Способы поступления веществ в клетку – 8. Способы поступления веществ в клетку и значение для медицины.

poznayka.org

Способы поступления питательных веществ в клетку

Питание бактерий

Бактерии представляют обширную группу мельчайших и в большинстве одноклеточных организмов. Основными элементами, влияющими на рост и развитие бактерий, являются: азот, углерод, кислород, водород, фосфор, сера, которые входят в состав белков, углеводов, жиров, нуклеиновых кислот. Эти элементы требуются в значительных количествах – макроэлементы. Микроэлементы, необходимые в микромолярных количествах, — это ионы таких металлов, как хром, кобальт, медь, цинк, молибден, марганец, никель, селен, вольфрам, ванадий, обычно входящие в состав ферментов и кофакторов.

Способы поступления питательных веществ в клетку

Поступление веществ в клетку и выделение продуктов обмена в окружающую среду происходит у микроорганизмов через всю поверхность тела. У микроорганизмов очень большая по сравнению с объемом всасывающая пищу поверхность клетки, что обусловливает весьма активный обмен веществ. Поступление питательных веществ в клетку сложный процесс.

Возможность проникновения веществ извне в клетку обусловлена многими факторами: величиной и структурой их молекул; способностью растворяться в компонентах цитоплазматической мембраны или вступать с ними в химические соединения; концентрацией веществ в клетке и в среде; электрическим зарядом клетки и другое.

Вещества питательной среды могут поступать в клетку только в растворенном состоянии. Нерастворимые сложные органические соединения должны подвергнуться расщеплению на более простые вне клетки, что происходит с помощью экзоферментов микроорганизмов.

Клеточная стенка проницаема и задерживает лишь макромолекулы. Цитоплазматическая мембрана обладает полупроницаемостью. Она служит осмотическим барьером, проницаемость её для различных веществ неодинакова.

Наиболее известны два пути проникновения веществ в клетку: осмос и адсорбция (специфический перенос). Активная роль в этих процессах принадлежит цитоплазматической мембране.

О с м о с представляет собой диффузию веществ в растворах через полупроницаемую перепонку (мембрану). Как известно, через такие мембраны могут диффундировать вещества, находящиеся в состоянии истинных растворов. Возникает осмос под действием разности осмотических давлений в растворах по обе стороны полупроницаемой мембраны.

Величина осмотического давления раствора зависит от молярной концентрации растворённых в нём веществ. В относительно слабых растворах осмотическое давление изменяется пропорционально концентрации растворённых веществ. Чем больше разность осмотических давлений (концентраций растворов) по обе стороны полупроницаемой мембраны, тем с большей интенсивностью осмотирует растворитель (вода) в раствор с бо¢льшим осмотическим давлением. Осмотируют растворённые в воде вещества; при этом каждое диффундирует в соответствии с его собственным (парциальным) осмотическим давлением, то есть в раствор с его меньшей концентрацией.

Оболочка клетки проницаема и задерживает лишь макромолекулы. Цитоплазматическая мембрана клетки обладает полупроницаемостью; она является осмотическим барьером, регулируя поступление в клетку и выход из неё растворённых веществ. Вещества, не растворимые в воде или образующие коллоидные растворы (например, белки, крахмал), непосредственно не могут быть использованы клеткой. Они могут проникнуть в неё лишь после расщепления на более простые вне клетки, что и происходит в среде с помощью экзоферментов микробов.

Таким образом, при осмотическом проникновении питательных веществ в клетку движущей силой служит разность осмотических давлений между средой и клеткой. Такой пассивный перенос веществ не требует затраты энергии и протекает до выравнивания концентрации с наружным раствором. Поскольку поступившие в клетку вещества включаются в реакции конструктивного и энергетического обмена, концентрация некоторых из них будет ниже, чем в среде, и поступление данных веществ возможно до полного исчерпания их из субстрата.

