Способы транспортировки питательных веществ

Транспорт питательных веществ

Транспорт питательных веществ – это процесс прохождения веществ из окружающей среды через цитоплазматическую мембрану (ЦПМ) в бактериальную клетку [1] .

Выделяют несколько типов транспортных систем, которые позволяют различным веществам преодолевать преграду цитоплазматической мембраны (ЦПМ) и попадать внутрь клетки микроорганизма. Это пассивная диффузия, облегченная диффузия, активный транспорт. Отмечается, что только активный транспорт способствует аккумуляции (накоплению) веществ внутри клетки [1] .

Схема процесса пассивной диффузии

Пассивная диффузия

Пассивная или простая диффузия – неспецифический процесс. Он происходит за счет разницы концентраций. Передвижение молекул осуществляется из более концентрированного раствора в менее концентрированный (по градиенту их концентрации).Этот процесс не связан с затратой энергии. Таким путем в клетку попадают низкомолекулярные вещества: кислород, липофильные соединения (спирты, жирные кислоты), вода, яды и другие, чужеродные для клетки вещества. Таким же образом происходит удаление продуктов обмена. Скорость перемещения веществ путем пассивной диффузии невелика и зависит от размеров транспортирующихся молекул [4] [3] .

Схема процесса облегченной диффузии

Облегченная диффузия

Облегченная диффузия – перенос веществ через цитоплазматическую мембрану по градиенту их концентрации с участием пермеаз (транслоказ) – специфических мембранных белков, способствующих прохождению веществ через цитоплазматическую мембрану [3] [1] .

Пермеаза фиксирует на себе молекулу переносимого вещества, вместе с ней преодолевает цитоплазматичекую мембрану. После этого комплекс «вещество-пермеаза» диссоциирует. Освободившаяся пермеаза, диффундирует к наружной поверхности, присоединяет новую молекулу вещества и транспортирует ее внутрь клетки [1] .

Облегченная диффузия не требует расхода энергии, если наружная концентрация вещества выше внутренней, поскольку в таком случае вещество перемещается «вниз» по химическому градиенту. Скорость процесса зависит от концентрации вещества в наружном растворе. Предполагается, что выход продуктов обмена веществ из микробной клетки может также происходит по методу облегченной диффузии с помощью переносчиков [1] .

Параллельно отмечается, что облегченная диффузия более характерна для эукариотических организмов [4] .

Схема активного транспорта

Активный транспорт

Активный транспорт является основным механизмом избирательного переноса вещества через цитоплазматическую мембрану в клетку против градиента концентрации. Этот процесс протекает при участии локализованных в цитоплазматической мембране переносчиков – пермеаз. Это вещества белковой природы, высокочувствительные к субстрату [3] .

Активным транспортом в цитоплазму бактериальной клетку поступает подавляющее большинство разнообразных веществ (ионы, углеводы, аминокислоты, липиды) [4] .

Для активного транспорта необходимы затраты энергии. Ее получают в виде АТФ, либо за счет протондвижущей силы энергизованной мембраны [3] .

У многих микробов, чаще у грамотрицательных бактерий, в активном транспорте принимают участие связующие белки. Эти вещества не входят в структуру мембраны, не идентичны пермеазам. Они локализованы в периплазматическом пространстве. Связующие белки не имеют каталитической активности, но обладают высоким сродством к определенным питательным веществам, аминокислотам, углеводам, неорганическим ионам. Выделено и изучено более 100 различных связующих белков [3] .

Активный транспорт осуществляется двумя путями:

1. Без химической модификации переносимого вещества [4] .
2. С химической модификацией переносимого вещества [4] .

В первом случае молекула питательного вещества образует комплекс с белком периплазматического пространства. Белок взаимодействует со специфической пермеазой цитоплазматической мембраны. После энергозависимого проникновения через цитоплазматическую мембрану комплекс «субстрат – белок периплазмы – пермеаза» диссоциирует и молекула субстрата освобождается [4] .

