Питание микроорганизмов. 
Основы микробиологии

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 экзоферментами, 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. Для этого 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 (Др) определяется мембранным потенциалом (Д|/), имеющим отрицательное значение внутри клетки, и градиентом протонов (ДрН), имеющим внутри клетки щелочной показатель в соответствии с уравнением.

где z = 59 мВ при 25 °C.

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.