葡萄汁酵母的相关知识

英文名:yeast

酵母是一些单细胞真菌，不是系统发育分类的一个单位。目前，有1000多种酵母。根据产生孢子(子囊孢子和担孢子)的能力，酵母可分为三种类型:形成孢子的菌株属于子囊菌纲和担子菌纲。那些不形成孢子但主要通过出芽繁殖的真菌被称为不完全真菌，或“假酵母”。目前，已知大多数酵母被归入子囊菌纲。酵母菌的主要生长环境是潮湿或液体环境，有些酵母菌也生活在生物体内。

生理学

酵母是特化或兼性好氧的，目前还没有特化的厌氧酵母。在缺氧的情况下，发酵的酵母通过将糖转化为二氧化碳和乙醇来获得能量。

C6H12O6(葡萄糖)→2C2H5OH+2CO2

在酿造过程中，乙醇被保留；在烤面包或蒸馒头的过程中，二氧化碳引发面团，而酒精挥发。

特性

大多数酵母菌可以在富含糖分的环境中分离出来，比如一些水果(葡萄、苹果、桃子等。)或植物分泌物(如仙人掌汁)。有些酵母生活在昆虫体内。酵母是单细胞真核微生物。酵母细胞的形态通常为球形、椭圆形、香肠形、椭圆形、柠檬形或莲藕形。它比细菌的单细胞个体大得多，一般为1~5微米' 5~30微米。酵母没有鞭毛就不会游泳。酵母具有典型的真核细胞结构，包括细胞壁、细胞膜、细胞核、细胞质、液泡、线粒体等。，有的还有微粒体。酵母细胞形态学酵母细胞形态学酵母菌落细胞结构的显微照片。

大多数酵母菌的菌落特征与细菌相似，但比细菌的菌落更大、更浓。菌落表面光滑、湿润、有粘性，容易搅动。菌落质地均匀，正反面、边缘和中心部分颜色一致。大多数菌落是乳白色的，少数是红色的，一些是黑色的。啤酒酵母菌落红酵母菌落各种酵母菌落。

繁殖

酵母可以通过出芽进行无性繁殖，也可以通过形成子囊孢子进行有性繁殖。无性繁殖是指在环境条件适宜的情况下，从母细胞中长出一个芽，逐渐长到成熟的大小，然后从母体中分离出来。营养状态不好时，一些能有性繁殖的酵母菌会形成孢子(一般为四个)，等条件合适时再萌发。一些酵母，如假丝酵母，不能无性繁殖。

酵母的生长条件

喂食:

酵母和其他生物一样，需要相似的营养。像细菌一样，它有一套细胞内和细胞外的酶系统，将大分子分解成易于被细胞代谢利用的小分子。

含水量:

像细菌一样，酵母必须有水才能生存，但酵母比细菌需要更少的水。有些酵母菌能在水分很少的环境下生长，比如蜂蜜、果酱，说明它们对渗透压的耐受力很高。

酸度:

酵母可以在pH 3-7.5的范围内生长，最适pH为pH4.5-5.0。

温度:

酵母细胞一般不能在低于水的冰点或高于47℃的温度下生长，最适生长温度一般在20℃~ 30℃之间。

氧气:

酵母可以在有氧和无氧环境下生长，即酵母是兼性厌氧菌。缺氧时，酵母将糖分解成酒精和水。在氧气存在的情况下，它将糖分解成二氧化碳和水，在氧气存在的情况下，酵母生长更快。

使用

酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)是最常被提及的酵母，千百年来人类一直用它来发酵面包和葡萄酒，在面包和馒头的发酵过程中会从面团中释放出二氧化碳。

酵母是一种简单的单细胞真核生物，易于培养，生长迅速，因此在现代生物学研究中被广泛应用。酿酒酵母作为一种重要的模式生物，也是遗传学和分子生物学的重要研究材料。

积范畴

酵母产品有几种分类方法。根据人类食用和动物饲料的不同目的，可分为食用酵母和饲料酵母。食用酵母分为面包酵母、食品酵母和药用酵母。

面包酵母分为压榨酵母、活性干酵母和快速活性干酵母。

①压榨酵母:由酿酒酵母生产的含水量为70 ~ 73%的块状产品。呈淡黄色，结构致密易粉碎，起毛能力强。可在4℃保存约1个月，在0℃保存2 ~ 3个月的产品，最初是将离心后的酵母乳用板框压滤机压榨脱水后得到的，故称压曲，俗称鲜酵母。发酵时，其用量为面粉的1 ~ 2%，发酵温度为28 ~ 30℃，发酵时间因酵母用量、发酵温度、面团含糖量等因素而异，一般为1 ~ 3小时。

