組織的形成,而被留在網狀組織內,使烘烤食品組織疏鬆多孔,體積XX。   酵母還有增加麵筋擴展的作用,使發酵時所產生的二氧化碳能保留在麵團內,提高麵團的持氣能力。如用化學數疏鬆劑則無此作用。

改善風味作用

  麵團在發酵過程中,經歷了一系列複雜的生物化學反應,產生了麵包製品特有的發酵香味。同時,便形成了麵包製品所特有的芳香,濃郁,誘人食慾的烘烤香味。

增加營養價值

  因為酵母的主要成分是蛋白質,幾乎佔了酵母干物質的一半含量,而且人體必需氨基酸含量充足,尤其是穀物中較缺乏的賴氨酸含量較多。另一方面,含有大量的維生素B1,維生素B2及尼克酸。所以,酵母能提高發酵食品的營養價值。

影響酵母發酵的因素

  在麵包的實際生產中,酵母的發酵受到以下因素的影響:

溫度

  在一定的溫度範圍內,隨著溫度的增加,酵母的發酵速度也增加,產氣量也增加,但最高不要超過38℃~39℃。一般正常的溫度應控制在26℃~28℃之內,如果使用快速生產法則不要超過30℃,因為超過該溫度,將發酵過速,麵團未充分成熟,保氣能力則不佳,影響最終產品品質。

PH值

  麵團的PH值最適於4~6之間。

糖的影響

  可以被酵母直接採用的糖是葡萄糖,果糖蔗糖則需要經過酵母中的轉化酶的作用,分解為葡萄糖和果糖后,再為發酵提供能源。還有麥芽糖,是由麵粉中的澱粉酶分解麵粉內的破碎澱粉而得到的,經酵母中的麥芽糖酶轉化變成2分子葡萄糖后也可以被利用。

滲透壓的影響

  滲透作用就好似指溶劑分子透過半透膜,由溶劑滲入溶液,或由稀溶液滲入濃溶液的現象。   滲透壓是指為阻止滲透作用所需要額加給溶液的額外壓力,外界介質滲透壓的高低,對酵母的活力有較大的影響。是因為酵母細胞的外層的細胞膜是個半透膜,即具有滲透作用,故外界介質的濃度會直接影響酵母的活力,高濃度的糖,鹽,無機鹽及其他可溶性的固體物質都會造成較高的滲透壓力,抑制酵母的發酵。其原因是當外界介質濃度高時,酵母體內的原生物滲出細胞膜,原質漿分離,酵母因此被破壞,而無法生存。在這方面,乾酵母比鮮酵母更有較強的適應能力。當然也有一些酵母在高濃度下仍可生存,併發酵。   在麵包生產中,影響滲透壓大小的主要是糖,鹽這兩種原料。當配方中的糖量為0%~5%時,對酵母的發酵不起抑製作用,反而可促進酵母發酵作用。當超過6%時,便會抑制發酵作用,如果超過10%時,發酵速度會明顯減慢,在葡萄糖,果糖,蔗糖和麥芽糖中,麥芽糖的抑製作用比前三種糖小,這是因為麥芽糖的滲透壓比其他糖要低。   鹽的滲透壓更高,對酵母發酵的抑製作用更大,當鹽的用量達到2%時,發酵即受影響。

茶酵母

茶酵母

  在台灣凍頂山區,人們在製作烏龍茶時,首先會將茶殺青,之後進行低溫發酵,發酵之後,酵母菌便功成身退,沉澱在底部。不過這時候的酵母菌早已吸收了烏龍茶的精華養分,將其撈起經過洗凈、消毒、乾燥等再製造過程,就成了茶酵母。   現在市場上的茶酵母分為三種:1、如上所說加工而成的茶酵母,產量很低,基本沒有產量,因為與茶一起分離后收集難度大;2、烏龍茶與發酵液一起乾燥后粉碎成粉,基本為烏龍茶,所含酵母很少;3、烏龍茶提取物啤酒酵母提取物結成,本產品易於收集加工,可規模化生產。   茶酵母用途廣泛,時下最流行的適用於減肥瘦身。   **茶酵母——含有茶多酚具有高於ve10 倍的抗氧化能力,能夠降低血液中性脂肪含量,有效降血脂。還能夠改善由肥胖及血脂偏高引起的精神萎靡、困倦的生物鹼,讓你精神煥發。 ***啤酒酵母——含有更為豐富的維生素B是茶酵母的3倍相當,酵母鉻是茶酵母2倍相當,B族維生素能加速碳水化合物的脂肪的代謝、快速消耗熱量使人在瘦身的同時精力充沛;酵母鉻降低中性脂肪、協助胰島素加速糖的代謝。   真茶酵母的概念應該為:含有烏龍茶等減肥的有效成分,並且具有酵母的的

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