Механизмы питания бактерий

Питательные вещества из внешней среды поступают в бактериальную клетку с помощью трех основных механизмов: пассивной диффузии, облегченной диффузии и активного транспорта.

Пассивная диффузия осуществляется за счет различного содержания питательных веществ в среде и в клетке и происходит в направлении от большей концентрации к меньшей, т.е. по градиенту концентрации. Таким путем в клетку проникает (и покидает ее) вода вместе с растворенными в ней различными мелкими молекулами, способными проходить чрез мелкие поры мембраны. Для пассивной диффузии характерно отсутствие субстратной специфичности и она не требует затраты энергии.

Облегченная диффузия характеризуется выраженной субстратной специфичностью и протекает при обязательном участии специфических белков, локализованных в мембране. Синтез некоторых из них индуцируется соответствующими субстратами. Эти белки получили название пермеаз (от англ. permeate – проникать, проходить сквозь), они обладают субстратной специфичностью. На внешней стороне мембраны они распознают и связывают молекулу субстрата и обеспечивают ее перенос через мембрану. На внутренней поверхности мембраны комплекс пермеаза-субстрат диссоциирует, освободившаяся молекула субстрата включается в общий метаболизм клетки, а пермеаза повторяет очередной цикл переноса своего субстрата. Главное свойство пермеаз – способность проходить через мембрану как с присоединенной молекулой субстрата, так и без нее. Однако облегченная диффузия происходит только по градиенту концентрации, но не против него, поэтому она не требует затраты энергии.

Подобный тип транспорта характерен для клеток эукариот при поглощении сахаров. У прокариот единственным примером облегченной диффузии служит проникновение глицерина в клетки бактерий кишечной группы.

Активный транспорт. Растворенные вещества поступают в клетку против градиента концентрации, поэтому требует затраты энергии. В активном транспорте принимают участие особые связывающие белки, не идентичные пермеазам и не входящие в структуру мембраны, а локализованные в периплазматическом пространстве. У связывающих белков отсутствует каталитическая активность, но они обладают очень высоким сродством к определенным питательным веществам – к различным аминокислотам, сахарам, неорганическим ионам. Связывающие белки функционируют только в комплексе со специфическими пермеазами, осуществляющими активный перенос субстрата через мембрану. Метаболическая энергия, необходимая для этого, используется для снижения сродства пермеазы к своему субстрату на внутренней поверхности мембраны по сравнению с ее сродством к нему на внешней стороне мембраны. В результате этих превращений происходит изменение скорости выхода субстрата наружу, она становится во много раз меньше скорости его поступления в клетку. При этом механизме в клетку против градиента концентрации попадают химически не измененные питательные вещества. Однако многие сахара и их производные в процессе переноса могут фосфорилироваться и поступать в клетку в виде сахарофосфатов. Наружу они уже проникнуть не могут. Такая система называется фосфотрансферазная. Она широко распространена среди бактерий.

Рост бактерий. Под термином «рост» понимают необратимое увеличение количества живого вещества, наиболее часто обусловленное делением клеток. У бактерий выделяют увеличение количества клеток и увеличение клеточной массы. In vitro бактерии культивируют на питательных средах.

Для культивирования одних бактерий используют простые синтетические среды, содержащие только глюкозу, фосфаты, хлориды и сульфаты. Другим бактериям необходима комплексная среда, дополненная различными факторами роста, например экстракты тканей сердца или мозга.

По консистенции среды разделяют на жидкие (МПБ) и твердые (плотные), содержащие около 2% «уплотнителя» – агара (полисахарид, полученный из морских водорослей) – МПА. В некоторых случаях в качестве уплотнителя используется желатин. Среды с небольшим содержанием агара (0,6%) обозначают как полужидкие.

По целевому назначению различают простые питательные среды (МПБ, МПА), сложные или специальные (кровяной МПА, сахарный МПБ), элективные (селективные), на которых может расти только один вид бактерий, а рост других подавляется ингибиторами (щелочной МПА для холерного вибриона, гиперсолевые следы для стафилококка (ЖСА), среды с желчью для сальмонелл; и дифференциально-диагностические (среды Эндо, Левина, Плоскирева для кишечной группы бактерий, среды Гисса).

Факторы роста. Наиболее часто это витамины, пурины и пиримидины, принимающие участие в образовании большого количества ферментов, являясь коэнзимами.

Некоторые бактерии практически не способны к росту in vitro (например Mycobacterium leprae, хламидии), что считается проявлением крайней степени паразитизма и связано с утратой в процессе эволюции ряда важнейших ферментов, необходимых для самостоятельного роста и развития.

По способности к размножению при определенных температурах различают:

· Мезофильные бактерии. Они лучше всего растут в пределах 20-40°С, к ним относится большинство патогенных для человека микроорганизмов. Оптимальной температурой роста для них является 37°С, т.е. температура тела человека.

· Термофильные бактерии лучше растут при 50-60°С.

· Психрофильные бактерии предпочитают расти в интервале температур от 0 до 10°С. (Yersinia enterocolitica).

Размножение и рост бактерий. Бактерии размножаются поперечным (бинарным) делением с образованием двух идентичных особей. Их число растет в геометрической прогрессии 2⁰ → 2¹ → 2² → 2ⁿ. Грамположительные бактерии делятся посредством образования перегородки, вырастающей от клеточной стенки к центру. У бактерий рода Mycobacterium перегородка образуется внутри клетки, затем расщепляется на два слоя и разделяет одну клетку на две. Грамотрицательные бактерии (включая риккетсии) истончаются в центре и разделяются перегородкой на две клетки; исключение составляют бактерии рода Francisella, размножающиеся способом, напоминающим почкование у дрожжей.

Время генерации может быть коротким, например у псевдомонад 14 мин, либо продолжительным как у Mycobacterium tuberculosis – 16-24 часа. У большинства бактерий составляет 20-30 мин.

Регуляторное действие на рост бактерий оказывают качество питательной среды и условия выращивания. Рост бактерий в культуре может быть разделен по меньшей мере на 4 различные фазы в зависимости от утилизации бактериями составляющих питательной среды.

Лаг-фаза соответствует периоду интенсивного физиологического приспособления, включающего индукцию новых ферментов, синтез и сборку рибосом. Продолжительность адаптационного периода не превышает 4-5 часов.

Логарифмическая (экспоненциальная) фаза характеризуется максимальной скоростью клеточного деления. Продолжительность её 5-12 ч. Затем по мере утилизации среда истощается, в ней аккумулируются токсические продукты метаболизма, что проявляется снижением темпов размножения.

Стационарная фаза. Устанавливается равновесие между клеточным ростом и делением и процессом отмирания клеток. Спорообразующие бактерии родов Bacillus и Clostridium способны переходить в фазу споруляции.

Фаза спада (отмирания) включает период логарифмической гибели, переходящий в период уменьшения скорости отмирания бактерий. Иногда бактерии разрушаются под действием собственных ферментов.