②活性干酵母:含8%左右水分，具有发酵能力的干酵母制品。采用耐干燥、发酵力稳定的酒精母获得新鲜酵母，再经挤压成型、干燥制成。发酵效果类似于压榨酵母。产品用充有真空或惰性气体(如氮气或二氧化碳)的铝箔袋或金属罐包装，保质期为半年至1年。与压榨酵母相比，具有保存期长、无需低温保存、运输和使用方便等优点。

③快速活性干酵母:具有快速高效发酵能力的新型细颗粒产品(直径小于65438±0mm)。水分含量为4-6%。它是在活性干酵母的基础上，采用基因工程技术，通过特殊的营养配比，严格的增殖培养条件，用流化床干燥设备干燥，获得一株高度耐干的酿酒酵母菌株。与活性干酵母一样，真空保存或充入惰性气体，保质期大于1年。与活性干酵母相比，它的颗粒更小，发酵力更高。使用时可直接与面粉混合加水制成面团发酵，短时间内发酵后即可烘烤成食品。这种产品在20世纪70年代才出现在市场上，深受消费者欢迎。发现安琪酵母的活性最高。

食品酵母是供人食用的干酵母粉或颗粒状产品，不具备发酵和繁殖能力。它可以通过回收啤酒厂的酵母泥来获得，也可以根据人体营养的要求专门培养和干燥。美国、日本和一些欧洲国家在面包、蛋糕、饼干、烤饼等常见食品中添加5%左右的食用酵母粉，以提高食品的营养价值。酵母自溶物可用作肉、果酱、汤、奶酪、面包、蔬菜和调味品的添加剂。它被用作婴儿食品和保健食品中的食品营养强化剂。从酵母自溶提取物中制备的5’-核苷酸可用作添加剂，与谷氨酸一钠结合以增强食品风味(参见)。从安琪酵母中提取的浓缩蔗糖酶作为液化剂用于方形鸡蛋巧克力。从乳清中产生的酵母中提取乳糖酶，可用于牛奶加工中增加甜度，防止乳清浓缩液中乳糖结晶，满足乳糖不耐受消费者的需求。

药用酵母的制作方法和性质与食用酵母相同。由于富含蛋白质、维生素、酶等多种生理活性物质，制成酵母片，如生母片，治疗饮食不合理引起的消化不良。体质较弱的人服用后可以在一定程度上调节代谢功能。在酵母培养过程中，如果加入一些特殊元素，使酵母中含有硒、铬等微量元素，对某些疾病有一定疗效。如含硒酵母用于治疗克山病、大骨节病，有一定的防止细胞衰老的作用；含铬酵母可用于治疗糖尿病。

饲料酵母通常由假丝酵母或脆壁克鲁维酵母经培养、干燥制成，为粉状或颗粒状产品，无发酵力，无死细胞。它富含蛋白质(约30 ~ 40%)、B族维生素、氨基酸等物质，被广泛用作动物饲料的蛋白质补充剂。能促进动物的生长发育，缩短饲养周期，增加肉蛋量，提高肉质和瘦肉率，改善皮毛光泽，增强幼畜抗病能力。

