Транспорт питательных веществ.

Лекция № 6

Физиология и биохимия микроорганизмов

 

Физиология изучает жизненные функции микроорга­низмов: питание, дыхание, рост и размножение. В основе физиологических функций лежит непрерывный обмен веществ (метаболизм).

Сущность обмена веществ составляют два противопо­ложных и вместе с тем взаимосвязанных процесса: ас­симиляция (анаболизм) и диссимиляция (катабо­лизм).

В процессе ассимиляции происходит усвоение пита­тельных веществ и использование их для синтеза клеточ­ных структур. При процессах диссимиляции питательные вещества разлагаются и окисляются, при этом выделяется энергия, необходимая для жизни микробной клетки. В результате распада питательных веществ происходит рас­щепление сложных органических соединений на более простые, низкомолекулярные. Часть из них выводится из клетки, а другие снова используются клеткой для биосинтетических реакций и включаются в процессы ассимиля­ции. Все процессы синтеза и распада питательных веществ совершаются с участием ферментов.

Особенностью микроорганизмов является интенсивный обмен веществ.

 

ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ БАКТЕРИЙ

Для понимания процессов обмена веществ необходимо знать химический состав микроорганизмов. Микроорганиз­мы содержат те же химические вещества, что и клетки всех живых организмов.

Важнейшими элементами являются органогены (уг­лерод, водород, кислород, азот), которые используются для построения сложных органических веществ: белков, углеводов и липидов. Микроорганизмы содержат также зольные или минеральные элементы. Большая часть их химически связана с органическими веществами, остальные присутствуют в клетке в виде солей.

В количественном отношении самым значительным компонентом клетки является вода, которая составляет 75-85%; на долю сухого вещества, которое состоит из органических (белки, нуклеиновые кислоты, углеводы, липиды) и минеральных соединений, приходится 15-25%.

Вода. Значение воды в жизнедеятельности клетки велико. Все вещества поступают в клетку с водой, с ней же удаляются продукты обмена. Вода в микробной клетке находится в свободном состоянии как самостоятельное соединение, но большая часть ее связана с различными химическими компонентами клетки (белками, углеводами, липидами) и входит в состав клеточных структур.

Свободная вода принимает участие в химических реак­циях, протекающих в клетке, является растворителем различных химических соединений, а также служит дис­персной средой для коллоидов. Содержание свободной воды в клетке может изменяться в зависимости от условий внешней среды, физиологического состояния клетки, ее возраста. Так, у споровых форм бактерий значительно меньше воды, чем у вегетативных клеток. Наибольшее количество воды отмечается у капсульных бактерий.

Белки (50-80% сухого вещества) определяют важней­шие биологические свойства микроорганизмов. Это про­стые белки-протеины и сложные - протеиды. Большое значение в жизнедеятельности клетки имеют нуклеопроте­иды - соединение белка с нуклеиновыми кислотами (ДНК и РНК ). Кроме нуклеопротеидов, в микробной клетке содержатся в не значительных количествах липопротеиды, гликопротеиды, хромопротеиды.

Белки распределены в цитоплазме, нуклеоиде, они входят в состав структуры клеточной стенки. К белкам принадлежат ферменты, многие токсины (яды микроорга­низмов).

Видовая специфичность микроорганизмов зависит от количественного и качественного состава белковых веществ.

Нуклеиновые кислоты в микробной клетке выполняют те же функции, что и в клетках животного происхожде­ния. ДНК содержится в ядре (нуклеоиде) и обусловливает генетические свойства микроорганизмов. РНК принимает участие в биосинтезе клеточных белков, содержится в ядре и цитоплазме. Общее количество нуклеиновых кис­лот колеблется от 10 до 30% сухого вещества микробной клетки и зависит от ее вида и возраста.

Углеводы (12-18% сухого вещества) используются микробной клеткой в качестве источника энергии и угле­рода. Из них состоят многие структурные компоненты клетки (клеточная оболочка, капсула и другие). Углеводы входят также в состав тейхоевой кислоты, характерной для грамположительных бактерий.

