Механизм поступления питательных веществ в клетки микроорганизмов

Питательные вещества, чтобы они могли быть использованы клеткой для процессов метаболизма, должны из внешней среды попасть внутрь клетки, где и происходят все превращения веществ.

Поступление воды и питательных веществ из окружающей среды и выделение продуктов метаболизма у микроорганизмов происходит через всю поверхность клеток. Вещества питательной среды должны быть растворимы в воде или в липидах, поскольку они могут проникать внутрь бактериальной клетки только в растворенном виде; продукты метаболизма выводятся из клетки также в растворенном состоянии. Нерастворимые сложные органические вещества (белки, полисахариды, жиры и др.) питательной среды должны предварительно подвергнуться расщеплению вне клетки на более низкомолекулярные растворимые в воде соединения (аминокислоты, моносахариды, органические кислоты и др.) Перевод высокомолекулярных соединений в низкомолекулярные осуществляется с помощью выделяемых микроорганизмами во внешнюю среду гидролитических ферментов.

Поступление минеральных солей в клетку зависит от степени диссоциации их на ионы, от pH среды, заряда цитоплазматической мембраны. Если ЦПМ имеет положительный заряд, то в клетку легче проникают ионы с отрицательным зарядом. Проницаемость клеток микроорганизмов для различных веществ неодинакова и обусловлена наличием в нормально функционирующих клетках двойного барьера клеточной стенки и цитоплазматической мембраны, ограничивающих проникновение растворенных веществ внутрь клеток и выделение из них продуктов метаболизма. Капсулы и слизистые чехлы представляют собой очень рыхлые структуры и не оказывают существенного сдерживающего влияния на прохождение большинства растворенных веществ. Клеточная стенка является барьером для макромолекул (полимеров) белков, полисахаридов, полинуклеотидов и легко пропускает мономеры (низкомолекулярные соединения). Очевидно это связано с размером пор клеточной стенки: у бактерий их диаметр 9-74 нм, у грибов — 4-7 нм.

Основным регулятором поступления веществ в клетку, называемым осмотическим барьером клетки, служит цитоплазматическая мембрана.

С одной стороны, она характеризуется полупроницаемостью: вода проходит через нее легче, чем соли; с другой стороны, ЦПМ обладает избирательной проницаемостью, т.е. не все растворенные вещества могут проходить через нее одинаково легко.

Известно несколько механизмов переноса веществ через ЦПМ клетки: пассивная диффузия, облегченная диффузия и активный транспорт (рис. 29).

Пассивная диффузия — это простейший механизм. Движущей силой этого процесса служит разность концентраций вещества по обе стороны ЦПМ — во внешней среде и в клетке. Молекулы воды, некоторых газов (02, Н2 N2), некоторые ионы, концентрация которых во внешней среде выше, чем в клетке, перемещаются через ЦПМ внутрь клетки путем пассивной диффузии. Пассивный перенос веществ протекает до тех пор, пока концентрация веществ по обе стороны ЦПМ не выровняется. Вода — основное вещество, которое проникает в клетку путем пассивной диффузии. Поступившая вода прижимает цитоплазму и ЦПМ к клеточной стенке, в клетке создается внутреннее давление на клеточную стенку, называемое тургором, которое препятствует дальнейшему проникновению воды в клетку. В состоянии тургора клетки всех живых существ, в том числе и микроорганизмов, проявляют наиболее активную жизнедеятельность. Поэтому роль воды в жизни микроорганизмов столь велика. Скорость такого процесса незначительна.

Подавляющее большинство веществ питательной среды может проникнуть внутрь клетки только при участии специфических белков-переносчиков, локализованных на ЦПМ и циркулирующих между ее внешним и внутренним слоями. Они же выводят из клетки продукты обмена. Переносчики обладают строгой специфичностью к субстрату, т.е. каждый из них переносит только

Транспорт веществ через цитоплазматическую мембрану

Рис. 29. Транспорт веществ через цитоплазматическую мембрану: а — цитоплазма; б — ЦПМ; в — окружающая среда; S — субстрат; Р — переносчик

определенное вещество. Переносчик вступает во взаимодействие с веществом на наружной стороне ЦПМ, и этот комплекс диффундирует через ЦПМ, к внутренней стороне ЦПМ. Затем комплекс распадается и вещество передается в цитоплазму. После этого переносчики «захватывают» определенные продукты обмена, выносят их из клетки и процесс повторяется. Таким образом, в клетку из питательной среды поступают только те вещества, для которых в ЦПМ имеются соответствующие переносчики, и в этом проявляется избирательная проницаемость ЦПМ.

С помощью переносчиков осуществляется перенос растворенных веществ питательной среды путем облегченной диффузии и активного транспорта.

Облегченная диффузия происходит по градиенту концентрации, как и пассивная диффузия, она также протекает без затраты энергии, но с большей скоростью.

Активный транспорт веществ идет против градиента концентрации, т.е. от меньшей концентрации к большей, что обязательно сопровождается затратой энергии. Попав внутрь клетки, вещество освобождается от переносчика также с затратой энергии. При активном транспорте скорость поступления вещества в клетку достигает максимума уже при малой концентрации его в питательной среде, причем концентрация этого вещества в клетке может значительно превысить его концентрацию в питательной среде.

Прокариоты и эукариоты различаются по механизмам транспорта — у прокариот избирательное поступление питательных веществ происходит путем активного транспорта, у эукариот — путем облегченной диффузии. Выводятся продукты обмена из клеток микроорганизмов чаще всего путем облегченной диффузии.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >