Физиология бактерий. Обмен веществ и энергии (метаболизм)

Для роста и размножения микроорганизмы нуждаются в веществах, используемых для построения структурных компонентов клетки и получения энергии. В основе жизнедеятельности микроорганизмов лежит непрерывный обмен веществ и энергии с окружающей средой (метаболизм) (рисунок 1).

Обмен веществ и энергии в клетке – называется метаболизмом. Метаболизм(от лат. metabole – изменение, превращение) – совокупность всех химических превращений в клетке, имеет две составляющие:

– анаболизм (от греч. anabole – подъем) (конструктивный (пластический) метаболизм, ассимиляция) – биосинтез макромолекул из простых низкомолекулярных соединений и их ассимиляция (усвоение, накопление);

– катаболизм (энергетический метаболизм, диссимиляция) – химический ферментативный процесс разрушения высокомолекулярных веществ до мономеров, направленный на получение энергии и ее запасов в форме АТФ (рисунок 1).

Метаболизм у прокариотов принципиально протекает так же как у высших животных и растений.

Для осуществления нормальной жизнедеятельности бактериям необходимо постоянно и тщательно регулировать обмен различных веществ между клеткой и внешней средой. Цитоплазматическая мембрана бактерий проницаема для многих веществ, поток их идет в обоих направлениях. Мембрана обладает избирательной и неравномерной проницаемостью, определяющей механизмы питания бактерий. Питательные вещества поглощаются бактериальной клеткой в молекулярной форме и поступают в нее тремя основными путями: пассивной диффузией, облегченной диффузией и пассивным транспортом (таблица 1).

Пассивная диффузия осуществляется за счет различного содержания питательных веществ в среде и в клетке и происходит в направлении от большей концентрации к меньшей (по градиенту концентрации). Пассивная диффузия не требует затрат энергии. Таким путем в клетку проникает и покидает её вода вместе с растворенными в ней различными мелкими молекулами, способными проходить через поры мембраны.

Рис. 1. Метаболический процесс

Облегченная диффузия характеризуется выраженной субстратной специфичностью и протекает с участием специфичных белков – пермиаз, локализованных в мембране. Пермиазы распознают и связывают молекулу субстрата на внешней стороне мембраны и осуществляют ее перенос через мембрану. На внутренней стороне мембраны комплекс пермиаза – субстрат диссоциирует, освободившаяся молекула субстрата включается в общий метаболизм клетки, а пермиаза вновь готова повторить цикл переноса своего субстрата. Облегченная диффузия происходит только по градиенту концентрации, поэтому она не требует затраты энергии.

Активный транспорт осуществляется специфическими пермиазами против градиента концентрации, поэтому он требует затраты энергии. Большинство веществ проникает в клетку именно этим путем. В процессе переноса может происходить химическая модификация веществ – например, фосфорилирование углеводов. Так при участии фосфотрансферазной системы транспортируются многие сахара и их производные, в процессе переноса они фосфорилируются и поступают в клетку в виде сахарофосфатов.

Особенности метаболизма у прокариотов:

– бактерии разнообразны по своим пищевым потребностям. Одно и то же соединение для одних бактерий может быть продуктом питания, а для другого – ядовитым веществом. Известны бактерии, способные усваивать фенол, парафин, уксусную кислоту, антибиотики;

– способность включать в обмен веществ любые органические и неорганические соединения;

– высокая интенсивность метаболизма;

– высокая адаптационная способность к меняющимся условиям окружающей среды;

– многообразие путей метаболизма, промежуточных и конечных продуктов;

– возможность искусственного культивирования многих микроорганизмов в бесклеточных средах;

– несовершенство регуляции метаболических процессов.

Риккетсии – облигатные внутриклеточные паразиты (не способны синтезировать некоторые макромолекулы).

Хламидии– облигатные внутриклеточные паразиты (не способны синтезировать некоторые макромолекулы) и энергетические паразиты (не способны синтезировать АТФ).

Микоплазмы–мембранные паразиты (не способны синтезировать стерины для ЦПМ).

Изучение процессов метаболизма у микроорганизмов необходимо для понимания механизмов патогенеза заболеваний, для идентификации микроорганизмов и этиологической диагностики заболеваний, для проведения химиотерапии, а также для получения необходимых для человека материалов с использованием биотехнологии.

В качестве питательных веществ бактерии используют различные органические и минеральные соединения. К числу важнейших химических элементов, необходимых для синтеза органических соединений, относят: углерод, азот, водород и кислород. Свою потребность в водороде и воде бактерии удовлетворяют через воду.

Таблица 1. Способы проникновения питательных веществ через ЦПМ в