Проницаемость клеток микроорганизмов и механизм поступления питательных веществ.

Питательные вещества могут быть использованы клеткой в метаболизме только при условии их попадания из окружающей среды внутрь клетки, так как все биохимические превращения веществ происходят в объеме клетки.

Поступление воды и питательных веществ из окружающей среды и выделение продуктов метаболизма у микроорганизмов происходит через всю поверхность клеток. Вещества питательной среды должны быть растворимы в воде или в липидах, поскольку они могут проникать внутрь микробной клетки только в растворенном виде; продукты метаболизма выводятся из клетки также в растворенном состоянии. Нерастворимые высокомолекулярные органические вещества (белки, полисахариды, жиры и др.) питательной среды должны предварительно подвергнуться расщеплению вне клетки на низкомолекулярные соединения, растворимые в воде (аминокислоты, моносахариды, органические кислоты и др.). Перевод высокомолекулярных соединений в низкомолекулярные осуществляется с помощью выделяемых во внешнюю среду микроорганизмами гидролитических экзоферментов.

Поступление минеральных солей в клетку зависит от степени диссоциации их на ионы, от рН среды, заряда цитоплазматической мембраны. Если ЦПМ имеет положительный заряд, то в клетку легче проникают ионы с отрицательным зарядом.

Проницаемость микробных клеток для различных веществ неодинакова и обусловлена наличием в нормально функционирующих клетках двойного барьера на их пути: клеточной стенки (иногда с капсулой и слизистыми слоями) и цитоплазматической мембраны.

Капсулы и слизистые слои представляют собой очень рыхлые структуры и не оказывают существенного сопротивления перемещению большинства растворенных веществ через их толщу. Клеточная стенка является существенным барьером для высокомолекулярных соединений - белков, полисахаридов, полинуклеотидов и др., но легко пропускает низкомолекулярные соединения и ионы. Очевидно, что это свойство клеточной стенки связано с малой величиной пор на ее поверхности.

Основным препятствием для проникновения веществ в клетку является цитоплазматическая мембрана, которая создает так называемый «осмотический барьер» и регулирует их поступление в клетку. Чтобы обеспечить нормальную жизнедеятельность микробной клетки, мембрана должна быть проницаемой для питательных веществ и кислорода, а также для удаляемых продуктов обмена.

Цитоплазматическая мембрана обладает двумя очень важными свойствами:

- полупроницаемостью; это свойство обеспечивает различную интенсивность поступления разнообразных веществ, например, вода проходит через ЦПМ значительно легче, чем растворенные в ней соли;

- избирательной проницаемостью; она характеризуется тем, что не все растворимые вещества могут проходить через нее, а только те, для которых в мембране имеются специфические белки-переносчики (пермеазы или транслоказы).

Выделяют три механизма переноса веществ через ЦПМ клетки: пассивная диффузия, облегченная диффузия и активный транспорт (рис.3.2).

Пассивная диффузия является простейшим механизмом. Движущей силой этого процесса служит разность концентраций вещества по обе стороны ЦПМ - во внешней среде и в клетке. Молекулы воды, некоторых газов - О₂, Н₂, N₂, некоторые ионы, концентрация которых во внешней среде выше, чем в клетке, перемещаются через ЦПМ внутрь клетки путем пассивной диффузии. Пассивный перенос веществ протекает до тех пор, пока концентрация веществ по обе стороны ЦПМ не выровняется. Пассивная диффузия не требует затрат энергии на перенос вещества. Скорость такого переноса весьма незначительна.

Вода - основное вещество, которое проникает в клетку путем пассивной диффузии. Поступающая в клетку вода прижимает цитоплазму и ЦПМ к клеточной стенке, в результате в клетке создается внутреннее давление на клеточную стенку, называемое тургором. Тургор препятствует дальнейшему проникновению воды в клетку. В состоянии тургора клетки всех живых существ, в том числе и микроорганизмов, проявляют наибольшую активность жизнедеятельности.

Подавляющее большинство питательных веществ может проникнуть внутрь клетки только при участии специфических белков-переносчиков - пермеаз (или транслоказ), расположенных на ЦПМ и циркулирующих между ее внешними и внутренними слоями. Они же осуществляют вывод из клетки продуктов обмена.

Пермеазы обладают строгой специфичностью к субстрату, т.е. каждый из них переносит только определенное вещество. Переносчик вступает во взаимодействие с веществом на наружной стороне ЦПМ, этот комплекс диффундирует через ЦПМ к внутренней стороне ЦПМ, где этот комплекс распадается и вещество поступает в цитоплазму. После этого переносчики "захватывают" определенные продукты обмена, выносят их из клетки и процесс повторяется. Таким образом, в клетку из питательной среды поступают только те вещества, для которых в ЦПМ имеются соответствующие переносчики.

С помощью белков-переносчиков осуществляется перенос растворенных веществ еще по двум механизмам: облегченной диффузии и активного транспорта.

Облегченная диффузия происходит по градиенту концентрации, как и пассивная диффузия, она протекает тоже без затраты энергии, но с большей скоростью.

Активный транспорт веществ идет против градиента концентрации, т.е. от меньшей концентрации к большей, что обязательно сопровождается затратой энергии. Попав внутрь клетки, вещество освобождается от белка-переносчика также с затратой энергии. При активном транспорте скорость поступления вещества в клетку достигает максимума уже при малой концентрации его в питательной среде, причем концентрация этого вещества в клетке может значительно превысить его концентрацию в питательной среде.

Прокариоты и эукариоты различаются по механизмам транспорта - у прокариот избирательное поступление питательных веществ происходит путем активного транспорта, у эукариот - путем облегченной диффузии. Вывод продуктов обмена из клеток микроорганизмов чаще всего осуществляется путем облегченной диффузии.

Продукты жизнедеятельности микроорганизмов по их назначению и природе делят на три основные группы:

- крупные молекулы – ферменты,полисахариды с молекулярной массой от 10 тыс. до нескольких миллионов дальтон;

- первичные метаболиты – соединения, необходимые микроорганизмам для роста и развития (аминокислоты, витамины, пуриновые и пиримидиновые основания);

- вторичные метаболиты – соединения, не относящиеся к разряду жизненно необходимых (антибиотики, токсины, алкалоиды и др).

Группа соединений, относящихся к вторичным метаболитам, имеет большое практическое значение в биотехнологии.

Транспорт веществ