Обмен веществ и энергии (метаболизм) у прокариот
Для роста и размножения микроорганизмы нуждаются в веществах, используемых для построения структурных компонентов клетки и получения энергии. В основе жизнедеятельности микроорганизмов лежит непрерывный обмен веществ и энергии с окружающей средой (метаболизм).
Метаболизм (от лат. metabole — изменение, превращение) — совокупность всех химических превращений в клетке, имеет две составляющих (рис. 56):
анаболизм (от греч. anabole — подъем) (конструктивный (пластический) метаболизм, ассимиляция) — биосинтез макромолекул из простых низкомолекулярных соединений и их ассимиляция (усвоение, накопление);
катаболизм (энергетический метаболизм, диссимиляция) — химический ферментативный процесс разрушения высокомолекулярных веществ до мономеров, направленный на получение энергии и ее запасы в форме АТФ.
Рис. 56. Метаболические процессы
Метаболизм у прокариот в целом протекает так же, как у высших животных и растений.
Особенности метаболизма у прокариот:
бактерии разнообразны по своим пищевым потребностям. Одно и то же соединение для одних микроорганизмов может быть продуктом питания, а для другого — ядовитым веществом. Известны бактерии, способные усваивать фенол, парафин, уксусную кислоту, антибиотики;
способность включать в обмен веществ любые органические и неорганические соединения;
высокая интенсивность метаболизма;
высокая адаптационная способность к меняющимся условиям окружающей среды;
многообразие путей метаболизма, промежуточных и конечных продуктов;
возможность искусственного культивирования многих микроорганизмов в бесклеточных средах;
несовершенство регуляции метаболических процессов.
Риккетсии — облигатные внутриклеточные паразиты (не способны синтезировать некоторые макромолекулы).
Хламидии — облигатные внутриклеточные паразиты (не способны синтезировать некоторые макромолекулы) и энергетические паразиты (не способны синтезировать АТФ).
Микоплазмы — мембранные паразиты (не способны синтезировать стерины для ЦПМ).
Изучение процессов метаболизма у микроорганизмов необходимо для понимания механизмов патогенеза заболеваний, для идентификации микроорганизмов и этиологической диагностики заболеваний, для проведения химиотерапии, а также для получения необходимых для человека материалов с использованием биотехнологии.
Химическая структура и питательные потребности бактерий
Клетка — универсальная единица живой материи. По химическому составу у прокариотических и эукариотических клеток нет существенных отличий. Для осуществления биосинтетических реакций бактериям необходимы химические элементы и дополнительные факторы роста. Потребность микроорганизма в определенных химических элементах и ростовых факторах — стабильный признак, который используется для идентификации бактерий, а также при изготовлении питательных сред.
Химические элементы, входящие в состав бактерий, можно разделить на три группы: биогенные химические элементы, макроэлементы и микроэлементы.
I. Биогенные химические элементы (С, О, N, H). На их долю приходится 95 % сухого остатка, в т. ч. C — 50 %, O — 20 %, N — 15 %, H — 10 %. Это основные химические элементы, необходимые для синтеза органических соединений. Кислород и водород не лимитируются, их микроорганизмы могут получать из воды и других соединений.
По способности усваивать источники углерода микроорганизмы делятся на 3 группы:
Аутотрофы (от греч. auto — сам, trophe — питание). Буквальный перевод «сам питаюсь». Извлекают углерод из простых неорганических соединений (обычно из СО2 или карбонатов), не нуждаются в органических соединениях и энергии. Среди автотрофов нет патогенных для человека микроорганизмов.
Гетеротрофы (от греч. heteros — другой, trophe — питание). Буквальный перевод «питаемый другими». Усваивают углерод из сложных органических соединений различной химической природы (гексоз, спиртов, аминокислот, органических кислот). Гетеротрофов делят на следующие:
метатрофы (гнилостные бактерии, грибы, дрожжи), усваивающие углерод из мертвых органических соединений; широко распространены в почве, играют ведущую роль при разложении органических останков; являются сапрофитами;
паратрофы, усваивающие углерод в условиях живого организма, являются паразитами, среди которых различают облигатных паразитов (риккетсии, хламидии, вирусы), живущих только в живой клетке, и факультативных (большинство патогенных бактерий), которых можно выращивать на искусственных питательных средах.
Миксотрофы — микроорганизмы, способные переключаться с автотрофного на гетеротрофный путь обмена веществ и энергии.
Азот содержится в клетке в восстановленной форме в виде аминогрупп. Для синтеза азотсодержащих соединений (аминокислот, пуринов, пиримидинов, некоторых витаминов) микроорганизмы нуждаются в доступном источнике азота. По способности усваивать источники азота микроорганизмы делятся на 2 группы:
Аминоаутотрофы усваивают азот из неорганических соединений: азотфиксирующие бактерии (клубеньковые) используют азот воздуха; аммонифицирующие бактерии используют соли аммония; нитрифицирующие бактерии — аммиак и его соли превращают в азотную, а затем в азотистую кислоту. Денитрофицирующие бактерии в качестве источника азота используют нитраты и нитриты, образуя из них молекулярный азот воздуха. Среди аминоаутотрофов нет патогенных для человека микроорганизмов.
Аминогетеротрофы извлекают азот из органических соединений (аминокислот, пептонов, белков) или используют минеральные источники азота с добавлением несинтезируемых ими аминокислот. К этой группе принадлежат многие виды патогенных бактерий.
II. Макроэлементы — сера, фосфор, калий, кальций, магний, хлор, натрий. На них приходится около 5 % сухого остатка.
III. Микроэлементы (зольные элементы, следовые элементы) — марганец, молибден, цинк, медь, кобальт, никель, железо, ванадий, бор, йод, селен, кремний, вольфрам. На микроэлементы приходятся доли процента, однако они являются активаторами ферментов и имеют важное значение в обменных процессах. Большинство микроэлементов вносят в питательную среду в качестве примесей в солях макроэлементов либо попадает в питательную среду из стекла лабораторной посуды, с водой и с пылью.
Химические элементы входят в состав различных органических и неорганических веществ. Синтез этих веществ контролируется генетически. Некоторые вещества бактериальная клетка может получать из окружающей среды или из организма хозяина.
Органические вещества бактериальной клетки представлены белками, нуклеиновыми кислотами, углеводами, липидами.
Белки составляют 40–80 % сухой массы бактерий и встречаются во всех структурных элементах клетки. Белки бактерий делятся на структурные (составляют основу структур клетки и обладают антигенными свойствами) и функциональные (их большая часть, они обладают свойствами ферментов). Белки могут быть простые (протеины) и сложные (протеиды), в чистом виде или в комплексе с липидами, углеводами, нуклеиновыми кислотами.
В состав белков бактерий входят как обычные для эукариот аминокислоты, так и оригинальные — диаминопимелиновая кислота, D-аланин, D-глютанин, входящие в состав ПГ и капсул некоторых бактерий. Высокая резистентность спор связана с находящейся только в них дипиколиновой кислотой. Жгутики построены из белка флагеллина, обладающего сократительной способностью и выраженными антигенными свойствами. Фимбрии содержат особый белок — пилин.
Пептидную природу имеют капсулы представителей рода Bacillus, возбудителя чумы, поверхностные антигены ряда бактерий, в т. ч. стафилококков и стрептококков. Белок А — специфический белок S. aureus. Белок М — специфический белок гемолитических стрептококков серогруппы А, позволяющий дифференцировать серовары (около 100), что имеет эпидемиологическое значение.
Ряд белков содержит наружная мембрана Грам– бактерий, например, порины, образующие диффузные поры, через которые в клетку проникают мелкие гидрофильные молекулы.
Нуклеиновые кислоты (ДНК и разные типы РНК) составляют около 18 % сухой массы бактерий, определяют наследственность и изменчивость. Микроорганизмы отличаются по структуре нуклеиновых кислот, содержанию азотистых оснований. Содержание нуклеиновых кислот зависит от условий культивирования, фаз роста, физиологического и функционального состояния клеток. Содержание ДНК в клетке более постоянно, чем РНК. Нуклеотидный состав ДНК не изменяется в процессе развития бактерии, видоспецифичен и используется как один из важнейших таксономических признаков.
РНК находятся в одноцепочечной форме, главным образом, в рибосомах (рРНК составляют 80–85 %), в то время как т(транспортные)РНК — 10 %, м(матричные)РНК — 1–2 %. ДНК может находиться в ядерном аппарате (хромосомная ДНК) или в плазмидах (внехромосомная ДНК).
Углеводы составляют около 16 % сухой массы клетки, представлены простыми (моно- и дисахаридами, полисахаридами) и комплексными соединениями. Углеводы встречаются чаще в виде полисахаридов, которые могут быть экзо- и эндоклеточными. Среди экзоклеточных полисахаридов выделяют структурные (входят в состав капсул, клеточной стенки) и истинно экзополисахариды (выходят во внешнюю среду). Эндоклеточные полисахариды — располагаются в цитоплазме, это запасные питательные вещества клетки (крахмал, гликоген и др.). Углеводы выполняют также антигенную функцию.
Липиды представлены фосфолипидами, жирными кислотами, восками и глицеридами. Они выполняют антигенную и структурную функции. Липиды (фосфолипиды и стерины) входят в состав ЦПМ (липидный бислой) наружной мембраны Грам– бактерий и ЦП. Содержание липидов у большинства бактерий не более 10 %, а наибольшее количество — у микобактерий (до 40 %).
В состав липидов входят различные жирные кислоты, весьма специфичные для разных групп микроорганизмов. Их определение имеет в ряде случаев диагностическое значение, например, у анаэробов, микобактерий. У микобактерий туберкулеза в составе липидов имеются кислотоустойчивые жирные кислоты — фтионовая, миколовая и др. Высокое содержание липидов и их состав определяют многие свойства микобактерий туберкулеза: их устойчивость к кислотам, щелочам и спиртам; трудную окрашиваемость красителями; высокую резистентность во внешней среде и патогенность.
Тейхоевые кислоты встречаются в КС Грам+ бактерий. Представляют собой водорастворимые линейные полимеры, содержащие остатки глицерина или рибола, связанные фосфодиэфирными связями. С ТК связаны главные поверхностные антигены ряда Грам+ бактерий.
Липополисахарид (один из основных компонентов КС Грам– бактерий) — соединение липида с полисахаридом.
Неорганические компоненты бактериальной клетки — вода и минеральные вещества.
Факторы роста бактерий близки к витаминам животных и растений, в ничтожно малых количествах входят в состав ферментов и других соединений. Факторы роста необходимы для жизнедеятельности труднокультивируемых бактерий, но сами бактерии эти факторы не синтезируют и получают извне. К ним относят аминокислоты, пуриновые и пиримидиновые основания, липиды, витамины, железопорфирины (гем) и другие соединения.
Аминокислоты. Многие бактерии нуждаются в незаменимых аминокислотах (одной или нескольких), являющихся составными частями белков. Например, клостридии не могут самостоятельно синтезировать лейцин и тирозин, а стрептококки — лейцин и аргинин.
Пуриновые и пиримидиновые основания (нуклеотиды: аденин, гуанин, цитозин, урацил) и их производные нуклеозиды (с фосфорной кислотой) — составные части нуклеиновых кислот. Они являются факторами роста для разных видов стрептококков, некоторые азотистые основания нужны для роста стафилококков, в нуклеотидах нуждаются некоторые виды микоплазм.
Компоненты фосфолипидов — жирные кислоты — нужны для роста некоторых стрептококков, микоплазм. Все виды микоплазм ауксотрофны по холестерину и другим стеринам, что отличает их от других прокариот.
Витамины, в основном группы В и К, входят в состав коферментов или их простетических групп и участвуют в каталитических функциях, поэтому они необходимы только в очень малых количествах. Многие бактерии ауксотрофны по определенным витаминам. Например, коринебактерии дифтерии, шигеллы нуждаются в никотиновой кислоте или ее амиде, который входит в состав НАД и НАДФ; золотистый стафилококк, пневмококк, бруцеллы — в тиамине, входящем в состав пирофосфата; некоторые виды стрептококков, бациллы столбняка — в пантотеновой кислоте, являющейся составной частью кофермента КоА. Факторами роста для многих бактерий являются фолиевая кислота, биотин; гемы — компоненты цитохромов — необходимы гемофильным бактериям, микобактериям туберкулеза.