Питание микробов (конструктивный метаболизм).

Как у всего живого, метаболизм микроорганизмов состоит из двух взаимосвязанных, одновременно протекающих, но противоположных процессов - анаболизма, или конструктивного метаболизма, и катабо­лизма, или энергетического метаболизма.

Обмен веществ у микроорганизмов имеет свои особенности.

1) Быстрота и интенсивность обменных процессов. За сутки мик­робная клетка может переработать такое количество питательных ве­ществ, которое превышает ее собственный вес в 30-40 раз.

2) Выраженная приспособляемость к изменяющимся условиям внешней среды.

3) Питание осуществляется через всю поверхность клетки. Прокариоты не проглатывают питательные вещества, не переваривают их внутри клетки, а расщепляют их вне клетки с помощью экзоферментов до более простых соединений, которые транспортируются в клетку.

Для роста и жизнедеятельности микроорганизмов обязательно на­личие в среде обитания питательных материалов для построения ком­понентов клетки и источники энергии. Для микробов необходимы вода, источники углерода, кислорода, азота, водорода, фосфора, калия, на­трия и других элементов. Требуются также микроэлементы: железо, марганец, цинк, медь для синтеза ферментов. Различные виды микро­бов нуждаются в тех или иных факторах роста, таких, как витамины, аминокислоты, пуриновые и пиримидиновые основания.

В зависимости от способности усваивать органические или не­органические источники углерода и азота микроорганизмы делятся

на две группы - аутотрофов и гетеротрофов.

Аутотрофы (греч. autos - сам, trophic - питающийся) получают уг­лерод из углекислоты (СО₂) или ее солей. Из простых неорганических соединений они синтезируют белки, жиры, углеводы, ферменты.

Гетеротрофы (греч. heteros - другой, trophic - питающийся) исполь­зуют сложные органические соединения, такие как углеводы, спирты, аминокислоты, органические кислоты. Среди гетеротрофных микро­организмов различают сапрофитов (греч. sapros - гнилой, phyton - рас­тение) и паразитов. Сапрофиты используют мертвые органические соединения. Они широко распространены в природе, разлагают органи­ческие вещества, отбросы, участвуя таким образом в санитарной очи­стке окружающей среды. Паразиты живут и размножаются в тканях человека, животных, растений.

Микробы могут изменять свой тип питания с паразитического на сапрофитный. Их можно культивировать вне организма, на пита­тельных средах. Среди прокариотов исключение составляют риккетсии и хламидии, которые могут жить только в живых клетках хозяина. Их называют строгими, или облигатными паразитами (лат. obligatus - обязательный). Облигатными паразитами являются также все вирусы.

Транспорт питательных веществ

Через клеточную стенку и цитоплазматическую мембрану внутрь клетки прокариотов проникают только небольшие молекулы, поэтому белки, полисахариды и другие биополимеры вначале расщепляются экзоферементами до более простых соединений, которые транспорти­руются внутрь клетки.

Проникновение питательных веществ в клетку происходит с по­мощью различных механизмов.

Пассивная диффузия - вещества поступают в клетку за счет диф­фузии по градиенту концентрации, то есть вследствие того, что кон­центрация вне клетки выше, чем внутри.

Облегченная диффузия - также совершается по градиенту кон­центрации, но с участием ферментов-переносчиков, так называемых пермеаз. Этот фермент присоединяет к себе молекулы вещества на внеш­ней стороне цитоплазматической мембраны и отдает его на внутрен­ней стороне в неизмененном виде. Затем свободный переносчик пере­мещается снова к наружной стороне мембраны, где связывает новые молекулы вещества. При этом каждая пермеаза переносит какое-то определенное вещество.

Эти два механизма переноса не требуют энергетических затрат.

Активный перенос происходит также с участием пермеаз, причем осуществляется против градиента концентрации. Микробная клетка может накопить вещество в концентрации, в тысячи раз превышаю­щих ее во внешней среде. Такой процесс требует затрат энергии, то есть расходуется АТФ.

Транслокация радикалов - это четвертый механизм передачи ве­ществ. Это активный перенос химически измененных молекул, с учас­тием пермеаз. Например, такое простое вещество, как глюкоза, пере­носится в фосфорилированном виде.

Выход веществ из бактериальной клетки происходит путем пас­сивной диффузии или путем облегченной диффузии с участием пермеаз.

Ферменты

Ферменты - катализаторы биологических процессов. Характер­ным свойством ферментов является их специфичность. Каждый фер­мент участвует только в определенной реакции с определенным хи­мическим соединением.

Ферменты, которые выделяются бактериальной клеткой в окру­жающую среду и осуществляют внеклеточное переваривание, называ­ются экзоферментами. К экзоферментам относится также беталактамаза, которая разрушает пенициллин и другие бета-лактамные анти­биотики, защищая бактерии от их действия.

Эндоферменты участвуют в процессах метаболизма внутри клетки.

Для бактерий, в силу их малых размеров, характерна высокая сте­пень саморегуляции продукции ферментов. В этом отношении фермен­ты можно разделить на конститутивные и адаптивные. Конститутив­ные ферменты продуцируются клеткой постоянно. Адаптивные фер­менты, в свою очередь, подразделяются на индуцируемые и ингибируемые. Продукция индуцируемых ферментов происходит в присутствии субстрата. Например, ферменты, расщепляющие лактозу, образуются в клетке в только присутствии этого углевода. Продукция ингибируемых ферментов, напротив, подавляется присутствием в среде конеч­ного субстрата в достаточно большой концентрации (например, трип-тофана).

