43. Питание микроорганизмов. Механизмы транспорта питательных веществ в клетку. Пермеазы, ионофиоры. Характеристика процессов симпорта и антипорта. Транспорт железа.

Питательные вещества из растворов (субстратов) проникают в клетки микроорганизмов через поверхность полупроницаемой клеточной стенки и цитоплазматическую мембрану.

Цитоплазматическая мембрана является основным компонентом клетки, через которую транспортируются питательные вещества и выводятся из клетки продукты обмена.

Проницаемость мембраны зависит от концентрации веществ, растворенных в среде, ее осмотического давления.

При изотонической концентрации раствора коллоиды цитоплазмы вследствие постоянного притока воды в клетку находятся в набухшем состоянии, цитоплазма плотно прилегает к клеточной стенке. При этом создается определенное состояние цитоплазмы, называемое тургором клетки.

Повышение осмотического давления среды, когда концентрация раствора становится значительно выше физиологической, приводит к обезвоживанию цитоплазмы микробной клетки. Она собирается в комочки и отходит от клеточной стенки. Питание клетки резко нарушается, наступает плазмолиз клетки. Кокки более устойчивы к повышению осмотического давления, чем палочковидные бактерии, а плесневые грибы более устойчивы, чем бактерии.

При значительном понижении осмотического давления среды (концентрация веществ ниже физиологической) бактериальная клетка разбухает вследствие большого поступления воды в цитоплазму и приобретает шаровидную форму, причем стенка ее может лопнуть, приводя к плазмоптису. Жизнедеятельность клетки при этом нарушается.

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:

1. величиной и структурой их молекул;

2. способностью растворяться в компонентах ЦПМ; концентрацией веществ в клетке и в среде;

3. свойствами клеточной стенки и ЦПМ, являющихся барьерами, через которые должны проникнуть в клетку питательные вещества, 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.

Клеточная стенка проницаема и задерживает лишь макромолекулы. Цитоплазматическая мембрана обладает полупрониаемостью, является осмотическим барьером; проницаемость ее для различных веществ неодинакова.

* Пассивная диффузия – механизм переноса веществ через мембрану, подчиняющийся 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 затрат энергии клеткой.

Вода – основное вещество, которое проникает в клетку и выделяется из нее путем пассивной диффузии.

Скорость переноса молекул механизмом пассивной диффузии мала, обычно таким способом проникают в клетку яды, ингибиторы, чужеродные вещества; сахара не диффундируют, поэтому этот способ редко используется бактериями.

*Облегченная диффузия. Большинство питательных веществ поступает в клетку путем переноса их через мембрану специфическими 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 мембране имеются соответствующие пермеазы. Таким образом, мембрана является не только осмотическим барьером, но обладает и избирательной проницаемостью. Питательные вещества не могут накапливаться в клетке против градиента концентрации. Перенос веществ с помощью пермеаз может протекать по градиенту концентрации, без затрат энергии. Скорость проникновения зависит от концентрации субстрата в среде.

*Активный транспорт. Проникновение веществ протекает также с помощью пермеаз, но при затратах энергии. Процесс происходит даже при концентрации вещества большей в клетке, чем в субстрате, причем питательные вещества могут накапливаться против градиента концентрации.

*Транслокация химических групп. Транспортируемое через мембрану вещество может подвергаться химической модификации. Процесс требует затрат энергии. Чаще всего происходит фосфорилирование химических веществ с помощью фосфотрансферазной системы, зависимой от фосфоенолпирувата.

Данная ферментная система состоит из неспецифического компонента – термостабильного белка и специфического индуцибельного фермента, переносящего фосфаты, например, с белка на углевод.

транспорт веществ может подразделяться на следующие виды:

*Симпорт – перенос веществ однонаправленный и одновременный двух или нескольких веществ, например протона Н+ и углевода.

*Антипорт – перенос одновременный и встречный двух частиц, например протона Н+ и иона Na+.

*Унипорт – перенос любых веществ в любом направлении. Такой вид транспорта катализируют особые вещества антибиотической природы – ионофоры, гидрофобные снаружи и гидрофильные внутри. Диффундируя в липидный слой мембраны, они проводят транспорт ионов K+, Cs+, Pb+, NH4+. Такой транспорт приводит к выравниванию заряда по обе стороны мембраны, что приводит к падению протонного потенциала клетки.

Транспорт железа

особый механизм, происходящий с участием сидерофоров – веществ, связывающих Fe+3 в комплекс и транспортирующих его. Сидерофоры имеют молекулярную массу 1500 ед., водорастворимы, подразделяются по химической природе на 2 группы:

Феноляты, к которым относятся энтерохелины – выделяются бактериями семейства Enterobacteriaceae, имеют 6 фенольных ОН-групп. Связывают Fe+3, переносят через мембрану, после переноса комплекс подвергается гидролизу.

Гидроксаматы, к которым относятся экзохелины и микобактины, вырабатываемые бактериями рода Mycobacterium; феррихромы, вырабатываемые грибами. Вещества имеют строение циклических гексапептидов. Они связывают железо, транспортируют и освобождаются от него в клетке.

Синтез сидерофоров подвергается депрессии в клетке бактерий, если железо, содержащееся в среде достигает концентрации, начинающей лимитировать рост бактерий.

В этом случае образованные сидерофоры выделяются в окружающую среду.

Высшие организмы имеют приспособления от воздействий вредных для них микроорганизмов, при этом в антагонизме играет большую роль транспорт железа.

В борьбе более успешным будет тот организм, у которого более мощный механизм связывания железа. В этом случае прочно связанное железо становится недоступным для использования микробов.

Возможностями связывания железа обладают белки куриного яйца – кональбумин, молока, слез и слюны – лактотрансферрин, сыворотки крови – серотрансферрин.