Если осмотическое давление микробных клеток, обусловленное растворёнными в клеточном соке веществами, несколько выше, чем в среде, то за счёт притока из неё воды в клетке создаётся определённое упругое напряжение, называемое тургором. Протопласт клетки при этом прижимается к клеточной оболочке, слегка растягивая её.

Если микроорганизм попадает в субстрат, осмотическое давление которого выше, чем в клетке, то цитоплазма отдает воду во внешнюю среду. Питательные вещества в клетку не поступают, содержимое клетки уменьшается в объёме, и протопласт отстаёт от клеточной оболочки. Это явление называется плазмолизом клетки.

При чрезмерно низком осмотическом давлении внешней среды может наступить плазмоптис клетки – явление, обратное плазмолису, когда вследствие высокой разности осмотических давлений цитоплазма быстро переполняется водой. Это может привести к разрыву клеточной оболочки, что наблюдается, например, при помещении бактерий в дистиллированную воду.

Второй путь поступления веществ в клетку – активный – путём переноса их особыми, локализованными в цитоплазматической мембране веществами ферментной природы. Эти переносчики, называемые пермеазами, обладают субстратной специфичностью. Каждый транспортирует только определённое вещество, имеющее сходную с белком-переносчиком стереохимическую структуру молекулы. На внешней стороне цитоплазматической мембраны переносчик адсорбирует вещество – вступает с ним во временную связь и диффундирует комплексно через мембрану, отдавая на внутренней стороне её транспортируемое вещество в цитоплазму. Вещество может поступать и тогда, когда концентрация его в клетке больше, чем в среде. При таком переносе веществ затрачивается энергия. При этом транспортируемое вещество может подвергнуться изменению, например из не растворимого в мембране переходит в растворимое состояние.

Цитоплазматическая мембрана, таким образом, является не только осмотическим барьером, но и обладает избирательной проницаемостью.

Структурные компоненты клетки, энергетический заряд
Ядерная оболочка клетки
Ядрышко, хроматин, элементы, цитозоль, цитоскелет, центриоли, митохондрии, пероксисомы, микротрубочки, органеллы клетки
Взаимодействие различных органоидов клетки
Функции клеточной стенки, лизосом, рибосом, комплекса гольджи, вакуоли

biofile.ru

Поступление веществ в клетки

Благодаря содержанию растворов солей, сахаров и других осмотически активных веществ, клетки характеризуются наличием в них определенного осмотического давления.

Например:

давление в клетках животных (морских и океанических форм) достигает 30 атм и более.

В оптимальных условиях осмотическое давление клеточного сока наземных органов болотных растений колеблется от 2 до 16 ат, у степных — от 8 до 40 ат. В разных клетках растения О. д. может резко различаться (так, у мангровых О. д. клеточного сока около 60 ат, а О. д. в сосудах ксилемы не превышает 1—2 ат). У гомойосмотических организмов, т. е. способных поддерживать относительное постоянство О. д., средней величины и диапазон колебаний О. д. различны (дождевой червь — 3,6—4,8 ат, пресноводные рыбы — 6,0—6,6, океанические костистые рыбы — 7,8—8,5, акуловые — 22,3—23,2, млекопитающие — 6,6—8,0 ат). У млекопитающих О. д. большинства биологических жидкостей равно О. д. крови (исключение составляют жидкости, выделяемые некоторыми железами, — слюна, пот, моча и др.). О. д., создаваемое в клетках животных высокомолекулярными соединениями (белки, полисахариды и др.), незначительно, но играет важную роль в обмене веществ

Градиент концентрации — разность концентрации веществ внутри и снаружи клетки

Поступление веществ в клетки животных, равно как и удаление их из клеток, связано с проницаемостью клеточной мембраны для молекул или ионов, а также со свойствами веществ. Клеточная мембрана регулирует обмен различными веществами между клеткой и средой. Поддержание мембраны и ее проницаемость обеспечиваются клеточной энергией.

Основные пути поступления веществ в клетки:

Экзоцитоз —процесс секретирования клетками различных веществ

Различают:

Клетки способны секретировать различные вещества в окружающую их среду. Этот процесс называют экзоцитозом.