损害

有些酵母菌对生物或电器有害，例如红酵母会在浴帘等潮湿的家具上生长；白色念珠菌会在潮湿的人体上皮组织如阴道内壁生长。

酵母作用

一、酵母基因组的组成

在酿酒酵母的测序项目开始之前，通过传统的遗传方法鉴定了酵母中约2600个编码RNA或蛋白质的基因。通过对酿酒酵母全基因组测序，发现在12068kb的全基因组序列中有5885个编码特定蛋白的开放阅读框。这意味着酵母基因组中平均每2kb就有一个编码蛋白质的基因，即整个基因组72%的核苷酸序列由开放阅读框组成。这说明酵母基因的排列比其他高等真核生物更紧密。比如线虫的基因组中，平均每6kb就有一个编码蛋白质的基因；在人类基因组中，平均每30kb或更长时间才能发现一个编码蛋白质的基因。酵母基因组的紧密性是由于基因之间的间隔短，基因中的内含子稀少。酵母基因组开放阅读框的平均长度为1450bp，即483个密码子。最长的开放阅读框位于功能未知的染色体XII上(4910密码子)，少数开放阅读框超过1500密码子。在酵母基因组中，也有编码短蛋白的基因，例如，PMP1基因编码由40个氨基酸组成的质膜蛋白脂质。此外，酵母基因组还含有:约140个编码RNA的基因，排列在染色体XII的长端；40个编码SnRNA的基因，分散在16条染色体上；属于43个家族的275个tRNA基因也广泛分布在基因组中。表1提供了酵母基因在每条染色体上的分布概况。

表1酵母染色体图谱

染色体数

长度(bp)基因的数量和tRNA基因的数量

I 23×103 89 4

二807188 410 13

三315×103 182 10

四1531974 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

测序揭示了酵母基因组中广泛的碱基组成变化。大部分酵母染色体都不同程度、大范围地由富含GC的DNA序列和GC缺失的DNA序列组成。GC含量的这种变化与染色体结构、基因密度和重组频率有关。GC含量高的区域一般位于染色体臂中部，这些区域的基因密度高；GC含量低的区域一般靠近端粒和着丝粒，这些区域的基因数量相对较少。Simchen等人证实，酵母遗传重组即双链断裂的相对发生率与染色体富含GC的区域相耦合，不同染色体的重组频率不同。较小的染色体ⅰ、ⅲ、ⅳ和ⅸ的重组频率高于全基因组的平均重组频率。

酵母基因组的另一个明显特征是含有许多重复的DNA序列，其中有些是完全相同的DNA序列，如rDNA和CUP1基因、Ty因子及其衍生的单一LTR序列。开放阅读框或基因间隔区存在大量的三核苷酸重复序列，引起了人们的极大关注。因为有些人类遗传病是由三核苷酸重复数的变化引起的。相互间高度同源的DNA序列较多，称为遗传冗余。酵母中很多染色体的末端都有长度超过几十kb的高度同源区域，这些区域是遗传丰度的主要区域，并且这些区域还在进行频繁的DNA重组过程。遗传丰度的另一种形式是单基因重复，其中分散型最典型，另一种罕见的类型是集群分布型基因家族。聚类同源区(CHR)是酵母基因组测序揭示的位于多条染色体上的一些同源大片段，每个片段包含几个相互对应的同源基因。它们的排列顺序和转录方向非常保守，可能会有小片段插入或删除。这些特征表明，簇同源区是染色体大片段复制和完全分化之间的中间产物，因此是研究基因组进化的良好材料，被称为基因复制的化石。染色体末端重复、单基因重复和聚类同源区构成了酵母基因组遗传丰度的一般结构。研究表明，遗传丰度中的一组基因往往具有相同或相似的生理功能，因此其中一个或几个基因的突变不能表现出可识别的表型，这对酵母基因的功能研究非常不利。因此，许多酵母遗传学家认为，理解遗传丰度的真实性质和功能意义，并发展与之相关的实验方法是主要的困难和中心问题。

二、酵母基因组分析

在酵母基因组测序之前，已知酵母和哺乳动物中存在大量编码相似蛋白的基因。一些同源基因编码结构蛋白，如核糖体和细胞骨架中的结构蛋白，这并不奇怪。但是，有些同源基因是意想不到的。例如，在酵母中发现的两个同源基因RAS1和RAS2与哺乳动物H-ras原癌基因高度同源。酵母细胞缺乏RAS1和RAS2基因，表现出致命的表型。在1985中，首次检测了具有RAS1和RAS2基因双重缺陷的酵母菌株的功能保守性。结果表明，当哺乳动物H-ras基因在具有RAS1和RAS2基因双重缺陷的酵母菌株中表达时，酵母菌株可以恢复生长。因此，酵母的RAS1和RAS2基因不仅在核苷酸序列上与人类H-ras原癌基因高度同源，而且在生物学功能上也是保守的。

