5 Обмен веществ микроорганизмов

Для поддержания своей жизнедеятельности, осуществления размножения и роста любой организм нуждается в энергии. Эту энергию клетки микроорганизмов получают в результате обмена веществ (метаболизма). Обмен веществ^__ это совокупность химических процессов, катализируемых ферментами клетки.

Метаболизм складывается из двух одновременно и последовательно протекающих процессов: катаболизма (диссимиляции) и анаболизма (ассимиляции).

Катаболизм ^__ферментативное расщепление сложных веществ (углеводов, углеводородов, липидов, белков). Включает три стадии.

На первой стадии высокомолекулярные соединения расщепляются на основные составляющие: углеводы ^__на гексозы и пентозы; белки^__на аминокислоты; липиды^__на жирные кислоты и глицерин. В отличие от других микроорганизмов для дрожжей первая стадия подготовки высокомолекулярных веществ протекает вне клетки и без ее участия, так как они не содержат внеклеточные ферменты, катализирующие распад сложных органических компонентов среды.

На второй стадии продукты первой стадии превращаются в более простые молекулы (ацетил-КоА, сукцинат, фумарат и ряд других).

Третья стадия характеризуется окислением образовавшихся на предыдущем этапе продуктов до СО₂и воды и выделением энергии, которая запасается в виде АТФ.

Анаболизм^__ферментативный синтез сложных соединений. Исходными веществами или строительными блоками для синтетических процессов служат соединения, образовавшиеся на стадии катаболизма. Кроме того, реакции синтеза сопровождаются затратами энергии, которая также высвободилась на предыдущей стадии.

В процессе обмена веществ образуются различные промежуточные продукты, называемые метаболитами.

Существует много путей метаболизма, основными из которых являются гликолиз, или спиртовое брожение, гексомонофосфатный путь, цикл трикарбоновых кислот, глюкогенез.

6 Транспорт веществ в клетку

Для того чтобы экзогенный субстрат мог быть использован клеткой, он должен пройти через ее пограничные слои. Клеточная стенка не служит существенной преградой для небольших молекул и ионов, но она задерживает макромолекулы. Пограничным слоем, который отвечает за транспорт питательных веществ внутрь клетки, является цитоплазматическая мембрана.

Цитоплазматическая мембрана представляет собой трехслойную структуру, состоящую из двойного слоя липидов, слоя белков и углеводов.

Липиды представлены моно-, ди- и триглицеридами, глицерофосфатидами, стеринами.

Природа белков известна хуже, но, вероятно, в их состав входят ферменты, принимающие участие в усвоении сахаров и аминокислот.

Основным компонентом углеводов являются мукополисахариды, которые связаны либо с липидами, либо с белками.

Наличие у липидов двух частей ^__гидрофобной (углеводородные радикалы, неполярные хвосты) и гидрофильной (остатки фосфорной кислоты, полярные головки), определяет их способность образовывать мембраны. Если липиды находятся в воде и концентрация их невелика, то они в виде капелек (мицелл) образуют мономолекулярный слой, в котором гидрофобные участки молекул обращены наружу, к воздуху, а гидрофильные^__в воду. Если же концентрация липидов высокая, то мицеллы образуют двойной плоский слой, где гидрофобные участки расположены друг против друга (хвост к хвосту). Липиды взаимодействуют с белками и углеводами полярными группами.

В течение длительного времени господствовала «бутербродная»модель строения мембран, в соответствии с которой наружные слои представлены белками, а внутренний^__двойным липидным слоем.

Позже стали допускать, что наружный слой состоит из мукополисахаридов.

В настоящее время придерживаются так называемой «мозаичной»модели строения мембран (рис.7). В двойной слой липидов встроены интегральные белки, которые «плавают» в этом слое, будучи погружены в него частично, или же пронизывают его насквозь. Другие белки (периферические) прикреплены к поверхности мембраны.

Мембрану следует представлять себе как очень мягкое, пластичное, почти жидкое образование, что определяется жирнокислотным составом углеводородных цепей липидов. Чем больше в составе фосфолипидов мембран ненасыщенных жирных кислот, тем выше скорость поступления веществ в клетку.

Как уже было сказано выше, основная функция мембран ^__обеспечение поступления веществ из среды в клетку и из клетки наружу. Различают следующие виды транспорта веществ через мембрану (рис.8).

Простая диффузия^__растворенное вещество из области большей концентрации поступает в область меньшей (т.е. по градиенту концентраций) до выравнивания концентраций по обе стороны перегородки. Скорость перемещения невелика, затраты энергии отсутствуют. Проникновение неспецифическое, зависит от величины молекул, степени их липофильности (степени сродства к липидам).

Простой диффузией в клетку проникают, по-видимому, яды, ингибиторы и другие чужеродные клетке вещества.

Облегченная диффузия (пассивный транспорт)^__вещество проникает по градиенту концентраций (из более концентрированной области в менее концентрированную), но с большей скоростью, чем при простой диффузии, затрат энергии нет. Перенос идет с помощью транспортных белков–переносчиков^__пермеаз. Они обладают высокой избирательностью. Переносят гидрофильные вещества (сахара, аминокислоты, ионы К, Са,Nа).

Простой и облегченной диффузией можно обеспечить только транспорт, но не накопление веществ в клетке. Для осуществления последнего используется активный транспорт.

Активный транспорт ^__поступление вещества идет против градиента концентраций (т.е. из области меньших концентраций в большую) с затратами энергии и при участии пермеаз.

Т

Рисунок 9 – Типы активного транспорта

ранспорт веществ с участием переносчиков зависит от присутствия других веществ, которые также переносятся через мембрану.

Различают следующие типы активного транспорта (рис.9):

юнипорт(унипорт)^__молекулы транспортируемых веществ или ионы металлов переносятся через мембрану независимо от наличия и переноса других соединений;

симпорт^__перенос идет одновременно и в одном направлении с другими соединениями;

антипорт^__ транспорт обусловлен одновременным и противоположно направленным переносом другого соединения.