Поступление питательных веществ в клетку.

 

Роль истинного пограничного слоя клетки, ответственного за избирательное поступление питательных веществ в клетку, является цитоплазматическая мембрана (ЦПМ).

Если силы, обеспечивающие прохождение веществ сквозь ЦПМ, локализованы в среде, окружающей клетку, то говорят о пассивном переносе веществ в клетку. Если же на перенос веществ затрачивается энергия, вырабатываемая клеткой в процессе ее метаболизма, то говорят об активном переносе.

Силы, участвующие в пассивном переносе веществ через ЦПМ.

1. Градиент концентрации. ЦПМ проницаема для воды и непроницаема для растворенного вещества. Вода устремляется под действием осмотических сил в клетку, и возникает градиент концентрации. Градиент концентрации и осмотические силы действуют по обе стороны ЦПМ.

2. Градиент потенциала. Раствор по одну сторону ЦПМ создает высокую концентрацию отрицательных ионов. В результате создается разность потенциалов, под влиянием которой ионы мигрируют через ЦПМ.

3. Перенос растворенного вещества вместе с растворителем. Это может происходить в случае, если ЦПМ имеет поры. Поток растворителя может захватить в этом случае растворенные вещества и переместить их даже против градиента концентрации.

Все три силы могут действовать совместно или порознь, однако, не зависимо от того какая сила вызывает движение, оно происходит в нисходящем направлении (т.е. в сторону, куда действует сила). То есть ЦПМ служит пассивной преградой.

В активном переносе движение происходит в восходящем направлении, т.е. против сил, вызывающих пассивный перенос. В активном переносе ЦПМ уже не представляет пассивную преграду, а действует как некий динамический орган.

Модель Шоу, представленная в 1954 году для объяснения активного переноса веществ, дает возможность объяснить не только перенос ионов (калия и натрия) через ЦПМ, но и установить связь между ними. Согласно этой модели ионы калия и натрия переносятся через ЦПМ жирорастворимыми переносчиками, специфичными для этих ионов. Образующиеся при этом соединения способны дифундировать сквозь ЦПМ, тогда как для свободных переносчиков ЦПМ непроницаема.

Поставщиками энергии служат соединения богатые энергией, в которых имеются фосфатные связи (АТФ).

 

4. Понятие об обмене веществ

 

Процессы роста, развития, размножения организма сопровождаются значительным расходом энергии и различных веществ. Энергию организм получает в процессе обмена веществ – метаболизма (гр. metabole – перемещение,обмен веществ).

Источником энергии служат для организма питательные вещества, поступающие из внешней среды. При этом во внешнюю среду организм выделяет продукты своей жизнедеятельности – метаболиты. Основными процессами метаболизма являются питание и дыхание.

Процесс питания организма состоит из поступления и усвоения (ассимиляции) пищи. Питательные вещества подвергаются сложной переработке. Расщепление веществ на более простые – катаболизм. Из низкомолекулярных веществ, происходит синтез сложных – анаболизм. Сложное вещество не сразу расщепляется на низкомолекулярные, а образуются в начале промежуточные вещества – амфиболизм.

Дыхание организма состоит из процессов расщепления (диссимиляции) и окисления органических веществ. Эти процессы сопровождаются освобождением энергии.

Оба этих противоположных процесса питание и дыхание, представляют собой сложный комплекс разнообразных превращений веществ и энергии, находятся в тесной взаимосвязи и взаимозависимости.

 

Ферменты микроорганизмов

Все разнообразие биохимических процессов, протекающих в животном организме, совершается при участии биологических катализаторов – ферментов или энзимов. Ферменты открыты в 1814 году К.С Кирхгофом.

Ферменты – это высокомолекулярные белки, образующие в воде коллоидные (гр. kolla – клей) растворы. Их можно разделить на 2 группы.

1. Протеины. Это однокомпонентные ферменты, состоящие только из белка. Роль активной группы, ответственной за каталитические свойства, могут выполнять SH-группы и остатки отдельных аминокислот.

2. Протеиды. Это двухкомпонентные ферменты, состоящие из белка и небелковой простетической группы. В простетическую группу входят витамины или их производные, различные металлы, азотистые основания. Простетическая группа обуславливает каталитическую способность фермента, а белковая – специфичные свойства фермента. Связь у простетической группы с белком не одинакова и имеет различную прочность. У некоторых ферментов простетическая группа легко отделяется от белков и может вступать во временную связь с другими белками. Такая простетическая группа называется ко-ферментом.

Особенностью ферментов является их высокая активность и субстратная специфичность. По образному выражению Э. Фишера: «Субстрат и фермент подходят к друг другу как ключ к замку».

