Питание — это процесс приобретения энергии и веществ. Основываясь на природе необходимого источника энергии или источника углерода — наиважнейшего элемента для роста, — живые организмы можно подразделить на несколько групп.
Для синтеза органических соединений живые организмы способны использовать только два вида энергии: энергию света и энергию химических связей. Организмы, использующие световую энергию, называются фототрофами, а организмы, использующие только химическую энергию — хемотрофами. Фототрофы осуществляют фотосинтез.
Как уже говорилось, организмы разделяют также на автотрофные и гетеротрофные — в зависимости от того, какой источник углерода они используют: неорганическое соединение (диоксид углерода) или разнообразные органические вещества. Таким образом, можно выделить четыре типа питания. Среди бактерий встречаются представители всех четырех типов.
Наибольшую группу образуют хемогетеротрофные бактерии.
Хемогетеротрофные бактерии
Бактерии этого типа получают энергию из поступающих с пищей химических соединений. Они способны использовать огромное множество различных веществ.
Среди хемогетеротрофных бактерий можно выделить три основные группы, а именно сапротрофы, мутуалисты и паразиты.
Сапротрофы представлены организмами, извлекающими питательные вещества из мертвого разлагающегося материала. Для разложения органического материала сапротрофы выделяют на него ферменты. Таким образом, переваривание пищи у них происходит вне организма. Образующиеся при этом растворимые продукты поступают в тело сапротрофа и там ассимилируются.
Сапротрофные бактерии и грибы составляют группу редуцентов. Им принадлежит важная роль в разложении органического материала и возврате элементов в природные круговороты. Они образуют гумус из животных и растительных остатков, но при этом они способны и наносить вред, разрушая нужные человеку материалы, особенно пищевые продукты.
Мутуализмом (или симбиозом) называют любую форму тесной взаимосвязи между двумя живыми организмами, выгодной для обоих партнеров. Примером бактериального мутуализма может служить Rhizobium — бактерия, способная фиксировать азот и живущая в корневых клубеньках бобовых растений, например гороха и клевера, или Escherichia coli, обитающая в кишечнике человека и, вероятно, поставляющая человеку витамины группы В и К.
Паразитом называют любой организм, живущий внутри тела или на теле другого организма (хозяина), от которого он получает пищу и, как правило, убежище. Хозяевами могут служить представители самых различных видов, причем паразиты наносят ощутимый вред своим хозяевам. Паразиты, вызывающие болезни, называют патогенами.
Одни паразиты, называемые об. штатными, могут жить и расти только в живых клетках. Другие, называемые факультативными, заражают хозяина, вызывают его гибель и затем живут на его остатках как сапротрофы.
Паразиты отличаются чрезвычайной разборчивостью в пище, поскольку они нуждаются во «вспомогательных факторах роста», которые не способны синтезировать сами, но могут получать только от своих хозяев.
Особенности питания бактерий:
v экзогенный тип питания (выделяя гидролитические ферменты в окружающую среду, расщепляют макромолекулы до более простых соединений, которые поступают внутрь клетки);
v голофитный тип питания (поступление веществ из вне только в растворенном состоянии);
v поступление веществ происходит через всю поверхность бактериальной клетки;
v потребление веществ в сутки в 20-30 раз больше своей массы;
v интенсивность метаболизма у прокариотов выше, чем у эукариотов на 50-60% (в 100 раз);
v очень высокая адаптивность к различным условиям существования.
Для микроорганизмов характерно многообразие способов питания. Классификация микроорганизмов по типам питания:
1. По источнику углерода:
Ø автотрофы=«сами себя питающие» (от греч. autos – сам, trophe – пища) способны получать весь углерод в результате фиксации CO2 (единственный источник углерода – СО2 воздуха);
Ø гетеротрофы=«питающиеся за счет других» (от греч. heteros – другой) получают углерод из различных органических соединений, эта группа наиболее многочисленна по своему составу, включает паразитов и сапрофитов:
v паразиты (паратрофы, от греч. parasitos – нахлебник)используют для своего питания органические соединения живых организмов, обитают на поверхности или внутри макроорганизма, нанося ему вред, подразделяются на:
· облигатные паразиты – полностью лишены способности жить вне клеток макроорганизма;
· факультативные паразиты – могут существовать и вне макроорганизма;
v сапрофиты (метатрофы, от греч. sapros – гнилой, phyton – растение)нуждаются в готовых органических соединениях, поэтому питаются мертвой тканью животных и растений.