Во втором случае наблюдается следующие последовательные процессы:

1. Фосфорилирование мембранного фермента-2 со стороны цитоплазмы фосфоенолпируватом [4] .
2. Молекула субстрата связывается на поверхности цитоплазматической мембраны фосфорилированным ферментом-2 [4] .
3. Энергозависимый транспорт молекулы субстрата через мембрану в цитоплазму[4] .
4. Перенос фосфатной группы на молекулу сбстрата [4] .
5. Диссоциация в цитоплазме комплекса «субстрат-фермент» [4] .

Отмечается, что молекулы субстрата аккумулируются в цитоплазме клеток и теряют способность выйти из них именно за счет фосфорилирования [4] .

Отдельные авторы второй путь активного транспорта (с химической модификацией переносимого вещества) выделяют в отдельный (четвертый) способ транспорта питательных веществ – транслокацию (перенос) групп (радикалов) [1] [3] .

Источник

Лекция №3 Физиология и биохимия микроорганизмов

Главная > Документ

Информация о документе
Дата добавления:
Размер:
Доступные форматы для скачивания:

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.

ФЕРМЕНТЫ И ИХ РОЛЬ В ОБМЕНЕ ВЕЩЕСТВ

Ферменты — это вещества белковой природы, выраба­тываемые живой клеткой. Они являются биологическими катализаторами и играют важную роль в обмене веществ микроорганизмов.

По химическому строению, свойствам и механизму действия ферменты микробов сходны с ферментами, образующимися в клетках и тканях животных и растений. Ферменты микробной клетки локализуются в основном в цитоплазме, некоторые содержатся в ядре и клеточной оболочке. Микроорганизмы могут синтезировать самые разнообразные ферменты, относящиеся к шести изве­стным классам: оксиредуктазы, трансферазы, гидролазы, лиазы, изомеразы, лигазы.

Характерным свойством ферментов является специфичность действия, т. е. каждый фермент реагирует с определенным химическим соединением или катализиру­ет одну или несколько близких химических реакций.

Активность ферментов зависит от температуры среды, рН и других факторов. Для многих патогенных микроорганизмов оптимальное значение рН 7,2-7,4, а оптимальная температура находится в пределах 37-50˚С.

Ферменты микроорганизмов классифицируются на эк­зоферменты и эндоферменты. Экзо ф ерменты , выделя­ясь во внешнюю среду, расщепляют макромолекулы питательных веществ до более простых соединений, кото­рые могут быть усвоены микробной клеткой. Так, к экзоферментам относят гидролазы, вызывающие гидролиз белков, жиров, углеводов. В результате этих реакций белки расщепляются на аминокислоты и пептоны, жи­ры — на жирные кислоты и глицерин, углеводы (полисаха­риды) — на дисахариды и моносахариды. Распад белков вызывают ферменты протеазы, жиров — липазы, углево­дов — карбогидразы. Эн д о ф ерменты участвуют в ре­акциях обмена веществ, происходящих внутри клетки.

У микроорганизмов различают также конститутивные и индуктивные ферменты. Конститутивные фермен­ты постоянно находятся в микробной клетке независимо от условий существования. Это в основном ферменты клеточного обмена: протеазы, липазы, карбогидразы и др. Ин д уктивные (адаптивные ) ферменты синтезируются в клетке только под влиянием соответствующего субстрата, находящегося в питательной среде, и когда микроорга­низм вынужден его усваивать. Таким образом, индуктивные ферменты позволяют микро­бной клетке приспособиться к изменившимся условиям существования.

Наряду с ферментами обмена многие патогенные бак­терии вырабатывают также ферменты агрессии , которые служат для преодоления естественных защитных барьеров макроорганизма и являются факторами патогенности. К таким ферментам относятся гиалуронидаза, дезоксирибонуклеаза, лецитиназа.

Дыхание (или биологическое окисление) микроорганиз­мов представляет собой совокупность биохимических про­цессов, в результате которых освобождается энергия, необходимая для жизнедеятельности микробных клеток.

Все физиологические процессы, такие как движение, рост и размножение, образование спор и капсул, выработ­ка токсинов, могут осуществляться при постоянном прито­ке энергии. Микроорганизмы добывают энергию за счет окисления различных химических соединений: углеводов (чаще глюкозы), спиртов, органических кислот, жиров и т. д. Сущность окисления состоит в том, что окисляемое вещество отдает электроны, а восстанавливаемое получает их.

