11: Mikrobiális táplálkozás

Közreműködött: Linda Bruslind
II. Vezető oktató és vezető tanácsadó (mikrobiológia) az Oregoni Állami Egyetemen
Forrás: Open Oregon State

Minden mikrobának három dologra van szüksége: szénre, energiára és elektronokra. Ezen elemek mindegyikéhez külön kifejezések társulnak, amelyek segítenek meghatározni az organizmusokat.

Először koncentráljunk a szénre. Valamennyi szervezet szénalapú, makromolekulák - fehérjék, szénhidrátok, lipidek, nukleinsavak -, amelyek alapvető szénatomot tartalmaznak. Egyrészt az organizmusok redukált, előre elkészített szerves anyagokat használhatnak szénforrásként. Ezek a heterotrófok vagy „más evők”. Alternatív megoldásként támaszkodhatnak a szén-dioxidra (CO2), mint szénforrásra, redukálva vagy „rögzítve” a szén ezen szervetlen formáját szerves molekulává. Ezek a autotrófok vagy „önellátók”.

Az energia szempontjából két lehetőség is létezik: fényenergia vagy kémiai energia. A fényenergia a napból származik, míg a kémiai energia szerves vagy szervetlen vegyi anyagokból származhat. Azokat a szervezeteket, amelyek fényenergiát használnak, ún fototrófok („Könnyűevők”), míg azokat, amelyek kémiai energiát használnak, ún kemotrófok („Vegyszerfogyasztók”). A kémiai energia szervetlen vagy szerves forrásokból származhat. Szervetlen forrásokat használó szervezet a litotróf („Sziklafaló”), míg a szerves forrásokat használó szervezetet an-nak nevezzük organotróf („Bioevő”).

Ezek a kifejezések mind kombinálhatók, hogy egyetlen kifejezést kapjanak, amely képet ad arról, hogy egy szervezet mit használ az alapvető energia-, elektron- és szénigények kielégítésére.

Makrotápanyagok

A szén, hidrogén és oxigén mellett a sejteknek néhány további elemre van szükségük elegendő mennyiségben. A sejteknek különösen nitrogénre van szükségük a fehérjék, a nukleinsavak és néhány más sejtkomponens képződéséhez. A sejteknek foszforra is szükségük van, amely a nukleinsavak (gondoljunk csak a cukor-foszfát gerincre!), A foszfolipidek és az adenozin-trifoszfát vagy az ATP kulcsfontosságú eleme. A kén néhány aminosavhoz, valamint több vitaminhoz szükséges, míg az enzimekhez kálium, a riboszómák és a membrán stabilizálásához a magnéziumot használják. Ezeket az elemeket (beleértve a C, H és O-t) együttesen ezekre az elemekre nevezzük makrotápanyagok.

Növekedési tényezők

Egyes mikrobák bizonyos szerves molekulákat szintetizálhatnak, amelyekre szükségük van a semmiből, amennyiben szénforrással és szervetlen sókkal vannak ellátva. Más mikrobák megkövetelik, hogy bizonyos szerves vegyületek létezzenek a környezetükben. Ezeket a növekedéshez elengedhetetlen szerves molekulákat ún növekedési tényezők és három kategóriába sorolhatók: 1) aminosavak (fehérje építőkövei), 2) purinok és pirimidinek (nukleinsav építőkövei) és 3) vitaminok (enzim-kofaktorok).

Tápanyagok felvétele

Tevékenységének támogatása érdekében a sejteknek a sejtmembránon át be kell vinniük a tápanyagokat a külső környezetből. A baktériumokban és az archeákban többféle transzportmechanizmus létezik.

Passzív diffúzió

Passzív vagy egyszerű diffúzió lehetővé teszi egyszerű molekulák és gázok, például CO2, O2 és H2O sejtmembránon való áthaladását. Ebben az esetben koncentrációgradiensnek kell léteznie, ahol az anyagnak a sejten kívül nagyobb koncentrációja van, mint a sejtben. Amint az anyag több része a sejtbe kerül, a koncentráció gradiens csökken, lassítva a diffúzió sebességét.

Megkönnyített diffúzió

Könnyített diffúzió koncentrációgradiens alkalmazását is magában foglalja, ahol az anyag koncentrációja magasabb a sejten kívül, de eltér a hordozó fehérjék (néha hívják permeazok). Ezek a fehérjék a sejtmembránba ágyazódnak, és csatornát vagy pórust biztosítanak a membrángáton, lehetővé téve nagyobb molekulák átjutását. Ha a koncentrációgradiens szétoszlik, a molekulák átjutása a sejtbe leáll. Minden hordozófehérje jellemzően specifitást mutat, csak egy adott típusú molekulában vagy szorosan rokon molekulákban szállítódik.