随着酵母全基因组测序工程的完成，人们可以估算出有多少酵母基因与哺乳动物基因有明显的同源性。Botstein等人将所有酵母基因与GenBank数据库中的哺乳动物基因(不包括EST序列)进行比对，发现编码蛋白质的酵母基因或开放阅读框中有近365，438+0%与编码蛋白质的哺乳动物基因具有高度同源性。由于数据库不包含所有编码哺乳动物蛋白质的序列，甚至不包含任何蛋白质家族的所有成员，上述结果无疑会被低估。酵母和哺乳动物基因的同源性往往局限于单个结构域而非整个蛋白质，这反映了蛋白质进化过程中功能结构域的重排。在酵母中编码蛋白质的5800多个基因中，约有41% (~ 2611)是通过传统的遗传学方法发现的，其余是通过DNA测序发现的。酵母基因编码的蛋白质约有20%与其他生物中已知功能的基因产物有不同程度的同源性(其中约6%表现为强同源性，约12%表现为略弱同源性)，从而可以初步推测其生物学功能。酵母基因组中有10%的基因(约653个)与其他生物中功能未知的蛋白质的基因具有同源性，它们被称为孤儿对或孤儿家族。约25%的基因(~ 1544)与蛋白质中发现的所有基因没有同源性。它们是首次发现的新基因，是真正的孤儿基因。这些孤儿基因的发现是酵母基因组计划的重要收获，对其功能的阐明将极大地促进对酵母生命过程的理解，引起了许多遗传学家的关注。

为了系统分析酵母基因组测序发现的3000多个新基因的功能，1996年6月5438日至10月65438日，随着DNA测序的完成，欧洲建立了一个名为Eurofan(欧洲功能分析网络)的研究网络。这个网络由欧洲14个国家的144个实验室组成，包括服务联合体(A1-A4)和研究联合体(B0？B9)和具体的功能分析节点(N1-N14)，每个部分都有许多小分支。其中研究* * *同源物的B0部门负责制作特定的酵母基因缺失突变体。该缺失突变体是通过一种新开发的PCR介导的基因替换方法制成的，即来自细菌的卡那霉素抗性基因(KanMX)与线状真菌棉桃阿舒囊霉的启动子和终止序列构建成一个表达单元，可赋予酵母细胞G418抗性。然后，根据待替换的染色体DNA序列设计PCR引物。这些引物的外侧与染色体DNA序列同源，而内侧保证了可以通过PCR扩增KanMX基因，PCR产物可以直接用于基因置换操作。通过这项技术，可以将新发现的基因有目的地替换为KanMX，产生基因缺失突变，然后通过系统研究这些酵母缺失突变体的表型是否发生了变化(如生存力、生长速度、接合能力等)来确定这些基因的功能。).这种方法有两个问题限制了实验进程:一是大多数突变体(60% ~ 80%)没有表现出明显的突变表型，这往往与上面提到的遗传丰度有关；其次，即使很多突变体的表型发生了变化，也不能反映编码蛋白质的功能。比如有些突变体不能在高温或高盐环境下生长，但是这些表型不能给出任何关于缺失蛋白生理功能的信息。

第三，酵母作为模式生物的作用

酵母作为高等真核生物，尤其是人类基因组研究的模式生物，在生物信息学领域有着最直接的作用。当人们发现一个新的功能未知的人类基因时，可以快速地在任何酵母基因组数据库中搜索功能已知的同源酵母基因，并获得其功能的相关信息，从而加快对人类基因功能的研究。发现许多与遗传性疾病有关的基因与酵母基因有很高的同源性。研究这些基因编码的蛋白质的生理功能及其与其他蛋白质的相互作用，将有助于加深我们对这些遗传性疾病的认识。此外，许多重要的人类疾病，如早期糖尿病、小肠癌和心脏病等，都是多基因疾病，揭示这些疾病涉及的所有相关基因是一个艰难而漫长的过程。酵母基因与人类多基因疾病相关基因的相似性将为我们提高诊疗水平提供重要帮助。