Пассивный транспорт. Когда транспортируются незаряженные молекулы, то пассивный транспорт определяется только градиентом концентрации, т. е. разностью концентрации вещества на разных сторонах мембраны. Если же молекулы транспортируемого вещества заряжены, то к влиянию градиента концентрации добавляется влияние электических потенциалов по обе стороны мембраны. Градиент концентрации и электрический градиент в совокупности составляют электрохимический потенциал, который позволяет транспорт в клетку только положительно заряженных ионов.

Можно сказать, что пассивный транспорт веществ в клетки осуществляется обычной диффузией через клеточную мембрану, причем скорость диффузии вещества зависит от его растворимости в мембране, коэффициента диффузии в мембране и от разности концентрации веществ в клетке и за ее пределами (в среде).

Катализируемая, или так называемая «облегченная» диффузия, при которой скорость диффузии разных веществ, например, сахаров, аминокислот и нуклеозидов через мембрану повышается с помощью ферментов. Как и обычная, «облегченная» диффузия тоже зависит от градиента концентрации, однако здесь имеются подвижные «переносчики», роль которых выполняют ферменты. Находясь в составе мембраны, ферменты действуют в качестве «переносчиков» молекул веществ, проникая (диффундируя) на противоположную сторону мембраны, где они освобождаются от переносимых веществ. Поскольку «облегченная» диффузия веществ является переносом по градиенту концентрации, она тоже непосредственно не зависит от энергии, обеспечиваемой АТФ.

Примеры

Такие вещества, как глюкоза, почти нерастворимы в липидах, и размеры их частиц больше 0,8 нм; тем не менее они довольно быстро проходят через плазматическую мембрану, например через оболочку эритроцита. По-видимому, это обусловлено «облегченной диффузией» — присоединением к специфической молекуле-переносчику, представляющей собой пептид или белок. Молекула глюкозы G соединяется с молекулой-переносчиком X у наружной поверхности мембраны, и образовавшийся комплекс GX, растворимый в липидах, может диффундировать через мембрану к ее внутренней стороне, где он диссоциирует, и освобожденная глюкоза оказывается внутри клетки. Затем переносчик диффундирует обратно к наружной поверхности и сразу же может присоединить к себе другую молекулу глюкозы. При такой системе максимальная скорость переноса глюкозы определяется общим числом молекул-переносчиков, имеющихся в мембране, и возможными скоростями образования и расщепления комплекса GX. Для подобного процесса характерна «кинетика насыщения»: при малой концентрации глюкозы в наружном растворе скорость ее проникновения в клетку пропорциональна этой концентрации; однако при более высоких концентрациях пропорциональность исчезает, так как все молекулы переносчика уже «насыщены» глюкозой. Переносчики специфичны — они могут присоединять только глюкозу и некоторые очень близкие к ней по структуре сахара. Молекулы сахаров, сходные по своему химическому строению, будут конкурировать между собой за связывающие участки в молекулах-переносчиках. Облегченная диффузия не требует расхода энергии, если наружная концентрация глюкозы выше внутренней и глюкоза, таким образом, перемещается «вниз» по химическому градиенту. Однако некоторые клетки, например клетки кишечного эпителия и внутренней выстилки почечных канальцев, способны концентрировать глюкозу, заставляя ее перемещаться «вверх» по химическому градиенту (или, как говорят, против градиента концентрации), и для этого уже требуется затрата энергии. Гормон инсулин резко усиливает поглощение глюкозы скелетными мышцами и некоторыми клетками нашего организма. Пока еще не ясно, вызывает ли он увеличение числа эффективных молекул-переносчиков или же просто ускоряет реакции, с которыми связано образование и расщепление комплекса переносчика с глюкозой. Полагают, что не только облегченная диффузия, но и активный перенос глюкозы происходят с участием специфического переносчика, образующего с глюкозой комплекс, синтез или расщепление которого требует затраты энергии.