Aktiv szállitás

A tápanyagok felvételének számos típusa megköveteli, hogy a sejt képes legyen anyagokat szállítani egy koncentrációgradienssel szemben (vagyis nagyobb koncentrációval a sejt belsejében, mint azon kívül). Ehhez egy sejtnek metabolikus energiát kell felhasználnia az anyag szállításához a membránba ágyazott hordozófehérjéken keresztül. Ezt nevezik aktiv szállitás. Az aktív transzport minden típusa hordozófehérjéket használ.

Aktív közlekedés és a diffúzió elősegítése.

Elsődleges aktív szállítás

Elsődleges aktív szállítás vegyi energia, például ATP felhasználásával jár a közlekedés irányításához. Az egyik példa a ABC rendszer, amely hasznosítja ATP-kötő kazettás transzporterek. Minden egyes ABC transzporter három különböző komponensből áll: 1) membránt átívelő fehérjék, amelyek pórust képeznek a sejtmembránon (azaz hordozófehérje), 2) ATP-kötő régió, amely hidrolizálja az ATP-t, energiát biztosítva a membránon való áthaladáshoz, és 3) szubsztrátkötő fehérje, perifériás fehérje, amely kötődik a megfelelő anyaghoz, amelyet szállítani kell, és eljuttatja a membránt átívelő fehérjékhez. Gram-negatív baktériumoknál a szubsztrátkötő fehérje a sejt periplazmájában található, míg gram-pozitív baktériumoknál a szubsztrátkötő fehérje a sejtmembrán külsejéhez kapcsolódik.

ABC szállítószerkezet.

Másodlagos aktív szállítás

Másodlagos aktív szállítás felhasználja az a proton mozgatóerő (PMF). A PMF olyan iongradiens, amely akkor fejlődik ki, amikor a sejt elektronokat szállít energiatakarékossági folyamatok során. Pozitívan töltött protonok halmozódnak fel a negatív töltésű sejt külseje mentén, protongradientumot hozva létre a sejt külseje és a belső része között.

Három különböző típusú közlekedési esemény létezik az egyszerű szállításhoz: uniport, symport, és antiport és mindegyik mechanizmus más-más fehérjét használ fel hordár. Uniporters egyetlen anyagot szállítson át a membránon, be vagy ki. Symporters két anyagot szállít át egyszerre a membránon, jellemzően egy protont párosítva egy másik molekulával. Antiporterek két anyagot is szállítson át a membránon, de ellentétes irányban. Amint az egyik anyag bejut a sejtbe, a másik anyag szállul ki.

Uniport Synport Antiport. Írta: Lupask (Saját munka) [Közkincs], a Wikimedia Commons-on keresztül

Csoportos áthelyezés

Csoportos áthelyezés az aktív transzport különféle típusa, olyan energiában gazdag szerves vegyület energiáját használja fel, amely nem ATP. A csoportos transzlokáció abban is különbözik az egyszerű szállítástól és az ABC transzporterektől, hogy a szállított anyag a folyamat során kémiailag módosul.

A csoportos transzlokáció egyik legjobban vizsgált példája a foszfoenol-piruvát: cukor-foszfotranszferáz rendszer (PTS), amely a nagy energiájú molekula energiáját használja fel foszfoenol-piruvát (PEP) hogy a cukrokat a sejtbe szállítsa. A foszfát a szállítási folyamat során a PEP-ből a bejövő cukorba kerül.

Csoportos transzlokáció PTS-n keresztül.

Vasfelvétel

A vasra a mikrobáknak szüksége van citokrómjaik és enzimjeik működéséhez, aminek következtében növekedést korlátozó mikrotápanyag. Azonban kevés szabad vas áll rendelkezésre környezetekben, oldhatatlansága miatt. Sok baktérium fejlődött szideroforok, szerves molekulák, amelyek nagy affinitással kelátot képeznek vagy kötnek vasvasat. A szideroforokat a szervezet felszabadítja a környező környezetbe, ezáltal megkötik az összes rendelkezésre álló vasat. A vas-sziderofor komplexet ezután egy specifikus receptor köti a sejt külsejére, lehetővé téve a vas szállítását a sejtbe.

Szideroforok és receptorhelyek.

Kulcsszavak

heterotroph, autotróf, phototroph, chemotroph, lithotroph, organotroph, photolithoautotroph, photoorganoheterotroph, chemoorganoheterotroph, chemolithoautotroph, chemolithoheterotroph, makrotápanyagok, növekedési faktorok, a passzív/egyszerű diffúzió, könnyített diffúzió hordozó protein/permeáz, aktív transzport, elsődleges aktív transzport, ABC rendszer, ATP-kötő kazettás transzporter, ABC transzporter, másodlagos aktív transzport, proton-mozgató erő (PMF), uniport, symport, antiport, portás, uniporter, symporter, antiporter, csoportos transzlokáció, foszfoenol-piruvát: cukorfoszfotranszferáz rendszer (PTS), foszfoenol-piruvát (PEP), siderophore.