2. По источнику энергии:
Ø фототрофы (фотосинтезирующие) используют энергию солнечного света;
Ø хемотрофы (хемосинтезирующие) получают энергию за счет окислительно-восстановительных реакций.
3. По донору электронов:
Ø литотрофы (от греч. lithos – камень) в качестве источника электронов используют неорганические соединения (H2, NH3, H2S, S и т.д.);
Ø органотрофы используют органические соединения в качестве доноров электронов.
Можно использовать все критерии сразу для характеристики микроорганизмов или только два. Например, фотоавтолитотрофы – микроскопические водоросли; хемоорганогетеротрофы – стафилококки, кишечная палочка. Однако, такая классификация не полностью отражает способности микроорганизмов. Многие микроорганизмы обладают «гибким» метаболизмом и могут переключаться в определенных условиях с одного способа питания на другой. Поэтому выделяют термины облигатный и факультативный, так например, облигатному фотоавтотрофу обязательно нужен свет и CO2 как источник углерода, а факультативные фотоавтотрофы могут расти и на органических кислотах.
4. По источнику азота:
Ø аминоавтотрофы используют атмосферный азот и минеральные соединения азота для построения органических соединений (почвенные бактерии);
Ø аминогетеротрофы получают азот для синтеза белков из органических соединений (патогенные бактерии).
5. По способности синтезировать необходимые питательные вещества:
Ø прототрофы– это микроорганизмы, способные синтезировать все необходимые им органические соединения из глюкозы и солей аммония;
Ø ауксотрофыне способны синтезировать некоторые органические соединения, ассимилируя их в готовом виде из окружающей среды или организма хозяина.
Факторы роста– это вещества, необходимые микроорганизмам, не продуцирующим какое-либо вещество, в готовом виде для их роста и размножения:
v аминокислоты (стептококки);
v пуриновые и пиримидиновые основания (стрептококки, микоплазмы, лактобациллы);
v витамины (никотиновая, пантотеновая и фолиевая кислоты, флавин, тиамин, биотин, В6 и В12 – микобактерии туберкулеза);
v липиды (микоплазмы);
Механизм поступления веществ в клетку (сложный физико-химический процесс, в котором большую роль играют концентрация веществ, их строение, растворимость, размеры молекул, проницаемость ЦПМ, наличие ферментов, pH среды, изоэлектрическая точка вещества цитоплазмы):
Ø пассивная диффузия – питательные вещества в клетку перемещаются по градиенту концентрации без затрат энергии (когда концентрация вещества снаружи значительно превышает концентрацию внутри); этим путем в бактериальную клетку поступает ограниченное количество веществ – H2O, O2, CO2 и NH3;
Ø облегченная диффузия осуществляется тоже по градиенту концентрации без затрат энергии, но с помощью особых белков-пермеаз, которые находятся в цитоплазматической мембране;
Ø активный транспорт осуществляется пермеазами против градиента концентрации (концентрация вещества в клетке может быть значительно больше, чем в питательной среде), сопровождается затратой энергии;
Ø транслокация (фосфорилирование) – химическая модификация вещества при переносе через ЦПМ с помощью белков-транслоказ; так, например, поступает в клетки глюкоза;
Ø обменная адсорбция – способность электрически заряженной поверхности микробной клетки притягивать вещества с противоположным зарядом.
Выход продуктов метаболизма из микробной клетки:
Ø диффузия (пассивная, облегченная, активная);
Ø экзоцитоз – путем почкования мембраны – выделяемое вещество упаковано в мембранный пузырек и отшнуровывается в окружающую среду; например, токсин холерного вибриона;
Ø фосфотранспорт – химическая модификация вещества при переносе через ЦПМ.
Ø контрансляционная секреция – внутри клеточной стенки и ЦПМ формируется белковый канал, через который молекулы вещества выделяются наружу, например, токсины возбудителей столбняка и дифтерии.
