По потребностям в питательных веществах микроорганизмы делятся на 2 группы:

прототрофные, самостоятельно синтезирующие необходимые для жизнедеятельности вещества;

ауксотрофные, неспособные синтезировать некоторые вещества и получающие их в готовом виде из окружающей среды или организма хозяина (человека, животного). Часто ауксотрофность возникает в результате мутаций. Ауксотрофами чаще всего являются патогенные и УП микроорганизмы.

Способы питания микроорганизмов:

Голозойный способ (голоз — группа, зоо — животное) — характерен для простейших и некоторых видов грибов. Микроорганизм поглощает высокомолекулярные соединения: растворимые макромолекулы (пиноцитоз) и твердые частички (фагоцитоз). Для голозойного способа характерна большая скорость, он энергозависим и контролируется генетически.

Голофитныйспособ (голоз — группа, фитос — растение) — характерен для растений, бактерий и грибов, которые используют низкомолекулярные вещества. Микробная клетка находится в среде высокомолекулярных веществ, которые внутрь клетки проникнуть не могут. В результате гидролиза высокомолекулярные соединения (белок, полисахариды, клетчатка) превращаются в низкомолекулярные. Гидролизует их сама микробная клетка в результате контактного пищеварения (ферменты находятся на поверхности микроорганизма, он прилипает к субстрату и осуществляет гидролиз) и внеклеточного пищеварения (микроорганизм выделяет пищеварительные ферменты во внешнюю среду).

Растворенные питательные вещества поступают внутрь микробной клетки через всю ее поверхность, преодолевая либо три барьера (капсулу, КС, ЦПМ), либо два (КС и ЦПМ), либо один (ЦПМ). Капсула и КС достаточно ригидны
и пропускают довольно крупные биомолекулы. КС Грам+ бактерий задерживает вещества с молекулярной массой 10 000 Кд, некоторых грибов — 5000 Кд. Основным барьером и регулятором поступления веществ в клетку является полупроницаемая ЦПМ, которая избирательно пропускает и выводит химические вещества. Способность различных соединений проникать в ЦП клетки зависит от химической структуры питательного вещества.

Способы проникновения питательных веществ через ЦПМ в бактериальную клетку (табл. 19):

Пассивная (простая) диффузия:

протекает по градиенту концентрации (если концентрация вещества вне клетки выше, чем в клетке, то вещество проникает внутрь до достижения состояния равновесия; если концентрация вещества в клетке выше, то идет обратная диффузия);

не контролируется геномом;

не требует затрат энергии;

не имеет субстратной специфичности; вещества поступают в клетку без взаимодействия с мембранными белками.

Так проникают в клетку молекулы воды и некоторых газов (O₂, СО₂, H₂, N₂). Это не обеспечивает клетку всем необходимым для развития, поэтому есть другие механизмы транспорта.

 

 

Таблица 19

Способы проникновения питательных веществ через ЦПМ
в бактериальную клетку

Процесс	Природа транспорта	Примеры	Описание (характеристика)	Характерные особенности
Пассивный	Затрат энергии не требуется. Вещества поступают по градиенту концентрации и движутся из области с повышенной концентрацией в область с пониженной концентрацией по градиенту	Диффузия	Фундаментальное свойство атомов и молекул, которые находятся в беспрерывном беспорядочном движении	Неспецифическое броуновское движение
		Осмос	Диффузия молекул воды через мембрану позволяет свободно перемещаться воде, но не другим молекулам	Направление зависит от осмомолярности клетки
		Облегченная диффузия	Молекулы связываются с мембранными рецепторами и транспортируются на другую сторону	Специфические молекулы, транспорт в обе стороны
Активный	Требуются затраты энергии. Молекулы транспортируются вне зависимости от градиента. Скорость транспорта увеличивается. Транспорт может осуществляться против градиента концентрации	Активный транспорт	Атомы и молекулы поступают в клетку и из нее через специализированные рецепторы. Требует затрат АТФ	Транспорт простых сахаров, аминокислот, неорганических ионов (Na+, K+)
		Транслокация групп	Молекулы движутся через мембрану и одновременно модифицируются	Альтернативная система для транспорта питательных веществ (сахаров, аминокислот)
		Основной транспорт	Транспорт больших частиц, клеток и жидкостей путем поглощения и образования везикул	Включает эндоцитоз, экзоцитоз, пиноцитоз