Клетки микроорганизмов содержат простые (моно- и дисахариды) и высокомолекулярные (полисахариды) угле­воды. У ряда бактерий могут быть включения, по химиче­скому составу напоминающие гликоген и крахмал, они играют роль запасных питательных веществ в клетке. Углеводный состав различен у разных видов микроорга­низмов и зависит от их возраста и условий развития.

Липиды (0,2-40% сухого вещества) являются необхо­димыми компонентами цитоплазматической мембраны и клеточной стенки, они участвуют в энергетическом обме­не. В некоторых микробных клетках липиды выполняют роль запасных веществ.

Липиды состоят в основном из нейтральных жиров, жирных кислот, фосфолипидов. Общее количество их зависит от возраста и вида микроорганизма.

В клетках микроорганизмов липиды могут быть связа­ны с углеводами и белками, составляя сложный комплекс, определяющий токсические свойства микроорганизмов.

Минеральные вещества - фосфор, натрий, калий, маг­ний, сера, железо, хлор и другие - в среднем составляют 2-14 %сухого вещества.

Фосфор входит в состав нуклеиновых кислот, фос­фолипидов, многих ферментов, а также АТФ (аденозин­трифосфорной кислоты), которая является аккумулято­ром энергии в клетке. Натрий участвует в поддержании осмотического давления в клетке. Железо содержится в дыхательных ферментах. Магний входит в состав рибо­нуклеата магния, который локализован на поверхности грамположительных бактерий.

Для развития микроорганизмов необходимы микро­элементы, содержащиеся в клетке в очень малых количествах. К ним относят кобальт, марганец, медь, хром, цинк, молибден и многие другие. Микроэлементы участвуют в синтезе некоторых ферментов и активиру­ют их.

 

 

ПИТАНИЕ БАКТЕРИЙ

Всем микроорганизмам для осуществления процессов питания, дыхания, размножения необходимы питательные вещества.

В качестве питательных веществ и источников энергии микроорганизмы используют различные органические и неорганические соединения, для нормальной жизнеде­ятельности им требуются также микроэлементы и факторы роста.

Процесс питания микроорганизмов имеет ряд особенно­стей: во-первых, поступление питательных веществ проис­ходит через всю поверхность клетки; во-вторых, микробная клетка обладает исключительной быстротой метаболических реакций; в-третьих, микроорганизмы способны довольно быстро адаптироваться к изменяющимся услови­ям среды обитания. Разнообразие условий существования микроорганизмов обусловливает различные типы питания.

Типы питания определяются по характеру усвоения углерода и азота. Источником других органогенов­ водорода и кислорода служит вода. Вода необходима микроорганизмам и для растворения питательных ве­ществ, так как они могут проникать в клетку только в растворенном виде.

По усвоению углерода микроорганизмы делят на два типа: автотрофы и гетеротрофы.

Автотрофы (от греч. autos-сам, tгорhе-питание) способны синтезировать сложные органические вещества из простых неорганических соединений. Они могут ис­пользовать в качестве источника углерода углекислоту и другие неорганические соединения углерода. Автотрофами являются многие почвенные бактерии (нитрифицирующие, серобактерии и др.).

Гетеротрофы (от греч. hеtегоs-другой, trophe­питание) для своего роста и развития нуждаются в готовых органических соединениях. Они могут усваивать углерод из углеводов (чаще всего глюкозы), многоатомных спиртов, органических кислот, аминокислот и других, органических веществ.

Гетеротрофы представляют обширную группу микро­организмов, среди которых различают сапрофитов и пaразитов. -

Сапрофиты (от греч. sapros - гнилой, phyton - ­растение) получают готовые органические соединения от отмерших организмов. Они играют важную роль в разло­жении мертвых органических остатков, например бакте­рии гниения и др.