По типу дыхания все микроорганизмы разделяются на облигатные (строгие) аэробы, облигатные анаэробы и факультативные (необязательные) анаэробы.

Облигатные аэробы — живут и развиваются при свободном доступе кисло­рода, т. е. реакции окисления осуществляются у них при участии молекулярного кислорода с высвобождением большого количества энергии. Примером может служить окисление глюкозы в аэробных условиях:

С 6 Н 12 0 6 +60 2 →6CO 2 +6H 2 O+2882,6 кД (688,5 ккал)

Существуют и микроаэрофилы, которые нуждаются в малых количествах кислорода.

Облигатные анаэробы — способны жить и размножаться только в отсутствие свободного кислорода воздуха. Дыхание у анаэробов происходит путем ферментации субстрата с образованием небольшого количества энергии. Так, при анаэробном разложении 1 моль глюкозы энергии выделяется значительно меньше, чем при аэробном дыхании:

С6Н 12 0 6 →2С2Н 5 ОН+2СО 2 +130,6 кД (31,2 ккал)

Наличие свободного кислорода для облигатных анаэро­бов является губительным. Это связано с тем, что в присутствии кислорода конечным продуктом окисления органических соединений оказывается перекись водорода. А поскольку анаэробы не обладают способностью проду­цировать фермент каталазу, расщепляющую перекись водорода, то она накапливается и оказывает токсическое действие на бактерии.

Факультативные анаэробы могут размножаться как при наличии молекулярного кислорода, так и при отсутствии его. К ним относят большинство патогенных и сапрофитных бактерий.

Процессы разложения органических веществ в бескис­лородных условиях, сопровождающиеся выделением энер­гии, называют также брожением. В зависимости от участия определенных микроорганизмов и конечных продуктов расщепления углеводов различают несколько ти­пов брожения: спиртовое, осуществляемое дрожжами; молочнокислое, вызываемое молочнокислыми бактери­ями; маслянокислое, обусловленное маслянокислыми бактериями и др.

Выделение тепла при дыхании микроорганизмов можно наблюдать при выращивании культур в сосудах, защищен­ных от потери тепла — температура питательной среды будет постепенно повышаться. С выделением избыточного тепла при дыхании некоторых микроорганизмов связаны процессы самовозгорания торфа, навоза, влажного сена и хлопка.

Некоторые микроорганизмы (бактерии, грибы) в про­цессе обмена веществ образуют красящие вещества — ­пигменты . По химическому составу и свойствам пигменты неоднородны. Они подразделяются на растворимые в воде ; растворимые в спирте и нерастворимые в воде ; нерастворимые ни в воде, ни в спирте . Нерастворимые в воде пигменты (липохромы) обычно окрашивают колонии бактерий (например: желтый, золотистый, палевый пигменты стафилококков), а раствори­мые — окрашивают питательную среду (синегнойная па­лочка).

Образование пигментов у микробных клеток происхо­дит на свету при достаточном доступе кислорода и определенном составе питательной среды.

Пигментообразование в ряде случаев является стойким признаком микроорганизмов, что позволяет использовать его в качестве теста для идентификации некоторых бактерий (например, стафилококки, синегнойная палочка).

Пигменты защищают микробную клетку от природной ультрафиолетовой радиации, принимают участие в процессах дыхания, некоторые обладают антибиотическим действием (продигиозан).

СВЕТЯЩИЕСЯ И АРОМАТООБРАЗУЮЩИЕ МИКРООРГАНИЗМЫ

Среди микроорганизмов (бактерий, грибов) встречают­ся такие, которые обладают способностью светиться (люминесцировать). Свечение бактерий возникает в ре­зультате интенсивных процессов окисления, сопровожда­ющихся выделением энергии. Свечение морской воды, чешуи рыб, тела мелких ракообразных, сгнившего дерева объясняется присутствием на них светящихся бактерий или фотобактерий. Все светящиеся бактерии относятся к аэробам. Боль­шая часть их видов обитает в морской воде, так как они лучше размножаются при повышенной концентрации соли.

Выявлены микроорганизмы, способные вырабатывать ароматические вещества, например уксусно-этиловый, ук­сусно-амиловый эфиры. Запахи некоторых микробов опре­деляют ароматические свойства вин, молока, масла, сли­вок, сыров и т. д. Ароматообразующие бактерии широко используют при приготовлении различных пищевых про­дуктов.