Облегченная (ускоренная) диффузия :

протекает по градиенту концентрации;

контролируется геномом;

не требует затрат энергии, но сопряжена с реакциями, продуцирующими энергию в химической или электрохимической форме;

субстратспецифична, перенос веществ осуществляется при участии мембранных белков-пермеаз.

Не получила широкого распространения у прокариот.

Так транспортируются в клетку полярные молекулы гидрофильных веществ (сахара, аминокислоты) в химически неизмененном виде.

Активный транспорт:

протекает против градиента концентрации;

контролируется геномом;

проходит с большими затратами энергии;

субстратспецифичен, перенос веществ осуществляется при участии мембранных белков-пермеаз.

Это основной механизм избирательного переноса веществ через ЦПМ прокариот. Так переносятся гидрофильные вещества (сахара, оксикислоты, нуклеотиды, нуклеозиды, жирные кислоты, аминокислоты) и антибиотики (пермеаза принимает антибиотик за питательное вещество, он проникает внутрь и клетка погибает) в химически неизмененном виде.

Перенос химически модифицированных молекул (транслокация):

протекает против градиента концентрации;

контролируется геномом;

проходит с большими затратами энергии;

питательные вещества (сахара) поступают в клетку при участии мембранных белков-пермеаз;

в процессе прохождения через мембрану вещества модифицируются (фосфорилируются).

Ионный транспорт — перенос ионизированных (заряженных) молекул через ионные каналы в мембране микроорганизма. Их прохождение осуществляется по градиенту концентрации и не требует затрат энергии.

Ультрафильтрация — проникновение в клетку низкомолекулярных веществ путем растворения в белках мембраны (водорастворимые) или липидах (жирорастворимые).

Таким образом, поступление большинства питательных веществ в клетку происходит при участии мембранных ферментов — специализированных транспортных белков-транслоказ (пермеаз). Пермеазы образуют прочный комплекс с питательными веществами на внешней стороне мембраны, подвергаются конформационным изменениям и перемещают субстрат с одной стороны ЦПМ на другую, после преодоления мембраны комплекс диссоциирует. Имеется три класса пермеаз:

унипортеры — переносят один тип субстратов через мембрану;

симпортеры — переносят два типа субстратов в одном направлении;

антипортеры — переносят два субстрата в противоположных направлениях (например, Na⁺ и H⁺).

Бактериальные ферменты. Ферменты имеют большое значение в жизни бактериальной клетки. Они являются биологическими белковыми катализаторами, характеризуются высокой субстратной специфичностью действия, участвуют во всех метаболических процессах.

Характеристика бактериальных ферментов:

У бактерий обнаружены ферменты 6 классов:

оксидоредуктазы — окислительно-восстановительные ферменты (дегидрогеназы, цитохромы, пероксидазы, каталазы) — катализируют окислительно-восстановительные реакции;

трансферазы — осуществляют реакции переноса групп атомов с одной молекулы на другую (например, трансаминазы переносят аминогруппы от аминокислот к кетокислотам, обеспечивая синтез аминокислот);

гидролазы — осуществляют гидролитическое расщепление различных соединений (пептидогидролазы разрушают белки, эстеразы — сложноэфирные связи, амилаза — крахмал);

лиазы — катализируют реакции отщепления от субстрата химической группы негидролитическим путем (без участия воды) с образованием двойных связей (например, декарбоксилазы отщепляют карбоксильные группы);

изомеразы — катализируют реакции изомеризации и определяют пространственное расположение групп элементов;

лигазы (синтетазы) — катализируют реакции связывания, сопровождающиеся расщеплением пирофосфатной связи в молекуле АТФ или аналогичного трифосфата.

