3.4. Анаболизм (питание) микроорганизмов

Питание- это процесс усвоения микробной клеткой питательных веществ, поступающих из окружающей среды, в результате которого они превращаются в составные части биологических структур клетки или откладываются в ней в виде запасов.

Большинство микроорганизмов, так же как и растения, обладают голофитным способом питания, или внеклеточным (внешним) пищеварением, которое происходит в окружающей среде (субстрате) под действием экзоферментов микроорганизмов.

Существует также голозойный способ питания, так называемое внутриклеточное пищеварение, которое происходит внутри клетки под действием эндоферментов. Оно присуще простейшим и некоторым низкоорганизованным многоклеточным организмам и характеризуется заглатыванием (обволакиванием) плотных частиц пищи, перевариванием и превращением их в растворимые соединения (эндоцитоз).

Типы питания. Большинство биологических элементов, кроме углерода и азота, поглощаются микроорганизмами в виде катионов и анионов.

В зависимости от источника усвоения углерода все микроорганизмы делятся на две группы - автотрофы и гетеротрофы.

Автотрофы (от греч. autos - сам, trophe - питание, т. е. сами себя питающие) усваивают углерод из диоксида углерода воздуха и из него синтезируют все углеродсодержащие компоненты клетки.

Такой синтез происходит с использованием энергии, поскольку реакции синтеза являются эндотермическими. В качестве источника энергии автотрофные микроорганизмы используют солнечный свет или химическую энергию окисления минеральных веществ и соответственно называются фотоавтотрофами и хемоавтотрофами.

По типу усвоения углерода фотоавтотрофные микроорганизмы напоминают зеленые растения, образующие в процессе фотосинтеза углеводы из СО₂ и Н₂О.

К фотоавтотрофам относят цветные бактерии, имеющие в цитоплазме своих клеток пигменты типа хлорофилла.

К хемоавтотрофам относят нитрифицирующие бактерии, серо- и железобактерии, которые обитают преимущественно в почве.

Гетеротрофы (от греч. heteros — другой, питающийся за счет других) не способны усваивать СО₂, а получают углерод из готовых органических соединений. К наиболее легко усвояемым источникам углерода относятся гексозы и многоатомные спирты. Могут использоваться аминокислоты, органические кислоты и др.

Гетеротрофами являются большинство микроорганизмов: возбудители брожений, гнилостные бактерии, актиномицеты, плесени, болезнетворные (патогенные) микробы и др.

Группу гетеротрофных микроорганизмов подразделяют на две подгруппы: метатрофы и паратрофы.

Метатрофы (от греч. meta - между, tropho - питание), или сапрофиты (от греч. sapros - гниение, phyton - растение), для питания используют углерод органических субстратов. К ним относятся возбудители брожений, гнилостные бактерии, нитчатые грибы, т. е. микроорганизмы, развивающиеся преимущественно во внешней среде.

Паратрофы (от греч. para - около, tropho - питание), или паразиты (от греч. para - около, sitos - пища), - преимущественно болезнетворные (патогенные) микроорганизмы, использующие углеродсодержащие органические вещества животных и растений, т. е. паразитирующие в тканях живых организмов. Абсолютными (внутриклеточными) паразитами являются вирусы и риккетсии, которые развиваются в живых клетках людей, животных, растений или бактерий.

В отличие от вирусов и риккетсии многие патогенные микроорганизмы-паразиты могут размножаться на искусственных питательных средах, т. е. по типу питания занимают промежуточное положение между паразитами и сапрофитами. К ним относятся патогенные стафилококки, стрептококки, возбудители бруцеллеза, туберкулеза, сибирской язвы и других инфекционных болезней.

В зависимости от источника усвоения азота все микроорганизмы можно разделить на две основные группы: аминоавтотрофы и аминогетеротрофы.

Аминоавтотрофы усваивают азот из неорганических источников. К этой группе относятся азотфиксирующие и нитритно-нитратные микроорганизмы.

Азотфиксирующие бактерии способны усваивать молекулярный азот воздуха - клубеньковые бактерии на корнях растений, почвенные бактерии родов Azotobacter и Clostridium.

Нитритно-нитратные почвенные микроорганизмы окисляют аммиак до солей азотистой и азотной кислот и усваивают эти окисленные формы азота.

Аминогетеротрофы используют органические источники азотного питания. К ним относятся дезаминирующие, пептонные (пептонизирующие), протеолитические и паратрофные микроорганизмы.

Дезаминирующие микроорганизмы могут усваивать только аминокислоты. К ним относятся некоторые патогенные бактерии.

Пептонные бактерии {пептонизирующие) в качестве источника азота потребляют органические соединения типа пептонов. Они, как правило, не способны расщеплять цельную белковую молекулу. К этой группе бактерий относятся молочнокислые, пропионовокислые бактерии, энтерококки, микрококки и кишечные палочки.

Протеолитические микроорганизмы, или гнилостные, в качестве источника азота используют натуральные белки, которые предварительно разлагаются их протеолитическими экзоферментами. Протеолитической ферментативной активностью обладают гнилостные бактерии, плесени, актиномицеты.

Паратрофные микроорганизмы в качестве источника азота используют белковые вещества живого организма. Это патогенные микроорганизмы.

Промежуточное положение между аминоавтотрофами и аминогетеротрофами занимают микробы, способные усваивать аммиачные соли, а также азот белков, пептонов, аминокислот (почвенные азотфиксирующие клостридии - Cl. pasteurianum).

Микроорганизмы, способные синтезировать все соединения из глюкозы как единственного источника углерода и из солей аммония как единственного источника азота, называются прототрофами. В отличие от прототрофов микроорганизмы, не способные синтезировать какие-либо соединения из глюкозы и солей аммония, называют ауксотрофами. Ауксотрофными микроорганизмами являются многие патогенные бактерии и микробы, входящие в состав нормальной микрофлоры организма животных и человека. Они нуждаются в готовых соединениях, которые сами не могут синтезировать. Эти соединения для ауксотрофов являются факторами роста.

Проникновение питательных веществ в клетку. Существует четыре различных механизма, с помощью которых вещества окружающей среды проходят через клеточную мембрану в цитоплазму клетки: пассивная и облегченная диффузии, активный транспорт и перенос групп.

При пассивной диффузии переносимое вещество не взаимодействует специфически с компонентами клеточной мембраны. Оно проходит сквозь мембрану до тех пор, пока не установится равновесие между концентрациями внутри и снаружи клетки, т.е. процесс пассивной диффузии осуществляется за счет градиента концентрации компонентов по обе стороны мембраны. При этом внутреннее напряжение бактериальной клетки, так называемый тургор, является одним из основных условий, обеспечивающих нормальное поступление в нее питательных веществ.

Для большинства бактерий тургор наиболее выражен при 0,85 %-ной концентрации солей в окружающей среде. Эта концентрация называется изотонической.

При гипертонической концентрации, т. е. при повышении ее до 2-3 %, наступает плазмолиз - сжатие, сморщивание цитоплазмы и отслаивание ее от клеточной стенки.

При помещении бактерий в гипотонический раствор, например в дистиллированную воду, последняя поступает внутрь клетки. Объем клетки при этом увеличивается и она может даже разрушиться. Это явление получило название плазмоптиза.

При плазмолизе и плазмоптизе поступление питательных веществ в клетку затруднено или вовсе отсутствует и клетка погибает.

В природе концентрация большинства метаболитов в клетке выше, чем снаружи, поэтому транспорт путем осмоса и пассивной диффузии ограничен небольшой группой веществ, а именно газами, такими, как кислород, водой и ионами натрия, молекулами углеводов и некоторых других веществ.

Второй способ прохождения веществ в клетку облегченная диффузия. Скорость транспорта веществ в клетку в условиях повышения концентрации субстрата возрастает до определенного предела. При облегченной диффузии кроме градиента концентрации функционируют электрические переносчики, находящиеся в мембране: субстрат соединяется с протоном и белком-переносчиком и по электрическому градиенту диффундирует в клетку. Переносчики являются специфичными по отношению к субстрату. Если, например, мембрана содержит только глюкозоспецифический переносчик, то другие углеводы не смогут транспортироваться в клетку. Дрожжевые клетки поглощают сахара путем облегченной диффузии, а у аэробных бактерий такой механизм транспорта почти отсутствует, у анаэробов этим способом происходят поглощение некоторых соединений и выделение продуктов обмена.

Большинство веществ и соединений независимо от концентрационных и электрохимических градиентов поступают в клетку и выделяются из нее путем активного транспорта с помощью ферментов-переносчиков. В этом случае совместно с белком-переносчиком функционирует специальная система, обеспечивающая процесс переноса с использованием энергии. Система связана с биологическим окислением (дыханием) в клетке, при котором в дыхательной цепи мембраны происходит выброс протонов, обеспечивающий мембранный потенциал. В процессе жизнедеятельности происходит постоянный вынос протонов из клетки в среду, вследствие чего их концентрация в клетке снижается. Таким образом, образовавшийся вне клетки комплекс переносчик - протон-субстрат, проникнув внутрь клетки, распадается за счет отсоединения протона, и субстрат остается в цитоплазме.

Поглощение аминокислот у прокариот происходит путем активного транспорта, однако, некоторые предшественники белков, переносимых в клетку, синтезируются на полисомах, связанных с цитоплазматической мембраной. Активный транспорт обеспечивает движение веществ против градиента концентрации. Необходимая для этого энергия поставляется из АТФ. Наблюдается концентрирование веществ в несколько сот раз. Следовательно, активный транспорт дает возможность клеткам расти на средах, содержащих субстраты в низких концентрациях.

Перенос групп отличается от активного транспорта тем, что субстрат появляется внутри клетки в химически модифицированной форме в виде фосфатного эфира.

Факторы роста. Для развития микроорганизмов помимо питательных веществ необходимы также вещества, которые не служат источником энергии и не являются пластическим материалом. Они называются факторами роста или ростовыми веществами.

При наличии в среде ростовых веществ ауксотрофные бактерии приобретают способность синтезировать все органические соединения, необходимые для роста клетки. Факторы роста можно объединить в три группы: витамины и родственные соединения; аминокислоты; пурины и пиримидины.

Количество и природа факторов роста, которые должны присутствовать в питательной среде, различны для разных микробов. Они требуются в ничтожно малых количествах, обычно в тысячных долях миллиграмма на 1 л питательной среды.

Для роста молочнокислых бактерий требуются практически все аминокислоты, пурины, пиримидины, витамины. Общим свойством всех микроорганизмов является потребность во многих витаминах и родственных соединениях, к которым относятся L-аминобензойная кислота, биотин, фолиевая кислота, гемин, линолевая, никотиновая, пантотеновая кислоты, пиридоксин (витамин Вб), рибофлавин (витамин В2), тиамин (витамин B1), цианкобаламин (витамин В12), витамин К и др.

Автотрофы не нуждаются в витаминах, они сами их синтезируют. Имеются микроорганизмы, которые нуждаются в витаминах, но все же могут расти и без них. При добавлении витаминов в питательную среду развитие таких микробов ускоряется в сотни раз.

Для многих гетеротрофных микроорганизмов ростовые вещества являются жизненно необходимыми. Их используют в качестве индикаторов в питательных субстратах. Так, L. helveticum не растет при отсутствии в среде рибофлавина, Lactococcus lactis - при отсутствии фолиевой кислоты.

Потребность в факторах роста изучают на средах известного состава. Ее устанавливают не для всех микроорганизмов, поэтому микробиологи часто добавляют в среду дрожжевой экстракт и пептон в качестве полноценных и дешевых источников ростовых факторов. Ростовые вещества содержатся также в молоке, в животных и растительных тканях.