Некоторые микроорганизмы в процессе жизнедеятель­ности образуют вещества с неприятным запахом (индол, скатол, сероводород), что связано с разложением органи­ческих веществ.

РОСТ И РАЗМНОЖЕНИЕ БАКТЕРИЙ

Одним из важнейших проявлений жизнедеятельности микроорганизмов являются рост и размножение их.

Рост определяется как увеличение размеров отдель­ной особи и упорядочное воспроизведение всех клеточных компонентов и структур.

Под размножением понимают способность микро­организмов к самовоспроизведению, в результате чего увеличивается число особей в популяции. ОСНОВНОЙ спо­соб размножения у бактерий поперечное д еление. Перед делением у бактериальных клеток, достигших определенного возраста, происходит удвоение молекул ДНК. Каждая дочерняя клетка получает копию материн­ской ДНК. Процесс деления считается законченным, когда цитоплазма дочерних клеток разделена перегород­кой.

В образовании перегородки принимает участие цитоп­лазматическая мембрана и клеточная стенка. Если перего­родка формируется в середине делящейся клетки, то появляются дочерние клетки одинаковой величины (изо­морфное деление). Иногда перегородка образуется ближе к одному из концов, тогда дочерние клетки имеют неодинаковый размер (гетероморфное деление).

Деление бактерий (кокков) может происходить в раз­личных плоскостях с образованием многообразных соче­таний клеток: цепочки стрептококков, парные соединения (диплококки), тетрады кокков, тюки (сарцина), гроздья (стафилококки). Палочковидные и извитые формы делят­ся поперечно и только в одной плоскости.

У некоторых бактерий размножение происходит путем образования почки (микобактерии туберкулеза, клубень­ковые бактерии), которая по величине меньше исходной клетки.

Скорость размножения бактерий велика, что обуслов­лено интенсивностью их обмена. У большинства бактерий каждая клетка делится в течение 15-30 мин. Есть виды бактерий, которые делятся медленно, 1 раз в сутки, например микобактерии туберкулеза.

Для каждого вида бактерий скорость размножения может быть различной и зависит от возраста культуры, питательной среды, температуры, значения рН и многих других факторов.

Размножение бактерий в жидкой питательной среде обладает рядом особенностей и происходит в несколько последовательных фаз.

Фаза 1 — исходная стационарная (латентная): микро­бные клетки адаптируются к питательной среде, при этом повышается интенсивность обменных процессов, увеличи­вается размер клеток. Бактерии начинают размножаться лишь к концу первой фазы.

Фаза 2 — логарифмического роста: бактерии энергично размножаются, вследствие чего количество клеток возра­стает в геометрической прогрессии. В этой фазе бактерии обладают наибольшей биохимической и биологической активностью.

Фаза 3 — стационарная: концентрация бактериальных клеток в среде остается постоянной. Это обусловлено тем, что число вновь появившихся бактерий почти равно числу отмирающих клеток. Длительность этой фазы у разных бактерий различна.

Фаза 4 — отмирания: жизнеспособных клеток бактерий становится все меньше, и постепенно они погибают. Причинами гибели клеток могут быть истощение пита­тельной среды, накопление в ней вредных продуктов обмена.

Увеличение количества размножившихся в жидких питательных средах бактерии можно наблюдать через 18-24ч. Появляется либо помутнение среды, либо образование пленки или осадка. При этом характер изменения среды зависит как от вида и возраста бактериальной культуры, так и от состава самой питательной среды.

При размножении на плотных питательных средах бактерии образуют на поверхности среды и внутри нее типичные для каждого микробного вида колонии. Каждая колония- это популяция микроорганизмов, развившаяся из одной клетки определенного вида бактерии. Колонии бактерий различаются по размеру, форме, строению, консистенции и цвету. Внешний вид колоний у некоторых бактерий настолько характерен, что может служить дифференциальным признаком для идентификации микроорга­низмов. Например, колонии возбудителя сибирской язвы можно сравнить с локонами или львиной гривой.

Спирохеты и риккетсии размножаются также попереч­ным делением.

Источник