Поместу функционирования микробные ферменты делятся на
2 группы:

эндоферменты — локализуются в периплазматическом пространстве, ЦПМ и ЦП; катализируют внутриклеточные реакции (синтетические процессы, дыхание);

экзоферменты — выделяются во внешнюю среду. Осуществляют процессы расщепления высокомолекулярных субстратов до низкомолекулярных соединений, способных проникать внутрь клетки.

Соотношение у микроорганизмов сдвинуто в сторону экзоферментов, т. к. объем клетки маленький и экзоферменты играют исключительно важную роль в приспособлении микроорганизмов к неблагоприятным условиям. Возможностью образования экзоферментов во многом определяется инвазивность бактерий — способность проникать через слизистые, соединительнотканные и другие тканевые барьеры. Например, гиалуронидаза расщепляет гиалуроновую кислоту, входящую в состав межклеточного вещества, что повышает проницаемость тканей (клостридии, стрептококки, стафилококки); нейраминидаза облегчает преодоление слоя слизи, проникновение внутрь клеток и распространение в межклеточном пространстве (холерный вибрион, дифтерийная палочка). К экзоферментам также относятся энзимы, разлагающие антибиотики.

В соответствии с механизмами генетического контроля у бактерий различают ферменты:

конститутивные — синтезируются постоянно, в т. ч. и при отсутствии субстрата в окружающей среде и работают всегда. К конститутивным относятся ферменты гликолиза;

индуцибельные (адаптивные) — их синтез индуцируется наличием субстрата для данного фермента. Работают по мере необходимости: если внести во внешнюю среду субстрат, то через 2–3 с повышается активность ферментов, его утилизирующих. Также быстро и прекращается биосинтез индуцибельных ферментов при исчезновении субстрата. К индуцибельным относятся ферменты транспорта и катаболизма (например, лактозопермеаза, b-галактозидаза, b-лактамазы).

Соотношение у микроорганизмов сдвинуто в сторону индуцибельных ферментов, обеспечивающих легкую приспособляемость и выживаемость бактерий благодаря способности переключать метаболизм с одного субстрата на другой.

Протеолитическая активность бактерий обусловливает наличие неспецифических клинических симптомов при бактериальных инфекциях (головная боль, головокружение, слабость, утомляемость). Некоторые патогенные бактерии продуцируют особые ферменты-токсины (гиалуронидазу, коллагеназу, нейраминидазу, лецитиназу, плазмокоагулазу, фибринолизин, ДНК-азу, РНК-азу, гемолизины), субстратом действия которых являются клетки и ткани макроорганизма. Эти ферменты рассматриваются как факторы патогенности.

Ферментативная способность бактерий широко используется в генной инженерии (рестриктазы, лигазы), в промышленности для приготовления органических кислот (уксусной, молочной, щавелевой, лимонной), молочных продуктов (кефир, кумыс, простокваша, ацидофилин, сыр), в виноделии, пивоварении, силосовании кормов.

Каждый вид микроорганизмов продуцирует определенный для него набор ферментов. Ферментный состав бактериальной клетки определяется геномом и является достаточно постоянным признаком. Однако активность ферментов зависит от температуры культивирования бактерий, pH среды, концентрации солей. В микробиологической практике используется рабочая классификация ферментов по спектру биохимической активности, согласно которой выделяют ферменты:

сахаролитические;

протеолитические;

липолитические;

окислительно-восстановительные;

ферменты-токсины.

Для дифференциации бактерий по биохимическим свойствам основное значение имеют конечные продукты действия ферментов (кислота, углекислый газ, индол, сероводород). Знание биохимических свойств бактерий позволяет идентифицировать их по набору ферментов. Определение ферментов-токсинов имеет значение для выявления роли микроорганизмов в патологии.

 

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться: