Метаболизм бактериальной клетки. Типы питания бактерий.

Основу жизнедеятельности микроорганизмов, как и всех живых существ, составляет обмен веществ (метаболизм) с окружающей средой. Обмен веществ – сложный комплекс разнообразных химических превращений пищи, поступающей в организм из внешней среды. Это совокупность двух взаимосвязанных противоположных процессов:

- катаболизма, который представляет собой распад веществ в процессе ферментативных реакций и накопление выделяемой при этом энергии в молекулах АТФ,

- анаболизма - синтеза веществ с затратой энергии.

В процессе метаболизма выделяют два вида обмена:

1. Пластический:

а) анаболизм (с затратами энергии)

б) катаболизм (с выделением энергии)

2. Энергетический (протекает в дыхательных мезосомах):

а) дыхание

б) брожение

Основными видами пластического обмена являются:

- Белковый обмен. Характеризуется катаболизмом и анаболизмом. В процессе катаболизма бактерии разлагают белки под действием ферментов протеаз с образованием пептидов. Под действием ферментов протеаз из пептидов образуются аминокислоты. В результате распада аминокислот клетка получает ионы аммония, необходимые для формирования собственных аминокислот. Бактериальные клетки способны синтезировать 20 аминокислот. В белковом обмене процессы синтеза преобладают над процессами распада, при этом происходит потребление энергии.

- Углеводный обмен. Процессы катаболизма преобладают над анаболизмом. Сложные углеводы полисахариды расщепляются под действием ферментов до моносахаров, причем внутрь клетки может поступать только глюкоза. Часть ее идет на синтез собственных полисахаридов в клетке, другая часть подвергается дальнейшему расщеплению.

- Липидный обмен. В процессе этого вида обмена при распаде жирных кислот клетка запасает энергию. Конечным продуктом распада является ацетил (КоА).

- Нуклеиновый обмен. Связан с генетическим обменом. Синтез нуклеиновых кислот имеет значение для процесса деления клетки.

- Минеральный обмен. Важен для синтеза тела бактерий.

Питание бактерий – процессы поступления и выведения питательных веществ. Питание в первую очередь обеспечивает размножение и обмен веществ клетки.

Вещества питательной среды могут поступать в клетку только в растворенном состоянии. Нерастворимые сложные органические соединения должны подвергаться расщеплению на более простые вне клетки, что происходит при помощи ферментов микроорганизмов. Клеточная стенка задерживает лишь макромолекулы, цитоплазматическая мембрана (ЦПМ) обладает полунепроницаемостью и является осмотическим барьером; проницаемость ее для различных веществ неодинакова. Основные соединения, усваиваемые бактериальной клеткой – углеводы, аминокислоты, органические кислоты, жирные кислоты, минеральные вещества, витамины и др. Бактериям совершенно безразличны источники питательных веществ, образно говоря, они «лишены вкуса и не страдают несварением желудка». Более того, бактерии иногда питаются веществами, не пригодными для животных клеток (например, карболовая кислота, парафин, мыло, нефть и др.).

Потоки питательных веществ движутся через ЦПМ в обоих направлениях (внутрь и наружу). Эти перемещения обеспечивают разнообразные транспортные системы,необходимые для выполнения двух важнейших задач:

1. Обеспечение стабильных концентраций веществ, участвующих в основных биохимических реакциях.

2. Поддержание осмотического давления, оптимального для протекания биохимических реакций.

Поступление питательных веществ в клетку обеспечивают три механизма:

Пассивная диффузия.

Вещества проникают в клетку за счет различия их концентраций по обе стороны ЦПМ. Такой пассивный перенос (по градиенту концентрации - от более высокой к более низкой) не требует затраты энергии клеткой. Вода – основное вещество, которое проникает в клетку и выделяется из нее путем пассивной диффузии. Большинство питательных веществ поступает в клетку путем переноса через мембрану специфическими белками – переносчиками – пермеазами, локализованными в ЦПМ. Перенос вещества с помощью пермеаз может протекать, как при пассивной диффузии, так и по законам осмоса – по градиенту концентрации. Этот процесс называется облегченной диффузией, протекающей без затрат энергии.

Активный перенос.

Перенос веществ из питательной среды в клетку может осуществляться пермеазами и против градиента концентрации. Такой процесс требует затрат энергии. У бактерий подобный тип поступления веществ преобладает, с его помощью транспортируются в клетку многие сахара, белки и другие вещества.

3. Транспорт, обусловленный фосфорилированием.

Это энергозависимый процесс, используемый при усвоении углеводов. За счет фосфорилирования углеводы аккумулируются в клетке и не способны выходить из нее.

Процесс выделения в среду различных соединений из бактериальной клетки нельзя рассматривать как выброс «шлаков». Это скорее адаптация микроорганизмов к условиям внешней среды, которые требуют конкурентной борьбы. Ведь бактерии секретируют широкий спектр биологически активных веществ (БАВ): ферменты, антибиотики, токсины и др.

В зависимости от используемого источника углерода микроорганизмы делят на две группы:

- автотрофы (самостоятельно питающийся) используют диоксид углерода CO₂ в качестве главного источника для синтеза органических веществ;

- гетеротрофы (питающиеся другими) используют в качестве источника углерода органические соединения;

- гетеротрофы – хемотрофы (необходимую энергию они получают путем окисления органических соединений).

Большинство хемогетеротрофных микроорганизмов живет за счет использования органических веществ животного и растительного происхождения. Их называют сапрофитами. Они разлагают органические вещества в почве, в воде, вызывают порчу пищевых продуктов или используются в процессах переработки растительного и животного сырья.