Питание микроорганизмов

Микроорганизмы, как и все другие живые существа, нужда­ются в пище, которая поступает в их клетки из окружающей среды. Пищей обычно называют вещества, которые, попав в живой орга­низм, служат либо источником энергии для процессов жизнеде­ятельности, либо материалом для построения составных частей клетки.

Способы питания и поступления в клетку различных веществ

Потребность в питательных веществах микроорганизмы могут удовлетворять непосредственно усваивая их или предварительно преобразуя в доступную форму. Известны два способа питания живых существ - голозойный и голофитный.

При голозойном способе питания живой организм захватывает или заглатывает плотные частицы пищи, которая затем переварива­ется в пищеварительном тракте. Указанный способ питания харак­терен для животных (от простейших до высших). При голофитном способе питания живые существа, не имеющие специальных орга­нов для заглатывания и пищеварения, используют питательные ве­щества, всасывая их в виде относительно небольших молекул из вод­ного раствора. Данный способ питания свойствен растениям и мик­роорганизмам.

Полимерные органические соединения (полисахариды, белки и др.) микроорганизмы не могут поглощать и использовать непо­средственно в обмене веществ клетки. Такие вещества должны быть вначале расщеплены на простые соединения, для которых клеточ­ная мембрана проницаема. Крупные молекулы расщепляются экзо-ферментами, экскретируемыми клетками микроорганизмов в среду. Такое внешнее, или внеклеточное, переваривание свойствен­но только микроорганизмам.

Поступление воды и растворенных в ней питательных ве­ществ из окружающей среды внутрь микробной клетки, а также вы­ход продуктов обмена происходят через клеточную стенку, капсулу и слизистые слои. Капсула и слизистые слои представляют собой достаточно рыхлые образования и, возможно, не оказывают значи­тельного влияния на транспорт веществ, тогда как клеточная стенка служит существенным барьером для поступления питательных со­единений в клетку.

Активную роль в поступлении в клетку питательных веществ играет цитоплазматическая мембрана. Чтобы обеспечить нормаль­ную жизнедеятельность микроорганизма, последняя должна быть проницаемой для питательных веществ и кислорода, поступающих в клетку, а также для продуктов обмена, выходящих наружу. Поступ­ление воды и растворенных в ней веществ через цитоплазматическую мембрану — активный процесс: живая микробная клетка ни­когда не находится в равновесии с веществами окружающей среды, проходящими через ее мембрану.

Транспорт питательных веществ. Выделяют несколько типов транспортных систем, при помощи которых вещества из окружаю­щей среды проходят через цитоплазматическую мембрану: пассив­ную диффузию, облегченную диффузию, активный транспорт и пе­ренос групп (радикалов). Причем два из них (пассивная и облегчен­ная диффузия) обеспечивают только транспорт, но не накопление веществ в микробной клетке, в то время как активный транспорт способствует аккумуляции веществ внутри клетки.

При пассивной диффузии транспорт вещества происходит через цитоплазматическую мембрану под действием разности концентраций (для неэлектролитов) или разности электрических потенциалов (для ионов) по обе стороны мембраны. Экспериментами показано, что, за исключением воды, только кислород и некоторые ионы про­ходят через цитоплазматическую мембрану в результате пассивной диффузии. Скорость такого переноса веществ весьма незначительна. Определенное значение пассивная диффузия приобретает при нару­шениях жизнедеятельности бактериальной клетки.

Транспорт большинства растворенных веществ осуществляет­ся через мембрану при действии специальных механизмов переноса, того служат молекулы-переносчики, циркулирующие между внешним и внутренним пограничными слоями цитоплазматической мембраны. Считают, что данные переносчики связывают молекулы растворенных веществ на ее внешней стороне, транспортируют их к внутренней, где освобождают, и молекулы питательного вещества поступают в цитоплазму без изменения. Такие связанные с цито­плазматической мембраной переносчики, представляющие собой субстратспецифичные связывающие белки, называют пермеазами, или транслоказами.

Транспорт растворенных веществ, осуществляемый перенос­чиками, может быть в виде облегченной диффузии и активного транспорта. Движущей силой облегченной диффузии служит разница в концентрации какого-либо вещества по обе стороны мембраны. Молекула вещества соединяется с молекулой-переносчиком у на­ружной поверхности мембраны, и образовавшийся комплекс диф­фундирует через мембрану к ее внутренней стороне. Там он диссо­циирует, и освобожденное вещество оказывается внутри клетки. За­тем переносчик диффундирует к наружной поверхности и может присоединить новую молекулу вещества.