Многие патогенные бактерии, кроме ферментов обмена, выделя­ют ферменты, являющиеся факторами вирулентности. Например, та­кие ферменты, как гиалуронидаза, коллагеназа, дезоксирибонуклеаза, нейраминидаза способствуют проникновению и распространению патогенного микроба в организме.

Способность бактерий продуцировать определенные ферменты -признак настолько постоянный, что его используют для идентифика­ции, то есть определения вида бактерий. Определяют сахаролитические свойства (ферментацию углеводов) и протеолитические свойства (фер­ментацию белков и пептона).

Для микробов характерна высокая ферментативная активность. Это используется в промышленности. В медицине находят применение такие лечебные средства, как стрептокиназа (фибринолизин стреп­тококков), террилитин (протеаза Aspergillus terricola). Ферменты мик­робного происхождения - липазы и протеазы, входящие в состав мою­щих средств и стиральных порошков, расщепляют белковые и жировые загрязнения до воднорастворимых веществ, которые легко смываются водой.

Биологическое окисление (энергетический метаболизм)

Процесс биологического окисления дает энергию, необходимую для жизни клетки. Сущность процесса заключается в последователь­ном окислении субстратов с постепенным освобождением энергии. Энергия запасается в молекулах АТФ.

Окислению подвергаются углеводы, спирты, органические кис­лоты, жиры и другие вещества. Но для большинства микроорганизмов источником энергии служат гексозы, в частности, глюкоза.

У микроорганизмов существует два типа биологического окис­ления: аэробный и анаэробный. При аэробном типе участвует кисло­род, и этот процесс называется дыханием в строгом смысле слова. При анаэробном типе биологического окисления освобождение энергии из органических молекул происходит без участия кислорода и называет­ся брожением.

Начальный этап анаэробного расщепления глюкозы с образова­нием пировиноградной кислоты (ПВК) происходит одинаково. Эта

кислота является тем центральным пунктом, от которого расходятся пути дыхания и многих видов брожений.

При аэробном типе дыхания пировиноградная кислота вступает в цикл трикарбоновых кислот. Водород ПВК поступает в дыхательную цепь. Это цепь окислительных ферментов (цитохромы и цитохромоксидаза). По цепи цитохромов передается водород и присоединяется к активированному под действием цитохромоксидазы кислороду с об­разованием воды. Конечные продукты аэробного окисления глюкозы - диоксид углерода (углекислота) и вода. В процессе дыхания на одну молекулу глюкозы образуется 38 молекул АТФ.

При анаэробном типе биологического окисления энергия образу­ется в результате брожений. При спиртовом брожении ПВК превра­щается в конечном итоге в спирт и углекислоту. Конечным продуктом молочнокислого брожения является молочная кислота, маслянокислого брожения - масляная кислота. При процессах брожения на одну моле­кулу глюкозы образуется только 2 молекулы АТФ.

Микробную природу брожений впервые открыл и доказал Пастер. Изучая маслянокислое брожение, Пастер впервые столкнулся с возможностью жизни без кислорода, то есть с анаэробиозом. Он так­же установил явление, которое впоследствии было названо "эффектом Пастера": прекращение процесса брожения при широком доступе кис­лорода.

Анаэробиоз существует только среди прокариотов. Все микро­организмы по типу дыхания делятся на следующие группы: облигатные аэробы, облигатные анаэробы, факультативные анаэробы, микроаэрофилы.

Облигатные аэробы размножаются только при наличии свободно­го кислорода. К ним можно отнести микобактерии туберкулеза, хо­лерный вибрион, чудесную палочку. ,

Облигатные или строгие анаэробы получают энергию при от­сутствии доступа кислорода. Они имеют неполный набор окислитель­но-восстановительных ферментов, у них нет цитохромной системы, поэтому у них не происходит полного окисления субстрата (глюкозы) до конечных продуктов - СО₂ и Н₂О. Более того, в присутствии свобод­ного кислорода образуются токсические соединения: перекись водо­рода Н₂О₂ и свободный перекисный радикал кислорода О₂. Аэробы при этом не погибают, так как продуцируют ферменты, разрушающие эти токсические соединения (супероксиддисмутазу и каталазу). Спорообразующие анаэробы в этих условиях прекращают размножение и превращаются в споры. Неспорообразующие анаэробы погибают даже при кратковременном контакте с кислородом.

К облигатным спорообразующим анаэробам относятся клостридии столбняка, ботулизма, анаэробной раневой инфекции; к неспорообразующим анаэробам - бактероиды, пептобактерии, бифидумбактерии.

Большинство патогенных бактерий - факультативные (условные) анаэробы, например, энтеробактерии. Они имеют полный набор фер­ментов и при широком доступе кислорода окисляют глюкозу до ко­нечных продуктов; при низком содержании кислорода они вызывают брожение.

Микроаэрофилы размножаются в присутствии небольших коли­честв кислорода. Например, кампилобактеры могут размножаться при 3-6% кислорода.