Питание микроорганизмов

Питание — процесс поступления в организм химических веществ, содержащих пластический материал и энергию.

Для роста микроорганизмов необходимы:

• вода — обязательный химический компонент клеток бактерий. В вегетативных клетках она составляет около 80 % биомассы, в спорах — 18–20 %. Основная часть воды находится в свободном состоянии. Кроме свободной, имеется ионная фракция воды и вода, связанная с коллоидными веществами;

• питательные веще­ства — растворенные в воде соединения, из которых микроорганизмы строят свои клетки и получают энергию.

По потребностям в питательных веществах микроорганизмы делятся на 2 группы:

• прототрофные, самостоятельно син­тезирующие необходимые для жизнедеятельности вещества.

• ауксотрофные, неспособные синтезировать некоторые вещества и получающие их в готовом виде из окружающей среды или организма хозяина (человека, животного). Часто ауксотрофность возникает в результате мутаций. Ауксотрофами чаще всего являются патогенные и условнопатоген­ные микроорганизмы.

Способы питания микроорганизмов.

1. Голозойный способ (голоз — группа, зоо — животное) — характерен для простейших и некоторых видов грибов. Микроорганизм поглощает высокомолекулярные соединения: растворимые макромолекулы (пиноцитоз) и твердые частички (фагоцитоз). Для голозойного способа характерна большая скорость, он энергозависим и контролируется генетически.

2. Голофитный способ (голоз — группа, фитос — растение) — характерен для растений, бактерий и грибов, которые используют низкомолекулярные вещества. Микробная клетка находится в среде высокомолекулярных веществ, которые внутрь клетки проникнуть не могут. В результате гидролиза высокомолекулярные соединения (белок, полисахариды, клетчатка) превращаются в низкомолекулярные. Гидролизует их сама микробная клетка в результате контактного пищеварения (ферменты находятся на поверхности микроорганизма, он прилипает к субстрату и осуществляет гидролиз) и внеклеточного пищеварения (микроорганизм выделяет пищеварительные ферменты во внешнюю среду).

Растворенные питательные вещества поступают внутрь микробной клетки через всю ее поверхность, преодолевая три барьера (капсулу, КС, ЦПМ), либо два (КС и ЦПМ), либо один (ЦПМ). Капсула и КС достаточно ригидны и пропускают достаточно крупные биомолекулы. КС Грам+ бактерий задерживает вещества с молекулярной массой 10 000 Кд, некоторых грибов — 5 000 Кд. Основным барьером и регулятором поступления веществ в клетку является полупроницаемая ЦПМ, которая избирательно пропускает и выводит химические вещества. Способность различных соединений проникать в ЦП клетки зависит от химической структуры питательного вещества.

Способы проникновения питательных веществ через ЦПМ в бактериальную клетку (табл. 19):

1. пассивная (простая) диффузия:

• протекает по градиенту концентрации (если концентрация вещества вне клетки выше, чем в клетке, то вещество проникает внутрь до достижения состояния равновесия; если концентрация вещества в клетке выше, то идет обратная диффузия);

• не контролируется геномом;

• не требует затрат энергии;

• не имеет субстратной специфичности; вещества поступают в клетку без взаимодействия с мембранными белками;

• так проникают в клетку молекулы воды и некоторых газов (O₂, СО₂, H₂, N₂); это не обеспечивает клетку всем необходимым для развития, поэтому есть другие механизмы транспорта.

2. облегченная (ускоренная) диффузия:

• протекает по градиенту концентрации;

• контролируется геномом;

• не требует затрат энергии, но сопряжена с реакциями, продуцирующими энергию в химической или электрохимической форме;

• субстратспецифична, перенос веществ осуществляется при участии мембранных белков-пермеаз;

• не получила широкого распространения у прокариот; так транспортируются в клетку полярные молекулы гидрофильных веществ (сахара, аминокислоты) в химически неизмененном виде.

3. активный транспорт:

• протекает против градиента концентрации;

• контролируется геномом;

• проходит с большими затратами энергии;

• субстратспецифичен; перенос веществ осуществляется при участии мембранных белков-пермеаз,

• это основной механизм избирательного переноса веществ через ЦПМ прокариот; так переносятся гидрофильные вещества (сахара, оксикислоты, нуклеотиды, нуклеозиды, жирные кислоты, аминокислоты) и антибиотики (пермеаза принимает антибиотик за питательное вещество, он проникает внутрь и клетка погибает) в химически неизмененном виде.

3. перенос химически модифицированных молекул (транслокация):

• протекает против градиента концентрации;

• контролируется геномом;

• проходит с большими затратами энергии;

• питательные вещества (сахара) поступают в клетку при участии мембранных белков-пермеаз;

• в процессе прохожде­ния через мембрану вещества модифицируются (фосфорилируются).

3. ионный транспорт — перенос ионизированных (заряженных) молекул через ионные каналы в мембране микроорганизма. Их прохождение осуществляется по градиенту концентрации и не требует затрат энергии.

4. ультрафильтрация — проникновение в клетку низкомолекулярных веществ путем растворения в белках мембраны (водорастворимые) или липидах (жирорастворимые).

Таблица 19

Способы проникновения питательных веществ через ЦПМ в бактериальную клетку

Процесс	Природа транспорта	Примеры	Описание (характеристика)	Характерные особенности
Пассивный	Затрат энергия не требуется. Вещества поступают по градиенту концентрации и движутся из области с повышенной концентрацией в область с пониженной концентрацией по градиенту.	Диффузия	Фундаментальное свойство атомов и молекул, которые находятся в бепрерывном беспорядочном движении	Неспецифическое броуновское движение
		Осмос	Диффузия молекул воды через мембрану позволяет свободно перемещаться воде, но не другим молекулам	Направление зависит от осмомолярности клетки
		Облегченная диффузия	Молекулы связываются с мембранными рецепторами и транспортируются на другую сторону	Специфические молекулы, транспорт в обе стороны
Активный	Требуются затраты энергии. Молекулы транспортируются вне зависимости от градиента. Скорость транспорта увеличивается. Транспорт может осуществляться против градиента концентрации.	Активный транспорт	Атомы и молекулы поступают в клетку и из нее через специализированные рецепторы. Требует затрат АТФ.	Транспорт простых сахаров, аминокислот, неорганических ионов (Na+, K+)
		Транслокация групп	Молекулы движутся через мембрану и одновременно модифицируются	Альтернативная система для транспорта питательных веществ (сахаров, аминокислот)
		Основной транспорт	Транспорт больших частиц, клеток и жидкостей путем поглощения и образования везикул	Включает эндоцитоз, экзоцитоз, пиноцитоз

Таким образом, поступление большинства питательных веществ в клетку происходит при участии мембранных ферментов — специализированных транспортных белков-транслоказ (пермеаз). Пермеазы образуют прочный комплекс с питательными веществами на внешней стороне мембраны, подвергаются конформационным изменениям и перемещают субстрат с одной стороны ЦПМ на другую, после преодоления мембраны комплекс диссоциирует. Имеется три класса пермеаз:

• унипортеры — переносят один тип субстратов через мембрану;

• симпортеры — переносят два типа субстратов в одном направлении;

• антипортеры — переносят два субстрата в противоположных направлениях (напр., Na⁺ и H⁺).

Характеристика бактериальных ферментов.

1. Ферменты имеют большое значение в жизни бактериальной клетки. Они являются биологи­ческими белковыми катализаторами, характеризуются высокой субстратной специфичностью действия, участвуют во всех метаболи­ческих процессах.

У  бактерий обнаружены  ферменты  6 классов:

• оксидоредуктазы — окислительно-восстановительные ферменты (дегидрогеназы, цитохромы, пероксидазы, каталазы) — катализируют окислительно-восстановительные реакции;

• трансферазы — осуществляют реакции переноса групп атомов с одной молекулы на другую (напр., трансаминазы переносят аминогруппы от аминокислот к кетокислотам, обеспечивая синтез аминокислот);

• гидролазы — осуществляют гидролитическое расщепление различных соединений (пептидогидролазы разрушают белки, эстеразы разрушают сложноэфирные связи, амилаза разрушает крахмал);

• лиазы — катализируют реакции отщепления от субстрата химической группы негидролитическим путем (без участия воды) с образованием двойных связей (например, декарбоксилазы отщепляют карбоксильные группы);

• изомеразы — катализируют реакции изомеризации и определяют пространственное расположение групп элементов;

• лигазы (синтетазы) — катализируют реакции связывания, сопровождающиеся расщеплением пирофосфатной связи в молекуле АТФ или аналогичного трифосфата.