Облегченная диффузия не требует расхода энергии, если на­ружная концентрация вещества выше внутренней, так как оно пере­мещается «вниз» по химическому градиенту. Скорость процесса за­висит от концентрации вещества в наружном растворе. Предполага­ют, что выход продуктов обмена веществ из микробной клетки также происходит по типу облегченной диффузии при участии пере­носчиков.

Активный транспорт связан с работой специфических транс­портных белков (пермеаз, транслоказ и др.), которые также находят­ся в цитоплазматической мембране. В этом случае растворенные ве­щества переносятся в клетки микроорганизмов «вверх» по химиче­скому градиенту (или против градиента концентрации). Считают, что большинство веществ проникает в клетку микроорганизма в ре­зультате активного транспорта. Источниками энергии для транс­портных процессов служат АТФ, протонный потенциал и фосфоенолпируват. Существуют системы «первичного» и «вторичного» ак­тивного транспорта.

В системах «первичного» активного транспорта используется химическая энергия. Необходимость использования энергии для поддержания активного транспорта объясняется теми изменениями, которые претерпевает переносчик: когда он обращен к внешней по­верхности мембраны, то обладает высоким сродством к субстрату, а когда к внутренней - низким сродством к субстрату. Возмож­ность транспортировать вещества против градиентов концентраций часто используется клетками бактерий для получения этих веществ из окружающей среды, где их концентрация мала, что обычно для природных условий. При отсутствии источников энергии накопле­ния веществ внутри не происходит.

Подсчитано, что перенос молекулы тиогалактозида через цитоплазматическую мембрану кишечной палочки требует затраты одной молекулы АТФ. Предполагая, что активный перенос других соеди­нений связан с подобным же расходом АТФ, можно понять, какое значительное количество энергии на транспорт веществ в клетку потребляет растущий и размножающийся микроорганизм. В отдель­ных случаях на активный транспорт может затрачиваться почти вся энергия, вырабатываемая в микробной клетке.

В системах «вторичного» активного транспорта для переноса против градиента концентрации через мембрану многих веществ, в том числе неорганических и органических ионов, Сахаров, исполь­зуется энергия протонного потенциала. В процессе дыхания в лока­лизованной в мембране дыхательной цепи осуществляется вывод протонов. В результате перемещения протонов через мембрану за счет энергии дыхания создается градиент электрохимического потен­циала (называемый также протонным потенциалом, или протондвижущей силой) между наружной и внутренней сторонами мембраны. Протонный потенциал обусловливает фосфорилирование, т. е. син­тез АТФ, или используется непосредственно транспортными сис­темами. Протонный потенциал (Δр) определяется мембранным по­тенциалом (Δψ), имеющим отрицательное значение внутри клетки, и градиентом протонов (ΔрН), имеющим внутри клетки щелочной показатель в соответствии с уравнением

Δр = Δψ - z • ΔрН (мВ),

где z = 59 мВ при 25 °С.

Для поддержания протонного потенциала микроорганизм не­прерывно выкачивает за пределы своей клетки протоны и другие ионы (Na⁺). В этих целях используются специфичные транспортные белки, имеющиеся в мембране. Каждому транспортному белку при­суща определенная функция. Способность белка катализировать од­новременный и однонаправленный транспорт одного протона и од­ной молекулы субстрата, например сахара (лактозы, глюкозы и др.), называют симпортом. Унипорт наблюдается, когда белок осуществляет перенос только одного субстрата (без протона), антипорт - когда он осуществляет перенос двух разных субстратов, обычно ионов, в противоположных направлениях.

У многих микроорганизмов сахара (фруктоза, глюкоза и другие родственные вещества) транспортируются в клетку при помощи фосфотрансферазной системы переноса групп (радикалов). Данный процесс отличается от активного транспорта тем, что субстрат попадает внутрь бактериальной клетки в химически модифицированной форме - чаще всего в виде фосфатного эфира. Движущая сила рассматриваемого процесса состоит в том, что внутри цитоплазматической мембраны сахар связывается в результате реакции с фосфорилированным ферментом (фосфотрансферазная система, источником энергии в этой реакции служит фосфоенолпируват), образующийся в итоге фосфорный эфир освобождается и поступает в цитоплазму. Химическая природа транспортируемого вещества при переносе претерпевает определенные изменения.

Таким образом, удовлетворение пищевых потребностей микроорганизмов зависит не только от внутреннего комплекса фермен­тов, необходимого для утилизации определенных соединений, но и от действия специфических транспортных механизмов.