酵母作为模式生物最好的例子是通过连锁分析、定位克隆和测序验证获得的人类遗传性疾病相关基因的研究。后者与酵母基因核苷酸序列的同源性为其功能研究提供了极好的线索。例如，人类遗传性非息肉病性小肠癌相关基因与酵母的MLH1和MSH2基因、酵母的运动障碍相关基因TEL1基因、酵母的Bloom综合征相关基因和SGS1基因具有高度同源性(见表2)。遗传性非息肉病性小肠癌基因在肿瘤细胞中表现出不稳定的细胞表型，但在克隆人类基因之前，研究人员在酵母中分离出了具有相同表型的基因突变(msh2和mlh1突变)。受此结果启发，推测小肠癌基因是MSH2和MLH1的同源基因，它们在核苷酸序列上的同源性进一步证实了这一推测。布鲁姆综合征是一种遗传性疾病，临床表现为性早熟。在体外，患者细胞表现出生命周期缩短的表型，其相关基因与酵母中编码蜗牛酶的SGS1基因具有高度同源性。与来自布鲁姆综合征个体的培养细胞类似，SGS1基因突变的酵母细胞显示出显著缩短的生命周期。Francoise等人研究了通过功能克隆获得的170多个人类基因，发现其中42%的基因与酵母基因具有明显的同源性。这些人类基因的编码产物大多与信号转导途径、膜转运或DNA合成与修复有关，而那些与酵母基因无明显同源性的人类基因主要编码一些膜受体、血液或免疫系统成分，或人类特殊代谢途径中的一些重要酶和蛋白质。

与人类疾病基因高度同源的酿酒酵母基因的定位和克隆。

人类疾病

人类基因

人类cDNA

GenBank注册号

酵母基因酵母cDNA

GenBank登录号酵母基因功能

遗传性非息肉性小肠癌MSH2

u 03911 msh2m 84170 DNA修复蛋白

遗传性非息肉性小肠癌mlh 1u 07418 mlh 1u 07187 DNA修复蛋白。

囊性纤维化CFTR N28668 YCF1 L35237金属抗性蛋白

威尔逊氏病WND U 11700 ccc2l 36317铜转运蛋白

甘油激酶缺乏症GK L13943 GUT1 X69049甘油激酶

布鲁姆综合征BLM u 39817sgs 1u 22341蜗牛酶

x连锁肾上腺脑白质营养不良ALD Z 21876 PAL 1l 38491过氧化物酶转运体

* * *共济失调毛细血管扩张ATM u 26455 tel 1u 31331p 13激酶。

肌萎缩侧索硬化SOD 1k 0065 SOD 1j 03279超氧化物歧化酶

营养不良性肌萎缩症DM L 19268 YPK 1m 21307丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶。

洛伊综合征OCRL m 88162 yil 002 c x 47047 IPP-5-磷酸酶

I型神经纤维瘤NF 1m 89914 ira2m 33779抑制性调节蛋白

随着更多高等真核生物遗传信息的获得，人们会发现更多的酵母基因与高等真核生物具有同源性，因此酵母基因组在生物信息学领域的作用将变得更加重要，进而推动酵母基因组的研究。与酵母相比，高等真核生物具有更丰富的表型，弥补了酵母中某些基因突变无明显表型变化的不足。下面的例子说明了酵母和人类基因组研究之间的相互促进。人类着色性干皮病是一种常染色体隐性皮肤病，极易发展成皮肤癌。早在1970，Cleaver等人就报道了着色性干皮病和紫外线敏感酵母突变体与缺乏核苷酸切除修复有关(NER)。在1985中，对第一个NER途径相关基因进行测序，证实是酵母的RAD3基因。在1987期间，Sung首次报道了酵母Rad3p可以修复真核细胞中DNA解旋酶活性的缺陷。1990年，人们克隆了与着色性干皮病相关的基因xPD，发现它与酵母NER途径的RAD3基因具有高度同源性。随后，人们发现所有人类NER基因都可以在酵母中找到相应的同源基因。重大突破来自1993，发现人xPBp和xPDp是RNA聚合酶ⅱ的TFⅱH复合体在转录机制上的基本成分。所以人们推测酵母中xPBp和xPDp的同源基因(RAD3和RAD25)应该也有类似的功能。根据这一线索，很快得到了满意的结果，证实了最初的推测。

酵母作为模式生物的作用不仅在于生物信息学，还为高等真核生物提供了可检测的实验系统。例如，异源基因和酵母基因的互补功能可用于确认基因的功能。据Bassett的不完全统计，到1996年7月15日，至少已经发现了71个与人和酵母互补的基因。