11: Мікробне харчування

Last updated
Save as PDF

Page ID: 6668

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Всі мікроби мають потребу в трьох речах: вуглець, енергія та електрони. Існують конкретні терміни, пов'язані з джерелом кожного з цих елементів, щоб допомогти визначити організми.

Давайте зосередимося спочатку на вуглеці. Всі організми на основі вуглецю з макромолекулами - білками, вуглеводами, ліпідами, нуклеїновою кислотою - мають основне ядро вуглецю. З одного боку, організми можуть використовувати відновлені, попередньо сформовані органічні речовини як джерело вуглецю. Це гетеротрофи або «інші їдці». Крім того, вони можуть покладатися на вуглекислий газ (CO2) як джерело вуглецю, відновлюючи або «закріплюючи» його цю неорганічну форму вуглецю в органічну молекулу. Це автотрофи або «самогодівниці».

Для енергії також є дві можливості: світлова енергія або хімічна енергія. Світлова енергія надходить від сонця, тоді як хімічна енергія може надходити як з органічних, так і з неорганічних хімічних речовин. Ті організми, які використовують світлову енергію, називаються фототрофами («пожирачами світла»), тоді як ті, що використовують хімічну енергію, називаються хемотрофами («хімічними пожирачами»). Хімічна енергія може надходити з неорганічних джерел або органічних джерел. Організм, який використовує неорганічні джерела, відомий як літотроф («поїдач гірських порід»), тоді як організм, який використовує органічні джерела, називається органотрофом («органічним пожирачем»).

Ці терміни можуть бути об'єднані, щоб отримати єдиний термін, який дає вам уявлення про те, що організм використовує для задоволення своїх основних потреб у енергії, електрони та вуглець.

Макроелементи

Крім вуглецю, водню і кисню, клітинам потрібно ще кілька елементів в достатній кількості. Зокрема, клітинам необхідний азот для утворення білків, нуклеїнових кислот, і ще кількох клітинних компонентів. Клітинам також потрібен фосфор, який є найважливішим компонентом нуклеїнових кислот (подумайте, цукрово-фосфатний кістяк!) , фосфоліпіди та аденозин трифосфат або АТФ. Сірка необхідна для декількох амінокислот, а також декількох вітамінів, в той час як калій потрібен для ферментів, а магній використовується для стабілізації рибосом і мембрани. У сукупності ці елементи (включаючи С, Н і О) називаються макроелементами.

Фактори росту

Деякі мікроби можуть синтезувати певні органічні молекули, які їм потрібні з нуля, якщо вони забезпечені джерелом вуглецю і неорганічними солями. Інші мікроби вимагають, щоб певні органічні сполуки існували в їх середовищі. Ці органічні молекули, необхідні для росту, називаються факторами росту і діляться на три категорії: 1) амінокислоти (будівельні блоки білка), 2) пурини і піримідини (будівельні блоки нуклеїнової кислоти) і 3) вітаміни (ферментні кофактори).

поглинання поживних речовин

Для того, щоб підтримувати свою діяльність, клітина повинна принести поживні речовини із зовнішнього середовища через клітинну мембрану. У бактерій і архей існує кілька різних транспортних механізмів.

Пасивна дифузія

Пасивна або проста дифузія дозволяє проходити через клітинну мембрану простих молекул і газів, таких як CO2, O2 та H2O. При цьому повинен існувати градієнт концентрації, де за межами клітини вище концентрація речовини, ніж є всередині клітини. Оскільки більша частина речовини транспортується в клітину, градієнт концентрації зменшується, сповільнюючи швидкість дифузії.

Полегшена дифузія

Полегшена дифузія також передбачає використання градієнта концентрації, де концентрація речовини вище поза клітиною, але відрізняється застосуванням білків-носіїв (іноді їх називають пермезами). Ці білки вбудовані в клітинну мембрану і забезпечують канал або пору через мембранний бар'єр, що дозволяє проходити більші молекули. Якщо градієнт концентрації розсіюється, проходження молекул всередину клітини припиняється. Кожен протеїн-носій зазвичай проявляє специфічність, лише транспортуючи в конкретному типі молекули або тісно пов'язані молекули.

Активний транспорт

Багато типів поглинання поживних речовин вимагають, щоб клітина могла транспортувати речовини проти градієнта концентрації (тобто з більшою концентрацією всередині клітини, ніж зовні). Для цього клітина повинна використовувати метаболічну енергію для транспортування речовини через білки-носії, вбудовані в мембрану. Це відоме як активний транспорт. Всі види активного транспорту утилізують протеїни-носії.

Активний транспорт проти полегшеної дифузії.