Паразиты (от греч. parasitos - нахлебник) живут и размножаются за счет органических веществ живой клет­ки растений, животных или человека. К таким микроорга­низмам относятся риккетсии, вирусы и некоторые простейшие.

По способности усваивать азот микроорганизмы делят­ся также на две группы: аминоавтотрофы и аминогетерот­рофы. Аминоавтотрофы для синтеза белка клетки используют молекулярный· азот воздуха (клубеньковые бактерии, азотобактер) или усваивают его из аммонийных солей. Аминогетеротрофы получают азот из органи­ческих соединений - аминокислот, сложных белков. К ним относят все патогенные микроорганизмы и большинство сапрофитов.

По источникам энергии среди микроорганизмов разли­чают фототрофы, использующие для биосинтетических реакций энергию солнечного света (пурпурные серобакте­рии) и хемотрофы, которые получают энергию за счет окисления неорганических веществ (нитрифицирующие бактерии и др.) и органических соединений (большинство бактерий, в том числе и патогенные для человека виды).

Однако резкой границы между типами питания микро­бов провести нельзя, так как есть такие виды микроорга­низмов, которые могут переходить от гетеротрофного типа питания к автотрофному, и наоборот.

В настоящее время для характеристики типов питания введена новая терминология: гетеротрофы называют ор­ганотрофами, а автотрофы - литотрофами (от греч. litos-камень), так как подобные микроорганизмы способны расти в чисто минеральной среде.

Факторы роста. Микроорганизмы для своего роста и размножения нуждаются в особых веществах, которые сами синтезировать не могут и должны получать их в готовом виде. Эти вещества называют факторами роста, и нужны они микробным клеткам в небольших количествах. К ним относят различные витамины, некоторые аминокис­лоты (необходимые для синтеза белка), пуриновые и пиримидиновые основания (идущие на построение нуклеиновых кислот) и др. Многие факторы роста входят в состав различных ферментов и играют роль катализаторов в биохимических процессах.

Знание потребностей микроорганизмов в питательных веществах и факторах роста очень важно, в частности, для создания питательных сред, применяемых для их выращивания.

Транспорт питательных веществ.

Питательные веще­ства могут проникать в цитоплазму микробных клеток только в виде небольших молекул и в растворенном виде.

Сложные органические вещества (белки, полисахариды и др.) предварительно подвергаются воздействию ферментов, выделяемых микробной клеткой, и после этого становятся доступными для использования. Транспорт питательных веществ в клетку и выход из нее продуктов метаболизма осуществляется в основном через цитоплазматическую мембрану.

Питательные вещества проникают в клетку нескольки­ми способами:

1. Пассивная диффузия, т. е. перемещение ве­ществ через толщу мембраны, в результате чего выравни­ваются концентрация веществ и осмотическое давление по обе стороны оболочки. Таким путем могут проникать питательные вещества, когда концентрация в среде значи­тельно превышает концентрацию веществ в клетке.

2. Облегченная диффузия - проникновение пи­тательных веществ в клетку с помощью активного перено­са их особыми молекулами-переносчиками, называемыми пермеазами. Это вещества ферментной природы, кото ­ рые локализованы на цитоплазматической мембране и обладают специфичностью. Каждая пермеаза адсорбирует соответствующее питательное вещество на наружной сто­роне цитоплазматической мембраны, вступает с ним во временную связь и диффундирует комплексно через мембрану, отдавая на внутренней стороне ее транспортиру­емое вещество в цитоплазму. Этот процесс совершается без использования энергии, так как перемещение веществ происходит от более высокой концентрации к более низкой.

3. Активный транспорт питательных веществ осуществляется также с помощью пермеаз, но этот процесс требует затраты энергии. В этом случае питатель­ное вещество может проникнуть в клетку, если концентра­ция его в клетке значительно превышает концентрацию в среде.

Выход веществ из микробной клетки осуществляется или в виде пассивной диффузии, или в процессе облегчен­ной диффузии с участием пермеаз.

 

12Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: