Поступление питательных веществ в клетку

Поступление питательных веществ и воды в клетку, а также выделение продуктов обмена в окружающую среду происходят у микроорганизмов через всю поверхность их тела.

Возможность проникновения веществ извне, в клетку обусловлена многими факторами: величиной и структурой их молекул; способностью растворяться в компонентах цитоплазматической мембраны; концентрацией веществ в клетке и в среде; свойствами клеточной стенки и цитоплазматической мембраны, являющихся барьерами, через которые должны проникнуть в клетку питательные вещества; имеет значение электрический заряд поверхности клетки и др.

Вещества питательной среды могут поступать в клетку только в растворенном состоянии. Нерастворимые сложные органические соединения должны подвергнуться расщеплению на более простые вне клетки, что происходит с помощью экзоферментов микроорганизмов (рис. 27).

Клеточная стенка (оболочка) проницаема и задерживает лишь макромолекулы. Цитоплазматическая мембрана обладает полупроницаемостью и служит осмотическим барьером; проницаемость ее для различных веществ неодинакова. Известно несколько путей проникновения питательных веществ в клетку.

А – выделение клеткой гидролитических экзоферментов; Б – ферментативный гидролиз сложных веществ; В – проникновение продуктов гидролиза внутрь клетки

Пассивная диффузия подчиняется законам осмоса. При осмотическом проникновении веществ через полупроницаемую мембрану движущей силой является разность осмотических давлений (концентраций веществ) в растворах по обе стороны мембраны, т.е. между средой и клеткой. Такой пассивный перенос веществ – по градиенту концентрации (от более высокой к более низкой) – протекает до уравнивания концентрации и не требует затраты энергии клеткой. Вода – основное вещество, которое проникает в клетку и выделяется из нее путем пассивной диффузии.

Большинство питательных веществ поступает в клетку путем переноса их через мембрану специфическими белками переносчиками – пермеазами (от англ, permeable – проницаемый), локализованными в цитоплазматической мембране. Пермеазы сходны с ферментами; они обладают субстратной специфичностью – каждая транспортирует определенное вещество. На внешней стороне цитоплазматической мембраны пермеаза адсорбирует вещество, вступает с ним во временную связь и диффундирует комплексно через мембрану, отдавая на внутренней стороне ее транспортируемое вещество в цитоплазму.

В клетку из питательной среды могут поступать только те вещества, для которых в цитоплазматической мембране имеются соответствующие пермеазы. Таким образом, мембрана является не только осмотическим барьером, но и обладает избирательной проницаемостью.

Перенос вещества с помощью пермеаз может протекать, как и при пассивной диффузии, по законам осмоса – по градиенту концентрации. Это так называемая облегченная диффузия, протекающая без затрат энергии.

Перенос веществ из питательной среды в клетку может осуществляться пермеазами и против градиента концентрации. Такой активный перенос требует затраты энергии. При этом концентрация транспортируемого вещества в клетке может значительно превысить его концентрацию в питательной среде.

Выход растворенных веществ из клетки осуществляется как при участии пермеаз – путем облегченной диффузии, так, видимо, и путем пассивной диффузии.

Типы питания микроорганизмов

Пища должна содержать такие вещества, которые удовлетворяли бы потребность микроорганизма в химических элементах и энергии для синтеза веществ и структур клетки.

В зависимости от того, какие химические элементы поступают из веществ питательной среды, последние называют их источниками (источник углерода, фосфора и т.д.).

Ранее указывалось, что до 90% и более сухой массы клеток микроорганизмов составляют водород, кислород, углерод и азот, входящие в состав важнейших веществ клетки.

Кислород и водород микроорганизмы получают из воды, а также из многих используемых органических соединений. Для многих микроорганизмов необходим, кроме того, молекулярный кислород (О2), который они используют в процессе энергетического обмена.

Потребности микроорганизмов в отношении источников углерода и азота весьма разнообразны.

Источники углерода. В зависимости от используемого в конструктивном обмене источника углерода микроорганизмы делят на две группы: автотрофы и гетеротрофы.

Автотрофы1 используют диоксид углерода СО2 в качестве единственного или главного источника углерода для синтеза органических веществ тела.

Гетеротрофы2 в качестве источника углерода используют в основном органические соединения.

Соответственно по источнику углерода различают и типы питания: автотрофный и гетеротрофный.

Биосинтез органических веществ из СО2 (восстановительный процесс) протекает с потреблением энергии.

Одни автотрофы в этих целях используют световую энергию и поэтому их называют фототрофами, а процесс – фотосинтезом. В процессе фотосинтеза лучистая энергия

1 Автотроф – питающийся самостоятельно (autos – сам, trophe – пища). 2 Гетеротроф – питающийся другими (heteros – другой). солнца преобразуется в химическую энергию. Другие автотрофы – хемотрофы используют энергию химических реакций окисления неорганических соединений; этот процесс называется хемосинтезом.

Гетеротрофы – хемотрофы; необходимую энергию они получают путем окисления органических соединений.

Помимо источника углерода и энергии при характеристике типа питания микроорганизмов принимается во внимание и природа окисляемого субстрата – донора водорода (электронов). Микроорганизмы, использующие в качестве донора водорода органические соединения, называют органотрофными, а способные использовать неорганические доноры электронов (Н2, NH3, H2S, S и др.) – литотрофными.

Таким образом, с учетом природы основного источника углерода, источника энергии и донора водорода микроорганизмы по типам питания можно представить в виде следующей схемы:

фотолитоавтотрофы

фотоавтотрофы

фотоорганоавтотрофы фототрофы

фотолитогетеротрофы фотогетеротрофы

фотоорганогетеротрофы Микроорганизмы

хемолитоавтотрофы

хемоавтотрофы

хемооргоноавтотрофы хемотрофы

хемолитогетеротрофы хемогетеротрофы

хемоорганогетеротрофы

Фотолитоавтотрофы для синтеза органических веществ тела получают углерод из СО2, используют световую энергию и неорганический донор водорода (электронов). К ним относятся цианобактерии, пурпурные и зеленые серные бактерии. Это преимущественно водные бактерии, содержащие различные пигменты (каротиноидные, бактериохлорофиллы); которые поглощают свет. Донором водорода (для восстановления СО2) у цианобактерий служит вода, а у серобактерий – H2S, при этом в клетках накапливается сера; фотосинтез протекает без выделения молекулярного кислорода.

Фотоорганотрофы для синтеза органических веществ используют СО2, световую энергию и простые органические соединения. Это живущие в водоемах пурпурные несерные бактерии.

Для хемолитоавтотрофов источником углерода служит СО2, источником энергии – реакция окисления неорганических соединений. Бактерии, относящиеся к этой группе, живут в водоемах, в почве; они специфичны в отношении окисляемого ими вещества. Это бактерии, окисляющие водород с образованием воды (водородные бактерии), аммиак – до нитратов (нитрифицирующие бактерии), сероводород – до серной кислоты (бесцветные серобактерии), а также окисляющие Fe (II) в Fe (III) (железобактерии). Эти микроорганизмы играют большую роль в круговороте веществ в природе.

Для хемоорганогетеротрофов (хемогетеротрофов) источником углерода, энергии и донора водорода являются органические соединения. Такой тип питания характерен для многочисленных бактерий, грибов и дрожжей. Среди хемогетеротрофов есть микробыпаразиты (паратрофы), живущие в теле другого организма – хозяина, питающиеся веществами его тела. К паразитам относятся возбудители заболеваний человека, животных, растений.

Большинство хемогетеротрофных микроорганизмов живет за счет использования органических веществ различных субстратов животного и растительного происхождения. Такие микроорганизмы называют сапрофитами (метатрофами). Эти микроорганизмы разлагают различные органические вещества в природе (в почве, в воде), вызывают порчу пищевых продуктов или используются в процессах переработки растительного и животного сырья.

Многие сапрофиты всеядны, т.е. способны использовать разнообразные органические соединения: некоторые проявляют выраженную специфичность (избирательность) в отношении источника углерода. Существуют и такие, которые нуждаются в каких-либо определенных соединениях, их называют субстратспецифичными микроорганизмами. Примерами могут служить микроорганизмы, использующие метан, парафины и др.

Сапрофиты наряду с органическими соединениями используют в небольших количествах и СО2, вовлекая его в обмен веществ. Углекислый газ служит дополнительным источником углерода для биосинтеза веществ клетки.

Источники азота. Азот входит в состав жизненно важных компонентов микробной клетки.

Все автотрофные микроорганизмы усваивают азот из неорганических его соединений.

