Обмен веществ и энергии у микроорганизмов

Обмен веществ и энергии — одно из фундаментальных свойств всех живых организмов, выражающееся в совокупности процессов превращения веществ и энергии, направленных на сохранение и воспроизведение жизни. У микроорганизмов он принципиально сходен с таковым у высших животных и растений. Это сходство проявляется в:

Общности химических элементов, молекул и структур, участвующих в обмене.
Близости метаболических путей.
Тесной взаимосвязи между обменом веществ и энергии.
Единстве конечной функции — поддержании и воспроизведении жизни.

В обмене веществ у микроорганизмов, как и у животных клеток, выделяют два основных этапа:

Катаболизм — процесс окисления сложных питательных веществ до простых молекул с выделением энергии.
Анаболизм — процесс последовательного синтеза мономеров и полимеров самого организма с поглощением энергии.

Особенности метаболизма микроорганизмов

Особенности обмена веществ у микробов проявляются в:

Высокой интенсивности, превосходящей таковую у животных клеток в сотни раз.
Огромном многообразии используемых источников энергии и пластических материалов, а также образующихся конечных продуктов.
Некотором своеобразии метаболических путей.
Более простом строении структур, контролирующих и реализующих обменные процессы.
Способности микробного мира трансформировать практически любые органические и неорганические вещества.
Относительной простоте регуляции обмена, что часто приводит к выделению во внешнюю среду избытков синтезированных веществ и энергии.

Классификация по источникам питания и энергии

В зависимости от источников питания и энергии микроорганизмы делятся на три основные группы:

Фотосинтезирующие (фототрофы) — усваивают солнечную энергию и синтезируют необходимые им органические вещества из неорганических соединений (например, карбонатов, фосфатов, нитратов).
Хемолитосинтезирующие (хемолитотрофы) — извлекают энергию за счёт окисления неорганических веществ (например, серы, аммиака, водорода), а углерод для построения клетки получают из углекислого газа.
Хемоорганотрофные организмы (гетеротрофы) — используют для своих потребностей энергию и пластические материалы из готовых органических веществ. Именно к этой группе относятся патогенные для человека и животных микроорганизмы.

Метаболизм хемоорганотрофов

Единственным источником энергии для хемоорганотрофов является энергия химических связей органических соединений, которая извлекается в процессе биологического окисления. Этот процесс осуществляется в специализированных структурах:

У грибов и простейших — в митохондриях.
У бактерий — на цитоплазматической мембране и её впячиваниях (мезосомах).

Универсальным аккумулятором энергии, образующимся в ходе окисления, является АТФ (аденозинтрифосфат), в отдельных случаях также НАДФ и другие органические фосфаты.

Анаболический этап

Анаболический этап обмена, конечной фазой которого является синтез макромолекул, у микробов состоит в сборке полимеров из соответствующих мономеров:

Белки — из аминокислот.
Полисахариды — из моносахаридов.
Липиды — из жирных кислот и глицерина.
Нуклеиновые кислоты (НК) — из нуклеотидов, фосфорной кислоты и рибозы (или дезоксирибозы).

Последовательность мономеров при синтезе белков и нуклеиновых кислот задаётся матрицей (информационной РНК или ДНК), а при синтезе углеводов и липидов определяется исключительно специфичностью ферментов.

Регуляция обмена

Регуляция метаболизма в микробной клетке осуществляется на уровне ферментов:

Катаболические ферменты часто регулируются доступностью субстрата (метаболита).
Анаболические ферменты регулируются преимущественно путём репрессии (подавления) их синтеза конечным продуктом реакции, а также за счёт изменения активности уже существующих ферментов через конформационные изменения их молекул (аллостерическая регуляция).

Практическое значение

Знания об обмене веществ микроорганизмов широко используются в практической медицине и микробиологии для:

Разработки систематики микробов и идентификации выделенных культур.
Создания методов подавления жизнедеятельности патогенных видов (например, разработка антибиотиков).
Получения биомассы полезных для народного хозяйства и медицины штаммов (например, продуценты витаминов, ферментов, антибиотиков).
Понимания механизмов патогенного действия микробов.
Использования способности микроорганизмов к биодеградации для переработки отходов и очистки окружающей среды.

Современный контекст

Современная микробиология значительно углубила понимание метаболизма микроорганизмов. Уточнены и расширены представления о метаболических путях, открыты новые, ранее неизвестные типы метаболизма (например, анаэробное окисление аммония — анаммокс). Роль мезосом как аналогов митохондрий у бактерий в настоящее время считается спорной; основным местом энергетического метаболизма у прокариот признана цитоплазматическая мембрана. Методы геномики и протеомики позволяют изучать метаболические сети в целом, что открывает новые возможности для биотехнологии и создания синтетических микроорганизмов с заданными свойствами.