Механизм питания микроорганизмов

Всем микроорганизмам для осуществления процессов метаболизма, обеспечивающих синтез соединений, из которых построена клетка, а также обеспечивающих расщепление веществ для получения энергии, необходимы питательные вещества.

В качестве питательных веществ и источника энергии микроорганизмы используют различные органические и неорганические соединения.

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 обуславливает различные типы питания.

Обязательными элементами, входящими в состав основного соединения (белка) служат четыре органогена – кислород, водород, углерод и азот.

Источником водорода и кислорода для микроорганизмов служит вода. Вода необходима микробным клеткам и для растворения питательных веществ, так как они могут проникать в клетку только в растворенном виде.

Источником азота и углерода для большинства микроорганизмов являются различные химические соединения (органические и неорганические). Некоторые виды микроорганизмов способны усваивать элементарный азот непосредственно из воздуха, а углерод – из углекислоты.

По типам питания, в основе которых лежит источник азота и углерода, микроорганизмы подразделяются на две группы: автотрофы и гетеротрофы.

Автотрофы (от греческого autos – сам, tropha – питание) способны синтезировать сложные органические вещества, используя для этого простые неорганические соединения. Источником углерода и азота для этих микроорганизмов являются углекислота и другие неорганические соединения углерода, молекулярный азот воздуха и аммонийные соли. За счет этих простых соединений автотрофные микроорганизмы синтезируют белки, жиры, углеводы, витамины, ферменты.

Среди автотрофов (прототрофов) есть хемосинтезирующие, которые получают энергию за счет химических реакций, они лишены фотоситетических пигментов и фотосинтезирующие микроорганизмы, получающие энергию солнечного света и содержащие хлорофилоподобные пигменты.

К автотрофам относится меньшая часть микроорганизмов, большая же часть из них является гетеротрофами.

Гетеротрофы (от греческого heteros – другой, tropha – питание) способны ассимилировать углерод только из органических соединений. Что касается источника азота, то здесь могут быть разные источники. Многие гетеротрофы усваивают азот из аммонийных соединений. Есть представители гетеротрофных микробов, которые в качестве источника азота используют аминокислоты, а некоторые (преимущественно патогенные виды) используют нативный (неизмененный) белок.

Среди гетеротрофов, также как и среди атотрофов есть хемосинтезирующие, получающие энергию за счет химических реакций и фотосинтезирующие, получающие энергию солнечных лучей.

Хемосинтезирующие гетеротрофы, подразделяются на хемоорганотрофы (паратрофы) и хемолитотрофы (метатрофы).

Гетеротрофы широко распространены в природе и играют очень важную роль в утилизации мертвых органических веществ растительного и животного происхождения. Они играют важную роль в разложении мертвых органических остатков в почве, в сточных водах, в открытых водоемах.

Такие гетеротрофные микроорганизмы называются сапрофитами (от греческого sapro – гнилой, phyto – растение) или метатрофами (живут за счет инертных органических веществ). Сапрофиты играют значительную роль в процессе минерализации мертвых органических соединений.

Большинство бактерий, дрожжей, плесеней, некоторые простейшие принадлежат именно к этой группе микроорганизмов.

В ходе эволюции в результате прогрессивных или регрессивных процессов (а может быть, тех и других) появились микроорганизмы (бактерии, простейшие, микоплазмы, вирусы и др.) способные существовать не только за счет мертвых органических остатков или продуктов обмена, но и в тканях и жидкостях живых растительных и животных организмов, осуществляя свое питание за счет активного белка высших организмов. Присутствие этих микроорганизмов может вызвать нарушение различных процессов и гибель животного или растительного организма.

Подобные микроорганизмы называют паратрофами или паразитическими (от греческого patogenes – способный вызвать заболевание). Среди них есть факультативные, условно – патогенные и облигатные паразиты. К облигатным (строгим внутриклеточным) паразитам относятся хламидии, риккетсии, вирусы.

Для обеспечения энергетических и биосинтетических потребностей микроорганизмов необходимо наличие в окружающей их среде питательных веществ.

Микроорганизмы используют питательные вещества только в виде относительно небольших молекул. Сложные органические вещества (белки, полисахариды, липиды и пр.) могут быть использованы как источник питания только после их предварительного гидролиза до более простых соединений.

Основным компонентом клетки, осуществляющим транспорт питательных веществ и выход из клетки продуктов метаболизма является цитоплазматическая мембрана.

В основе механизма питания микробной клетки лежат диосмотические процессы. Питательные вещества из растворов воспринимаются микробной клеткой путем осмоса через их полупроницаемую оболочку. Этим же путем, только в обратном направлении, происходит и выделение из клетки продуктов метаболизма.

Оболочка клетки непроницаема для коллоидов. Вещества коллоидной природы могут быть утилизированы только после предварительного гидролитического их расщепления при помощи ферментов, выделяемых микробами в окружающую среду. Так, крахмал могут усваивать только те бактерии, которые выделяют фермент амилазу, расщепляющий крахмал.

Накопление в клетках в результате синтетических процессов коллоидных белковых веществ, которые не имеют обратного выхода из клетки через оболочку, обуславливает рост микробных клеток и их последующее деление.

Главной движущей силой осмотических токов служит разница концентраций веществ между питательными растворами и содержимым клеток. Осмотические процессы, лежащие в основе питания, представляют достаточно сложное явление, в котором большую роль играют и электрические заряды ионов питательных растворов, элементов оболочки, содержимого клеток, физико – химическая структура соединений и целый ряд других факторов.

Благодаря постоянному притоку в клетку воды, ее коллоидные вещества находятся в состоянии разбухания, вследствие чего оказывают давление на оболочку, достигающее больших величин (у бактерий 3 – 6 атмосфер). Внутреннее осмотическое давление обуславливает тургор клеток.