Ферменты отличаются неустойчивостью к воздействиям факторов внешней среды: температура, лучистая энергия, рН среды, химические вещества, концентрация субстрата. Ферменты теряют свою активность (инактивируются), что во многом объясняется их белковой природой.

Ферменты в клетке локализованы в различных ее структурах: митохондриях, мезосомах, цитоплазматической мембране. Некоторые ферменты выделяются в среду – экзоферменты, способствуя внеклеточному перевариванию пищи, подготавливая ее тем самым к поступлению в клетку. Эндоферменты не выделяются в окружающую среду. Они адсорбированы клеточными структурами и участвуют во внутриклеточных процессах обмена веществ.

В 1966 году на «Международном биохимическом союзе» специальной комиссией разработана классификация ферментов, согласно которой ферменты делятся на 6 классов по типу катализируемой ими реакции.

1. Оксидоредуктазы. Они катализируют окислительно-восстановительные реакции процессов дыхания, брожения. Например, дегидрогеназы, пероксидазы, каталазы.

2. Трансферазы – ферменты переноса атомных группировок от одного соединения к другому. Например, фосфотрансферазы, аминотрансферазы.

3. Гидролазы. Они расщепляют сложные органические вещества по типу гидролитических реакций с присоединением воды. Например, полиазы, олигазы, целлюлазы.

4. Лиазы. Они катализируют реакции негидролитического расщепления, которые сопровождаются отщеплением тех или иных групп. Например, декарбоксилазы.

5. Изомеразы. Катализируют внутримолекулярное перемещение радикалов, атомов, атомных группировок различных органических соединений.

6. Лигазы (синтетазы). Катализируют реакции соединения двух молекул, которые обычно протекают с расщеплением пирофосфатных связей. Например, карбоксилазы.

 

Типы питания

 

Углеродное питание. В зависимости от того, что является источником углерода микроорганизмы подразделяются на автотрофов (фототрофы и хемотрофы) и гетеротрофов.

Фототрофы (фотосинтетики) – организмы, для которых источником энергии служит свет, источником углерода - углекислый газ, источник электронов – вода. Это, например, водоросли, зеленые и пурпурные серобактерии.

Хемотрофы (хемосинтетики) получают энергию за счет окислительно-восстановительных реакций, а источником углерода является углекислый газ.

Гетеротрофы – в качестве источника углерода используют органические вещества; источником энергии – окислительно-восстановительные реакции; источником электронов – органические вещества. Большинство живет за счет органических веществ животного и растительного происхождения (бактерии, грибы, дрожжи). Сапрофиты (гр. sapros – гнилой) разлагают органические вещества. Некоторые гетеротрофы – паразиты (паратрофы) – развиваются только в теле других организмов, питаясь органическим веществами, входящими в состав белков клетки хозяина. Гетеротрофы наряду с органическими соединениями используют и углекислый газ, вовлеккая его в обмен веществ. Углекислый газ служит дополнительным источником углерода для биосинтеза веществ тела.

Специфичность отношений микроорганизмов к источнику углеродной пищи определяется круговоротом углерода в природе.

Азотное питание. Азот необходим для синтеза белка, нуклеиновых кислот и других азотистых веществ. Источники азота у микробов разнообразны. Паразиты используют азот хозяина. Сапрофиты не могут синтезировать белки из простых соединений, а только используя сложные органические вещества (пептоны, пептиды, полный набор аминокислот). Некоторым сапрофитам нужны только несколько аминокислот.

Используемые аминокислоты дезаминируются, т.е. распадаются с потерей аммиака. Дезаминирование бывает:

- восстановительное

R – СН(NH₂) – СООН + 2H → R – CH₂ – COOH + NH₃

- окислительное

R – СН(NH₂) – СООН + ½ О₂ → R – CO – COOH + NH₃

- гидролитическое

R – СН(NH₂) – СООН + H₂O → R – CH(OH) – COOH + NH₃

Синтез новых аминокислот может происходить путем переаминирования – перенос аминогрупп с аминокислоты на кетокислоту при участии фермента аминотрансферазы.

R – СН(NH₂) – СООН + СН₃ – СО – СООН → R– СО – СООН +

СН₃ – СН(NH₂) – СООН

Многие микроорганизмы в качестве источника азота используют нитраты NO₃^-, реже нитриты NO₂^-. Есть бактерии и грибы, которые способны использовать свободный азот атмосферы.

Усвоение зольных элементов. Зольные элементы: сера, фосфор, калий, кальций, магний, железо. Хотя потребность в них незначительна, но недостаток их может привести к гибели организма. Микроорганизмы усваивают их из минеральных солей.