У хемогетеротрофов по отношению к источнику азота проявляется избирательность, как и по отношению к источнику углерода. Паразиты используют органические азотсодержащие вещества клеток хозяина. Источником азота для сапрофитов могут служить как органические, так и неорганические азотсодержащие соединения. Одни способны расти только на субстратах, содержащих сложные азотсодержащие вещества (азотистые основания, пептиды, большой набор аминокислот), так как сами синтезировать их из более простых соединений не способны. Другие могут развиваться при ограниченном числе органических соединений азота, например в субстратах, содержащих только некоторые аминокислоты и даже одну-две из них, а все остальные, необходимые для синтеза белков клетки синтезируют сами. Они дезаминируют взятые аминокислоты и образующийся аммиак используют в реакциях восстановительного аминирования оксикислот или чаще кетокислот, например:

NH3 + Н2 + НООССН2СОСООН → HOOCCH2CHNH2COOH + Н2О.

щавелево-уксусная кислота аспарагиновая кислота

Синтез новых аминокислот может протекать также и без дезаминирования взятых из субстрата аминокислот (без промежуточного образования аммиака), а путем перестройки их (переаминирования) – переноса аминогруппы с аминокислоты на кетокислоты при участии ферментов аминотрансфераз:

R1CHNH2СОOH + R2COCOOH → R1СOCOOH + R2CHNH2COOH.

Многие сапрофиты (бактерии, грибы, дрожжи) вообще не нуждаются в органических соединениях азота, используя его неорганические соединения; лучшими являются соли аммония. Из аммонийного азота они получают аминогруппу, которая путем прямого аминирования вводится при участии ферментов синтетаз в органическое соединение (оксикетокислота), служащее углеродным скелетом будущей аминокислоты. В состав компонентов клетки азот входит главным образом в восстановленной форме. Используя в качестве источника азота нитраты и нитриты, микроорганизмы восстанавливают эти окисленные формы азота с образованием аммиака, который и участвует в биосинтетических процессах.

Существуют сапрофиты, способные использовать молекулярный азот (N2). Они переводят его в связанное состояние – восстанавливают в аммиак. Эти микроорганизмы называют азотфиксаторами или азотсобирателями.

Специфичностью отношений микроорганизмов к источнику углерода и азота определяется круговорот этих элементов в природе. Такая особенность гетеротрофов проявляется и при порче многих пищевых продуктов, при смене развития одних форм другими.

Источники зольных элементов. Выше было сказано, что для синтеза клеточных веществ нужны и различные зольные элементы: сера, фосфор, калий, кальций, магний, железо. Хотя потребность в них и невелика, но при недостатке в питательной среде даже одного из этих элементов микроорганизмы не будут развиваться и могут погибнуть. Больше всего требуется фосфора: он входит в состав нуклеиновых кислот, АТФ, АДФ, принимает участие в различных биохимических превращениях. Лишь немногие микроорганизмы хорошо усваивают серу и фосфор из органических соединений.

Для большинства микроорганизмов источниками зольных элементов являются минеральные соли.

Микроэлементы нужны для роста микроорганизмов в незначительных количествах и могут быть использованы ими также из минеральных солей.

Потребность микроорганизмов в витаминах. В составе микробной клетки имеются различные витамины. Они необходимы для их нормальной жизнедеятельности. Некоторые витамины входят в состав коферментов, простетических групп. Одни микроорганизмы должны получать витамины в готовом виде, и при отсутствии того или иного витамина в среде у них резко нарушается обмен веществ. При добавлении в питательную среду недостающего витамина ликвидируется задержка роста, поэтому витамины нередко называют «ростовыми веществами», стимуляторами роста. Другие микроорганизмы способны сами синтезировать витамины из веществ питательной среды. Некоторые из них синтезируют витамины в количествах, значительно превышающих собственные потребности.

Микробиологическим путем получают эргостерин (провитамин D), рибофлавин (витамин В2), кобамидцианид (витамин B12), каротиноиды (в том числе и провитамин А) и др.

В промышленности эргостерин получают, используя дрожжи Saccharomyces cerevisiae и Sacch. carlsbergensis, a также некоторые мицелиальные грибы.

Для получения кристаллического витамина D используют грибы родов Aspergillus, Penicillium и др.

Концентрат рибофлавина получают с помощью гриба Eremothecium ashbyii. Продуцентами витамина В12 являются некоторые актиномицеты, пропионовокислые и метанообразующие бактерии. В мировой практике для получения витамина В12 наиболее часто используют Pseudomonas denitrificans. В нашей стране получен высокопродуктивный мутант – Nocardia rugosa.

Продуцентами β-каротина являются дрожжи рода Rhodotorula, а высокопродуктивным мутантом, синтезирующим β-каротин, – дрожжи Rhodospоridium diobovatum. Каротин синтезируют и некоторые актиномицеты, миксобактерии и грибы.

Витамины микробиальной природы широко используют в сельском хозяйстве, медицине, пищевой промышленности, для косметических средств и других целей.