Макро- и микроэлементы

Эти элементы нужны микроорганизмам, так как они входят в состав органических соединений, выполняют функции стабилизаторов коллоидного состояния цитоплазмы, являются активаторами ферментов. к макроэлементам относятся S, P, K, Ca, Mg, Mn, Fe, среди микроэлементов наиболее существенными являются Zn, Co, Mo, Cu, J, Вr.

Серанеобходима для синтеза серусодержащих аминокислот и некоторых коферментов. Она обычно потребляется микроорганизмами в окисленной форме в виде сульфатов и восстанавливается в процессе метаболизма. Фосфор входит в состав нуклеиновых кислот, АТФ, коферментов, фосфолипидов, тейхоевых кислот и др. Микроорганизмам фосфора требуется много и получают они его из различных фосфорнокислых солей.Кальцийвходит в состав эндоспор бактерий, является кофактором для некоторых ферментов (например, протеаз). Магнийприсутствует в клеточных стенках, мембранах. Железо содержится в цитохромах, каталазе и других ферментах.

При добавлении этих веществ в питательную среду активизируется рост микроорганизмов. К факторам роста относятся пурины, пиримидины, жирные кислоты, аминокислоты, витамины (в основном группы В). Большинство микроорганизмов обладает способностью самостоятельно синтезировать факторы роста. Но иногда эта способность может быть нарушена, и тогда эти соединения необходимо добавлять в питательную среду в готовом виде. Микроорганизмы, неспособные самостоятельно синтезировать какое-либо соединение, относящееся к факторам роста, называются ауксотрофными в отношении этого соединения (прототрофные микроорганизмы способны сами синтезировать факторы роста). Некоторые микроорганизмы нуждаются одновременно в нескольких дополнительных факторах. Наиболее чувствительны к факторам роста микроорганизмы, постоянно обеспечиваемые готовыми формами таких соединений в условиях их естественного обитания. Ауксотрофность может меняться в зависимости от условий культивирования. На нее оказывает влияние рН среды, наличие кислорода, температура, химический состав среды и др.

Микроорганизмы могут использовать питательные вещества лишь в том случае, если они проникают внутрь клетки. Микроорганизмы могут потреблять питательные вещества только в растворенном виде (в воде или липидах). Низкомолекулярные вещества легко проникают в клетку. Органические высокомолекулярные вещества могут поступать в клетку после предварительного расщепления их на более простые под действием экзоферментов (в основном гидролаз).

Поступление питательных веществ в микробную клетку регулирует двойной барьер – клеточная стенка и ЦПМ. Поступление макромолекул ограничивает величина пор клеточной стенки. Капсулы и слизистый слой представляют собой очень рыхлые структуры и не оказывают существенного сдерживающего влияния на проникновение веществ. ЦПМ является основным осмотическим барьером. Через протеиновую часть ЦПМ проходят вещества, растворимые в воде, через липидную – растворимые в липидах.

Пассивная (простая) диффузия– поступление веществ в клетку происходит в результате процесса диффузии. Так поступают в клетку очень немногие соединения, в основном молекулы воды, газов и некоторые ионы. Процесс идет до выравнивания концентраций веществ в наружной среде и в клетке, или до выравнивания электролитических потенциалов, если поступают ионы. Такой механизм не мог бы обеспечить клетку нужным набором питательных веществ (особенно, если их мало в окружающей среде). Кроме того, в клетку могли бы поступать вредные вещества при наличии их в окружающей среде в концентрации, превышающей внутреннюю.

При поступлении воды в клетку ЦПМ находится в набухшем состоянии и плотно прижата к клеточной стенке. Такое постоянное упругое состояние клеточного содержимого называется тугор. Это одно из необходимых условий роста клетки. Повышенная концентрация питательных веществ в среде (добавление поваренной соли или сахара) приводит к обезвоживанию клетки, она переходит в состояние расслабленности и вялости, ЦПМ сокращается и отходит от оболочки. Такое явление называется плазмолизом. Явление обратное плазмолизу – плазмоптиз, когда концентрация раствора значительно ниже концентрации содержимого клетки (дистиллированная вода). Содержимое клетки разбухает, форма ее меняется. Плазмоптиз также вреден для клетки.

Облегченная диффузия – поступление питательных веществ в клетку осуществляется с помощью специальной системы, включающей белки-переносчики –пермеазы(англ. permeable – проницаемый). Перенос носит специфический характер, каждое соединение переносится своим переносчиком. Поэтому процесс идет быстрее, чем при простой диффузии. Энергия на перенос не затрачивается. Энергия затрачивается только на синтез пермеаз, на обеспечение определенной концентрации и активной формы пермеаз. Процесс идет до выравнивания концентраций вещества по обе стороны ЦПМ. Чаще всего такой механизм обеспечивает выход растворенных веществ из клетки. Скорость выхода веществ увеличивается с увеличением количества этих веществ внутри клетки.

Активный транспорт (перенос) – более совершенная форма переноса. При этом переносе микробная клетка способна накапливать необходимые вещества независимо от их концентраций в окружающей среде. Процесс может идти против градиента концентраций (от меньшей концентрации к большей). Процесс строго специфичен, идет с большой затратой энергии, с участием пермеаз. Синтез пермеаз находится под контролем генетического аппарата клетки. Пермеазам свойственна субстратная специфичность. Существует конститутивный и индуцибельный механизмы. Конститутивный механизм широко распространен у пермеаз аминокислот, индуцибельный – у пермеаз углеводов.

Локализованные на ЦПМ пермеазы соединяются с молекулами вещества на наружной стороне мембраны и переносят это вещество на внутреннюю сторону. Можно выделить следующие этапы: 1) рецепция, т.е.образование комплекса с активным центром переносчика; 2) собственно перенос, или транслокация; 3) диссоциация комплекса с освобождением субстрата; 4) регенерация транспортной системы. Большинство питательных веществ поступает в клетки микроорганизмов путем активного переноса. На процесс оказывают влияние температура, рН, некоторые химические вещества, аэрация.