Из клеточных мембран кишечной палочки Escherichia coli был выделен и частично очищен липопротеид, который, по-видимому, служит переносчиком, или пермеазой, для лактозы. На одну клетку приходится около 9000 молекул пермеазы. Как полагают, этот белок присоединяет лактозу у наружной поверхности мембраны, а затем образовавшийся комплекс диффундирует к ее внутренней поверхности, где лактоза отделяется от переносчика. Этот гипотетический механизм в принципе сходен с предполагаемым механизмом натриевого насоса.

Активный транспорт.

Пример:

транспорт ионов натрия и калия, который определяет клеточный мембранный потенциал. Концентрация ионов натрия (Na⁺) внутри большинства клеток является меньшей, чем в среде, тогда как концентрация ионов калия (К⁺) внутри клеток является в 10—20 раз большей, чем в среде. В результате этого ионы Nа⁺ стремятся проникнуть из среды в клетку, а ионы К⁺, наоборот, выйти из клетки в среду. Поддержание концентрации этих ионов в клетке и в окружающей среде обеспечивается благодаря наличию в клеточной мембране системы, которая является ионным «насосом» и которая откачивает ионы Na⁺ из клетки в среду и накачивает ионы К⁺ в клетку из среды. Работа этой системы, т.е. движение ионов против электрохимического градиента, обеспечивается энергией, которая генерируется гидролизом АТФ, причем фермент АТФ-аза, катализирующий эту реакцию, содержится в самой мембране и, как считают, выполняет роль натриево-калиевого «насоса», генерирующего мембранный потенциал. Энергия, освобождаемая при гидролизе одной молекулы АТФ, обеспечивает транспорт за пределы клетки трех ионов Na⁺ и внутрь клетки двух ионов К⁺.

Система Na⁺ + К⁺ —АТФ-аза помогает поддерживать ассиметрическое распределение ионов калия при высокой концентрации последнего в клетках. Ионы калия участвуют в регуляции многих клеточных функций, включая поток солей и воды из почечных клеток, освобождение инсулина из панкреатических клеток, частоту сердцебиений.

Установлено, что энергетически выгодный транспорт ионов Na⁺ внутрь клеток оказывает также влияние на транспорт сахаров и аминокислот в клетки. В частности, с транспортом ионов Na⁺ сопряжен транспорт глюкозы. Чтобы создать градиент концентрации ионов Na⁺, благоприятный для транспорта ионов К⁺ и глюкозы внутрь клеток, ионная «насосная» система благодаря энергии активно откачивает ионы Na⁺ из клетки за ее пределы.

Определенная роль в транспорте веществ принадлежит белоксвязывающим системам, представляющим четвертый способ транспорта. Речь идет о белках, локализованных в периплазматическом пространстве. Эти белки специфически связывают сахара, аминокислоты и ионы, перенося их затем к специфическим молекулам-носителям, локализованным в клеточной мембране. Источником энергии для этих систем является АТФ.

Экзоцитоз

Конститутивный экзоцитоз осуществляется периодически, по мере накоплениях секрета, без видимого воздействия внеклеточных факторов, при колебаниях гидратированности клетки, без участия аппарата Гольджи и Са²⁺—независимо (Инсулин и ряд других гормонов, нейротрансмиттеров и многих ферментов.)

Нейромедиатор (Neurotransmitter) — химический посредник, освобождающийся из пресинаптического нервного окончания и передающий нервный импульс в синапсе постсинаптичсскому окончанию, мышечному волокну или железе, которые эти нервы иннервируют. Основными нейромедиаторами в периферической нервной системе являются ацетилхолин и норадреналин (сскретируются нервными окончаниями симпатической нервной системы). В центральной нервной системе наряду с ацетилхолином и норадреналином, нейромедиаторами являются дофамин, серотонин, гаммааминобутировая кислота и некоторые другие вещества.

Регулируемый экзоцитоз отличается от предыдущего необходимостью для запуска внеклеточного воздействия и четкой стадийностью процесса. Каждая из стадий регулируется дифференцированно. Специфика экзоцитоза определяется химической природой выделяеммых веществ, невезикулярной или везикулярной формами его выведения.