В тех случаях, когда микробные клетки попадают в гипертонические растворы, они резко обезвоживаются, в результате чего их протоплазма сморщивается и отстает от оболочки. Это явление называется плазмолизом.

При обратном соотношении концентраций, когда микробы находятся в гипотонических растворах, клетки разбухают до крайних пределов и в конечном счете тоже погибают. Это явление называется плазмоптисом.

Питательные вещества проникают в клетку несколькими способами.

1. Пассивная диффузия, т.е. перемещение веществ через толщу мембраны, в результате чего выравниваются внутренняя 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, которые локализованы на цитоплазматической мембране и обладают специфичностью. Каждая пермеаза адсорбирует соответствующее питательное вещество на наружной стороне цитоплазматической мембраны, вступает с ним во внутреннюю связь и диффундирует через мембрану, отдавая на внутренней стороне транспортируемое ею 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 не может проникнуть в клетку, если концентрация его в клетке значительно превышает концентрацию в среде.

4. В ряде случаев транспортируемое вещество может подвергаться химической модификации, и такой способ переноса веществ получил название переноса радикалов или транслокации химических групп. По механизму передачи транспортируемого вещества этот процесс сходен с активным транспортом.

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

Разрушая клетки ткани хозяев и выделяя в окружающую среду продукты своего обмена веществ, микробы отравляют макроорганизм, обуславливая общую его интоксикацию.

Задание 3.2 Формы симбиоза микро- и макроорганизмов ( комменсализм ,мутуализм и паразитизм).

Симбиоз (от греч. symbiosis «совместная жизнь») — это близкое сообщество живых организмов, принадлежащих к разных видам. Такое сообщество может принимать различные формы в зависимости от природы отношений между двумя видами и от того, полезны эти отношения или вредны. Отношения, полезные для обоих видов, называются мутуализмом. Если отношения полезны для одной стороны и безразличны для второй, они называются комменсализмом. Отношения, вредные для одной стороны и полезные для другой, называются паразитизмом.

МИКРО- и МАКРОЭЛЕМЕНТЫ

Металлы, которые необходимы для здоровья человеческого организма, подразделяются на микро- и макроэлементы. Нужные нам в больших количествах металлы относят к макроэлементам, а к микроэлементам такие металлы, которых для нормальной жизнедеятельности требуются гораздо меньшие дозы.

Микроэлементы составляют около 4 % веса человека и требуются в минимальных, строго определенных количествах. Более тридцати элементов относятся к микроэлементам. Примерно 25 грамм микроэлементов в сутки из организма выводится с минеральными солями. Это означает, что ежедневно требуется «возвращать» эти микроэлементы организму в усвояемой форме из продуктов органического происхождения. Организм насыщается микроэлементами, содержащимися в продуктах питания, воде, воздухе и накапливаются различными его тканями.

Макроэлементы – химические вещества, которые встречаются в организме человека, а также продуктах питания в больших количествах. К ним относятся магний, кальций, калий, фосфор, натрий, сера, хлор.

Функции и биологическая роль макро- и микроэлементов в человеческом организме различны. Однако недостаточность этих важнейших элементов и биологически активных веществ могут повлечь неприятные последствия: от повышенной утомляемости или частого недомогания до различных серьезных заболеваний. Первыми признаками нехватки полезных химических веществ могут служить изменение массы тела, нездоровая кожа, ломкость и тусклость волос, ногтей. Экологические загрязнения, стрессы, несбалансированные диеты, повышенные физические нагрузки особенно требуют повышенного потребления микро- и макроэлементов.

В последнее время обозначать микро- и макроэлементы принято термином минерал. Без минеральных веществ не могут нормально функционировать пищеварительная, нервная и сердечно-сосудистая системы, а также защитные функции организма.

Темами последующих статей станут наиболее важные и значимые для организма минералы.

Комменсализм (лат. com—с, вместе и mensa—стол, трапеза), т. е. сотрапезничество, форма симбиоза, при которой один из партнеров системы (комменсал) возлагает на другого (хозяин) регуляцию своих отношений с внешней средой, но не вступает с ним в тесные отношения. Основой для комменсальных отношений могут быть общее пространство, cyбстрат, кров, пища. Присутствие комменсала для хозяина остается обычно безразличным, т. е. понятие комменсализм сейчас понимается шире, чем сотрапезничество.

Паразитизм (греч. parasitоs—нахлебник)—форма антагонистических взаимоотношений двух различных организмов, при которой один из них (паразит) использует другого (хозяина) в качестве среды обитания (среда 1-го порядка) или источника пищи, возлагая на него регуляцию своих отношений с внешней средой (среда 2-го порядка). Наблюдается различная степень специализации паразитов (приуроченность к различным органам и тканям) и специфичность паразитов (приуроченность определенного вида паразита к определенным видам хозяина). Считают, что узкая специфичность указывает на давнее происхождение системы. В процессе эволюции паразитической системы наблюдается тенденция к сглаживанию антагонистических отношений между партнерами. Однако даже в самых стабильных системах паразит — хозяин отношения между партнерами построены по принципу неустойчивого равновесия, нарушения которого могут привести к распаду системы и гибели одного или обоих партнеров. Паразиты принимают участие в регуляции численности популяций хозяев, а иногда определяют направленность микроэволюционных процессов. Паразиты подразделяются на облигатные (обязательные) и факультативные (необязательные).

Мутуализм (лат. mutuus—взаимный) - форма симбиоза, при которой отношения между партнерами характеризуются взаимовыгодностью и ни один из них не может существовать без другого.