Дата добавления: 2014-12-05 ; просмотров: 4477 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ
Особенности питания бактериальной клетки состоят в поступлении питательных субстратов внутрь через всю ее поверхность, а также в высокой скорости процессов метаболизма и адаптации к меняющимся условиям окружающей среды.
Типы питания. Широкому распространению бактерий способствует разнообразие типов питания. Микроорганизмы нуждаются в углеводе, азоте, сере, фосфоре, калии и других элементах. В зависимости от источников углерода для питания бактерии делятся на аутотрофы (от греч. autos – сам, trophe – пища), использующие для построения своих клеток диоксид углерода СО2 и другие неорганические соединения, и гетеротрофы (от греч. heteros – другой, trophe – пища), питающиеся за счет готовых органических соединений. Аутотрофными бактериями являются нитрифицирующие бактерии, находящиеся в почве; серобактерии, обитающие в воде с сероводородом; железобактерии, живущие в воде с закисным железом, и др.
Гетеротрофы, утилизирующие органические остатки отмерших организмов в окружающей среде, называются сапрофитами. Гетеротрофы, вызывающие заболевания у человека или животных, относят к патогенным и условно-патогенным. Среди патогенных микроорганизмов встречаются облигатные и факультативные паразиты (от греч. parasites – нахлебник). Облигатные паразиты способны существовать только внутри клетки, например риккетсии, вирусы и некоторые простейшие.
В зависимости от окисляемого субстрата, называемого донором электронов или водорода, микроорганизмы делят на две группы. Микроорганизмы, использующие в качестве доноров водорода неорганические соединения, называют литотрофны-ми (от греч. lithos – камень), а микроорганизмы, использующие в качестве доноров водорода органические соединения, – органотрофами.
Учитывая источник энергии, среди бактерий различают фототрофы, т.е. фотосинтезирующие (например, сине-зеленые водоросли, использующие энергию света), и хемотрофы, нуждающиеся в химических источниках энергии.
Факторы роста. Микроорганизмам для роста на питательных средах необходимы определенные дополнительные компоненты, которые получили название факторов роста. Факторы роста – необходимые для микроорганизмов соединения, которые они сами синтезировать не могут, поэтому их необходимо добавлят в питательные среды. Среди факторов роста различают: аминокислоты, необходимые для построения белков; пурины и пиримидины, которые требуются для образования нуклеиновых кис лот; витамины, входящие в состав некоторых ферментов. Для обозначения отношения микроорганизмов к факторам роста используют термины «ауксотрофы» и «прототрофы». Ауксотрофы нуждаются в одном или нескольких факторах роста, прототрофы могут сами синтезировать необходимые для роста соединения. Они способны синтезировать компоненты из глюкозы и солей аммония.
Механизмы питания. Поступление различных веществ в бактериальную клетку зависит от величины и растворимости их молекул в липидах или воде, рН среды, концентрации веществ, различных факторов проницаемости мембран и др. Клеточная стенка пропускает небольшие молекулы и ионы, задерживая макромолекулы массой более 600 Д. Основным регулятором поступления веществ в клетку является цитоплазматическая мембрана. Условно можно выделить четыре механизма проникновения питательных веществ в бактериальную клетку: это простая диффузия, облегченная диффузия, активный транспорт, транслокация групп. Наиболее простой механизм поступления веществ в клетку – простая диффузия, при которой перемещение веществ происходит вследствие разницы их концентрации по обе стороны цитоплазматической мембраны. Вещества проходят через липид-ную часть цитоплазматической мембраны (органические молекулы, лекарственные препараты) и реже по заполненным водой каналам в цитоплазматической мембране. Пассивная диффузия осуществляется без затраты энергии.
Облегченная диффузия происходит также в результате разницы концентрации веществ по обе стороны цитоплазматической мембраны. Однако этот процесс осуществляется с помощью молекул-переносчиков, локализующихся в цитоплазматической мембране и обладающих специфичностью. Каждый переносчик транспортирует через мембрану соответствующее вещество или передает другому компоненту цитоплазматической мембраны – собственно переносчику.
Белками-переносчиками могут быть пермеазы, место синтеза которых – цитоплазматическая мембрана. Облегченная диффузия протекает без затраты энергии, вещества перемещаются от более высокой концентрации к более низкой.