С помощью экзоцитоза из клетки удаляются также частицы, оказавшиеся непереваренными путем фагоцитоза. У большинства клеток циклы эндоцитоз-экзоцитоз непрерывны.

studfiles.net

1) Питание микроорганизмов. Способы поступления питательных веществ в бактериальную клетку. Классификация по типам питания. Зависимость от источника углерода и энергии. Факторы роста.

 По типу  питания микроорганизмы делятся на:  

Различают голозойный (поглощение питательных веществ в виде твердых частиц, переваривание в специальных пищеварительных органах, у животных) и голофитный (всасывание через поверхность в виде растворов, у растений, грибов и бактерий) способы питания. Затем питательные вещества должны поступить в клетки.

Механизмы поступления питательных веществ в клетку могут быть следующими.

1. Пассивная (простая) диффузия – за счет разности концентраций веществ в клетке и в среде (очень редко, только вода, кислород и некоторые ионы, чаще другой механизм – облегченная диффузия).

2.Облегченная диффузия – тоже за счет разности концентраций, но с использованием специальных ферментов-переносчиков в мембране (транслоказ), выход продуктов метаболизма осуществляется так же.

3.     Активный транспорт  (АТ) — против градиента концентраций, с использованием ферментов-переносчиков и затратой энергии,. Различают первичный АТ с использованием химической энергии и вторичный АТ с использованием энергии протонного потенциала (симпорт, антипорт)

В зависимости от источников энергии природы доноров электронов:

фототрофы (фотосинтезирующие), способные использовать солнечную энергию – сапрофиты; хемотрофы (хемосинтезирующие), способные использовать энергию за счет окислительно-восстановительных реакций – патогенные микробы.

В зависимости от доноров электронов хемотрофы подразделяют: хемолитотрофы (хемоавтотрофы) хемоорганотрофы (хемогетеротрофы)

Факторы роста:

Аминокислоты. Многие микроорганизмы нуждаются в тех или иных аминокислотах (одной или нескольких), поскольку они не могут их самостоятельно синтезировать, например, клостридии – в лейцине, тирозине; стрептококки – в лейцине, аргинине и др.

Пуриновые и пиримидиновые основания и их производные. (аденин, гуанин, цитозин, урацил, тимин и др.) являются факторами роста для разных видов стрептококков; некоторые азотистые основания нужны для роста стафилококков и других бактерий.

Липиды (жирные кислоты – компоненты фосфолипидов) нужны для роста некоторых стрептококков и микоплазм.

Витамины, главным образом группы В, входят в состав коферментов. Например: Коринебактерии дифтерии, шигеллы нуждаются в никотиновой кислоте или ее амиде, который входит в состав НАД и НАДФ;

Золотистый стафилококк, пневмококк, бруцеллы –в тиамине (витамин В1), входящего в состав пирофосфата;

Стрептококки некоторые виды, бациллы столбняка –пантотеновой кислоте, являющейся составной частью кофермента КоА и т.д.;

Для многих бактерий факторами роста является фолиевая кислота, биотин, гемы –компоненты цитохромов (гемы необходимы гемофильным бактериям, МКБtbc

2) Особенности метаболизма бактерий: интенсивность обмена веществ, разнообразие типов метаболизма, метаболическая пластичность. Питание бактерий. Классификация бактерий по типам питания. Понятие об аутотрофах, гетеротрофах, сапрофитах, абсолютных и факультативных паразитах, прототрофах, ауксотрофах.

Метаболизм (обмен веществ) — это совокупность биохимических

реакций, протекающих в микробной клетке и направленных на построение ее компонентов и обеспечение ее энергией. Клеточный метаболизм состоит их двух потоков реакций, тесно связанных между собой и лротекающих одновременно: энергетического и конструктивного.

Конструктивный метаболизмом (анаболизмом) — называют поток реакций, направленный на построение вещества клетки (биосинтез) из мелких и простых молекул, в том числе и из поступивших извне с использованием запасенной энергии.

Энергетический метаболизм (катаболизм) — это поток реакций, сопровождаюициися распадом крупных молекул на более мелкие с выделением энергии и запасанием получаемой энергии в форме макроэргических молекул — АТФ, АДФ. ЦТФ (цитидинтрифосфат). УТФ

(уридинтрифосфат) и других, главными из них являются АТФ, которые в дальнейшем расходуются для биосинтеза, для активного движения. осморегуляции и других энергозатратных процессов.

Основными способами получения энергии для большинства микробных клеток являются дыхание (окислительное фосфорилирование) и брожение (субстратное фосфорилирование). При этом в обоих случаях происходит перенос фосфорильной группы от фосфорной кислоты на АДФ с образованием АТФ.

Дыхание по энергетической эффективности во много раз превосходит брожение. В процессе дыхания при полном окислении одной молекулы глюкозы образуется 38 молекул АТФ, А, например, при молочнокислом брожении одна молекула глюкозы даст только 2 молекулы АТФ.

Типы питания. Микроорганизмы нуждаются в углеводе, азоте, сере, фосфоре, калии и других элементах. В зависимости от источников углерода для питания бактерии делятся на аутотрофы, использующие для построения своих клеток диоксид углерода С02 и другие неорганические соединения, и гетеротрофы, 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. parasitos — 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.

3) Физиология бактерий: рост и размножение. Пути реализации генетической информации у бактерий (особенности процессов репликации; биосинтез белка, как реализация первичной генетической информации).

Жизнедеятельность бактерий характеризуется ростом — формированием структурно-функциональных компонентов клетки и увеличением самой бактериальной клетки, а также размножением — самовоспроизведением, приводящим к увеличению количества бактериальных клеток в популяции.

Бактерии размножаются путем бинарного деления пополам, реже путем почкования. Актиномицеты, как и грибы, могут размножаться спорами. Актиномицеты, являясь ветвящимися бактериями, размножаются путем фрагментации нитевидных клеток.

Рост – это согласованное увеличение всех компонентов клетки. Результатом роста является размножение бактерий.

Размножение бактерий – увеличение числа бактерий, популяции. В процессе роста бактериальная клетка увеличивается в 2-3 раза, она интенсивно окрашивается и накапливается РНК. В благоприятных условиях рост заканчивается размножением. У бактерий размножение происходит делением пополам – бинарное деление. Это основной способ размножения у бактерий.

Размножение бактерий. Начинается с репликации — удвоения генома, а затем происходит деление. У бактерий вегетативная репликация т.е. информация передается от родительской клетки к дочерней.

У бактерий репликация саморегулируемая, так в геноме имеются гены, ответственные за репликацию, т.е. саморегулиремый процесс.

Репликация носит полуконсервативный характер. То есть дочерние клетки получают равномерно распределяющийся генетический материал. Репликация начинается с определенной точки – локус ДНК. От этой точки происходит раскручивание нитей ДНК, образуется репликационная вилка, синтезируется SSB белок, который препятствует повторному скручиванию нитей. Процесс осуществляется ДНК полимеразой, которая способна присоединять комплиментарные нуклеотиды к свободному 3”концу. Синтез комплиментарных участков запускается заправкой праймером. Это участок РНК, комплиментарный матричной ДНК и у праймера имеется свободный 3’ конец. Заправка праймером запускает синтез ДНК, на матрице строятся фрагменты ДНК(оказаки), которые сшиваются в единую нить ДНКлигазами. В бактериальной клетке образуются 2 идентичные нити ДНК, которые растаскиваются по полюсам клетки и после репликации запускается деление бактерий. Оно начинается с удлинения цитоплазматической мембраны, она удлиняется, формируется межклеточная перегородка по экватору, по которой бактерия бинарно делится и образуются 2 идентичные дочерние клетки

studfiles.net

Способы питания и поступления в клетку различных веществ — МегаЛекции