2. По месту функционирования микробные ферменты делятся на:

• эндоферменты — локализуются в периплазматическом пространстве, ЦПМ и ЦП; катализируют внутриклеточные реакции (синтетические процессы, дыхание);

• экзоферменты — выделяются во внешнюю среду. Осуществляют процессы расщепления высокомолекулярных субстратов до низкомолекулярных соединений, способных проникать внутрь клетки.

Соотношение у микроорганизмов сдвинуто в сторону экзоферментов, так как объем клетки маленький и экзоферменты играют исключительно важную роль в приспособлении микроорганизмов к неблагоприятным условиям. Способность к образованию экзоферментов во многом определяет инвазивность бактерий — способность проникать через слизистые, соединительнотканные и другие тканевые барьеры. Напр., гиалуронидаза расщепляет гиалуроновую кислоту, входящую в состав межклеточного вещества, что повышает проницаемость тканей (клостридии, стрептококки, стафилококки); нейраминидаза облегчает преодоление слоя слизи, проникновение внутрь клеток и распространение в межклеточном пространстве (холерный вибрион, дифтерийная палочка). К эктоферментам относятся энзимы, разлагающие антибиотики.

3. В соответствии с механизмами генетического контроля у бактерий выделяют различают ферменты:

• конститутивные — синтезируются постоянно, в том числе и при отсутствии субстрата в окружающей среде и работают всегда. К конститутивным ферментам относятся ферменты гликолиза.

• индуцибельные (адаптивные) — их синтез индуцируется наличием субстрата для данного фермента. Работают по мере необходимости: если внести во внешнюю среду субстрат, то через 2–3 секунды повышается активность ферментов, его утилизирующих. Также быстро и прекращается биосинтез индуцибельных ферментов при исчезновении субстрата. К индуцибельным ферментам относятся ферменты транспорта и катаболизма (напр., лактозопермеаза, –галактозидаза, –лактамазы).

Соотношение у микроорганизмов сдвинуто в сторону индуцибельных ферментов, обеспечивающих легкую приспособляемость и выживаемость бактерий благодаря способности переключать метаболизм с одного субстрата на другой.

4. Неспецифические клинические симптомы при бактериальных инфекциях (головная боль, головокружение, слабость, утомляемость) связаны с протеолитической активностью бактерий. Некоторые патогенные бактерии продуцируют особые фермен­ты-токсины (гиалуронидазу, коллагеназу, нейраминидазу, лецитиназу,  плазмокоагулазу, фибринолизин, ДНК–азу, РНК–азу,  гемолизины), субстратом действия которых являются клетки и ткани макроорганизма. Эти ферменты рассматриваются как факторы патогенности.

5. Ферментативная способность бактерий широко используется в генной инженерии (рестриктазы, лигазы), в промышленности для приготовления органических кислот (уксусной, молочной, щавелевой, лимонной), молочных продуктов (кефир, кумыс, простокваша, ацидофилин, сыр), в виноделии, пивоварении, силосовании кормов.

6. Каждый вид микроорганизмов продуцирует определенный для него набор ферментов. Ферментный состав бактериальной клетки определяется геномом и является достаточно постоянным признаком. Однако активность ферментов зависит от температуры культивирования бактерий, pH среды, концентрации солей. В микроорганизмиологической практике используется рабочая классификация ферментов по спектру биохимической активности, согласно которой выделяют ферменты:

• сахаролитические;

• протеолитические;

• липолитические;

• окислительно-восстановительные;

• ферменты-токсины.

Для дифференциации бактерий по биохимическим свойствам основное значение имеют конечные продукты действия ферментов (кислота, углекислый газ, индол, сероводород). Знание биохимических свойств бактерий позволяет идентифицировать их по набору ферментов. Определение ферментов-токсинов имеет значение для выявления роли микроорганизмов в патологии.