Первинний активний транспорт

Первинний активний транспорт передбачає використання хімічної енергії, наприклад АТФ, для керування транспортом. Одним із прикладів є система ABC, яка використовує касетні транспортери ATP-прив'язки. Кожен транспортер ABC складається з трьох різних компонентів: 1) мембранно-охоплюючих білків, які утворюють пори через клітинну мембрану (тобто протеїн-носій), 2) область зв'язування АТФ, яка гідролізує АТФ, забезпечуючи енергію для проходження через мембрану, і 3) білок, що зв'язує субстрат, периферичний білок, який зв'язується з відповідною речовиною, щоб бути транспортером і переправляє його до мембрани охоплюють білків. У грамнегативних бактерій субстратозв'язуючий білок знаходиться в периплазмі клітини, тоді як у грампозитивних бактерій субстратозв'язуючий білок прикріплюється до зовнішньої сторони клітинної мембрани.

Primary-Active-Transport-v2-e1491362758207-1024x818.png

Структура транспортера ABC.

Вторинний активний транспорт

Вторинний активний транспорт використовує енергію від рушійної сили протона (PMF). ПМФ - це іонний градієнт, який розвивається, коли клітина транспортує електрони під час енергозберігаючих процесів. Позитивно заряджені протони накопичуються уздовж зовнішньої сторони негативно зарядженої клітини, створюючи протонний градієнт між зовнішньою стороною клітини і внутрішньою стороною.

Існує три різних типи транспортних подій для простого транспорту: уніпорт, симпорт, і антипорт, і кожен механізм використовує інший білок портер. Uniporters транспортують одну речовину через мембрану, або всередині або назовні. Symporters транспортують дві речовини через мембрану одночасно, як правило, протон у парі з іншою молекулою. Антипортери транспортують дві речовини через мембрану, а також, але в протилежних напрямках. Коли одна речовина потрапляє в клітину, інша речовина транспортується назовні.

Юніпорт Синпорт Антипорт. Lupask (Власна робота) [Громадське надбання], через Wikimedia Commons

Групова транслокація

Групова транслокація - це окремий вид активного транспорту, який використовує енергію з багатої енергією органічної сполуки, яка не є АТФ. Групова транслокація також відрізняється як від простих транспортних, так і від транспортерів ABC тим, що транспортується речовина хімічно модифікується в процесі.

Одним з найбільш вивчених прикладів групової транслокації є фосфоенолпіруват: система фосфотрансферази цукру (PTS), яка використовує енергію високоенергетичної молекули фосфоенолпірувату (PEP) для транспортування цукрів в клітину. А фосфат передається з ПЕП на цукор, що надходить в процесі транспортування.

Групова транслокація через PTS.

поглинання заліза

Залізо потрібно мікробам для функції їх цитохромів і ферментів, в результаті чого воно є обмежуючим ріст мікроелементом. Однак мало вільного заліза доступно в середовищах через його нерозчинність. Багато бактерій еволюціонували сидерофори, органічні молекули, які хелатують або пов'язують залізо з високою спорідненістю. Сидерофори вивільняються організмом в навколишнє середовище, завдяки чому пов'язують будь-яке доступне залізо заліза. Залізо-сидерофорний комплекс потім зв'язується специфічним рецептором на зовнішній стороні клітини, дозволяючи транспортувати залізо в клітину.

Сидерофори та рецепторні сайти.

Ключові слова

гетеротроф, автотроф, фототроф, хемотроф, літотроф, органотроф, фотоорганогетеротроф, хемоорганогетеротроф, хемолітоавтотроф, хемолітогетеротроф, макроелементи, фактори росту, пасивна/проста дифузія, полегшена дифузія, протеїн/пермеаза носія, активний транспорт, первинний активний транспорт, система ABC, АТФ-зв'язуючий касетний транспортер, транспортер ABC, вторинний активний транспорт, рушійна сила протона (ПМФ), уніпорт, симпорт, антипорт, портер, юніпортер, симпорттер, антипортер, групова транслокація, фосфоенолпіруват: система фосфотрансферази цукру (PTS), фосфоенолпіруват (PEP), сидерофор.

Навчальні питання

Які різні терміни пов'язані з мікробними типами харчування? Як ці терміни можна об'єднати, щоб визначити поживні типи мікробів з точки зору їх джерел вуглецю, електронів та енергії?
Що таке макроелементи і чому вони важливі для клітини? Що таке фактори росту і яке їх значення для клітини?
Яке значення має поглинання поживних речовин для клітини? Які загальні риси поглинання поживних речовин бактеріями?
Що транспортується в клітину бактерій пасивною дифузією і як це впливає на бактеріальну клітину?
Поясніть дифузійний (пасивний і полегшений) і активний транспорт.
Які існують 3 види активного транспорту? Вміти діаграмувати кожен процес. Що потрібно для кожного з цих процесів? Чим вони схожі, чим відрізняються?
Чому поглинання заліза важливо для клітини? Що використовується для цього?

Дослідницькі питання (НЕОБОВ'ЯЗКОВО)

Яка найбільша бактерія або архея коли-небудь виявлена? Який найменший еукаріот коли-небудь виявлений?