Активный транспорт происходит с помощью пермеаз и направлен на перенос веществ от меньшей концентрации в сторону большей, т.е. как бы против течения, поэтому данный процесс сопровождается затратой метаболической энергии (АТФ), образующейся в результате окислительно-восстановительных реакций в клетке.
Перенос (транслокация) групп сходен с активным транспортом, отличаясь тем, что переносимая молекула видоизменяется в процессе переноса, например фосфорилируется. Выход веществ из клетки осуществляется за счет диффузии и при участии транспортных систем-ферменты бактерий. Ферменты распознают соответствующие им метаболиты (субстраты), вступают с ними во взаимодействие и ускоряют химические реакции. Ферменты являются белками, участвуют в процессах анаболизма (синтеза) и катаболизма (распада), т.е. метаболизма. Многие ферменты взаимосвязаны со структурами микробной клетки. Например, в цитоплазматической мембране имеются окислительно-восстановительные ферменты, участвующие в дыхании и делении клетки; ферменты, обеспечивающие питание клетки, и др. Окислительно-восстановительные ферменты цитоплазматической мембраны и ее производных обеспечивают энергией интенсивные процессы биосинтеза различных структур, в том числе клеточной стенки. Ферменты, связанные с делением и аутолизом клетки, обнаруживаются в клеточной стенке. Так называемые эндоферменты катализируют метаболизм, проходящий внутри клетки.
Экзоферменты выделяются клеткой в окружающую среду, расщепляя макромолекулы питательных субстратов до простых соединений, усваиваемых клеткой в качестве источников энергии, углерода и др. Некоторые экзоферменты (пенициллиназа и др.) инактивируют антибиотики, выполняя защитную функцию.
Различают конститутивные и индуцибельные ферменты. К конститутивным ферментам относят ферменты, которые синтезируются клеткой непрерывно, вне зависимости от наличия субстратов в питательной среде. Индуцибельные (адаптивные) ферменты синтезируются бактериальной клеткой только при наличии в среде субстрата данного фермента. Например, р-галактозидаза кишечной палочкой на среде с глюкозой практически не образуется, но её синтез резко увеличивается при выращивании на среде с лактозой или другим р-галактозидозом.
Некоторые ферменты (так называемые ферменты агрессии) разрушают ткань и клетки, обусловливая широкое распространение в инфицированной ткани микроорганизмов и их токсинов. К таким ферментам относят гиалуронидазу, коллаге-назу, дезоксирибонуклеазу, нейраминидазу, лецитовителлазу и др. Так, гиалуронидаза стрептококков, расщепляя гиалуроновую кислоту соединительной ткани, способствует распространению стрептококков и их токсинов.
Известно более 2000 ферментов. Они объединены в шесть классов: оксидоредуктазы – окислительно-восстановительные ферменты (к ним относят дегидрогеназы, оксидазы и др.); трансферазы, переносящие отдельные радикалы и атомы от одних соединений к другим; гидролазы, ускоряющие реакции гидролиза, т.е. расщепления веществ на более простые с присоединением молекул воды (эстеразы, фосфатазы, глкжозидазы и др.); лиазы, отщепляющие от субстратов химические группы негидролитическим путем (карбоксилазы и др.); изомеразы, превращающие органические соединения в их изомеры (фосфогексои-зомераза и др.); лигазы, или синтетазы, ускоряющие синтез сложных соединений из более простых (аспарагинсинтетаза, глю-таминсинтетаза и др.).
Различия в ферментном составе используются для идентификации микроорганизмов, так как они определяют их различные биохимические свойства: сахаролитические (расщепление сахаров), протеолитические (разложение белков) и другие, выявляемые по конечным продуктам расщепления (образование щелочей, кислот, сероводорода, аммиака и др.).
Ферменты микроорганизмов используют в генетической инженерии (рестриктазы, лигазы и др.) для получения биологически активных соединений, уксусной, молочной, лимонной и других кислот, молочнокислых продуктов, в виноделии и других отраслях. Ферменты применяют в качестве биодобавок в стиральные порошки («Ока» и др.) для уничтожения загрязнений белковой природы.
Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском: