Příjem živin bakteriální buňkou

Úvod

Díky nepatrné velikosti bakteriální buňky je zde velký poměr povrchu buňky k jejímu objemu, tedy velká plocha pro kontakt buňky s vnějším prostředím a díky tomu i vysoká rychlost výměny molekul mezi buňkou a prostředím a vysoká rychlost metabolismu.

Oboustranný transport látek je realizován skrz semipermeabilní cytoplasmatickou membránu, která tvoří osmotické rozhraní mezi bakteriální buňkou a vnějším prostředím. Transportní mechanismy prokaryot se nijak zásadně neliší od transportu probíhajícího v eukaryotních buňkách.

U bakterií rozlišujeme dva základní typy transportu – nespecifický a specifický.

(zdroj: http://www.earlychildren.com/transportation-clipart.html)

Nespecifický transport

Nespecifickým způsobem je prostá difuze, kdy jemnými póry cytoplasmatické membrány volně prostupují molekuly vody a některých nízkomolekulárních látek. Jedná se zejména o hydrofilní molekuly bez elektrického náboje – nedisociované slabé kyseliny a zásady, ethanol, lineární monosacharidy, atd. Volná difuze vody cytoplasmatickou membránou je poměrně rychlá, její intenzita stoupá v prostředí o vyšším osmotickém tlaku, kdy dochází ke ztrátám vnitrobuněčné vody.

V omezené míře mohou lipidovou částí membrány volně procházet i některé molekuly rozpustné v tucích (lipofilní látky či sloučeniny s lipofilní složkou jako jsou povrchově aktivní látky) či látky rozpouštějící lipidy (např. aceton, diethylether). Ve vyšších koncentracích však mohou povrchově aktivní látky a rozpouštědla tuků způsobit poškození cytoplasmatické membrány a smrt buňky.

Specifický transport

Specifický přenos látek je realizován pomocí různě specifických bílkovinných přenašečů, může být pasivní (bez spotřeby energie) nebo aktivní (vyžaduje vynaložení energie).

V bakteriální buňce probíhají následující typy specifického transportu látek – pasivní transport, aktivní transport a transport spojený s přeměnou transportované látky.

Podle stechiometrie transportního systému rozeznáváme uniport (přenos jedné látky), symport (přenos dvou látek, obě jsou transportovány stejným směrem) a antiport (přenos dvou látek, které jsou transportovány opačným směrem). Řada substrátů může být transportována více než jedním způsobem, např. E. coli má nejméně pět transportních systémů pro galaktosu, tři pro glutamát či leucin a dva pro ionty draslíku.

Stechiometrie aktivního transportu

(upraveno podle: MEHROTRA, R.S., SUMBALI, G. Principles of Microbiology. 1^st ed. New Delhi, India: Tata McGraw-Hill Education. 2009. 924 p.)

Pasivní transport

Pasivní transport neboli usnadněná difuze je přenos uskutečňovaný po směru koncentračního spádu bez spotřeby energie. K transportu je využíván specifický přenašeč, se kterým je daná molekula transportována rychleji, než kdyby pronikala cytoplasmatickou membránou sama (např. transport glycerolu u E. coli).

U bakterií není tento typ příliš častý, typičtější je pro eukaryotické buňky (např. transport monosacharidů u kvasinek).

Při pasivním transportu je v daném okamžiku přenášena pouze jedna molekula – uniport transport.

Schéma usnadněné difuze

(upraveno podle: MEHROTRA, R.S., SUMBALI, G. Principles of Microbiology. 1^st ed. New Delhi, India: Tata McGraw-Hill Education. 2009. 924 p.)

Aktivní transport

Přenašečem je při aktivním transportu integrální bílkovina cytoplasmatické membrány, která spřaženě transportuje ionty po koncentračním spádu a živiny proti koncentračnímu spádu. Může se jednat o symport nebo antiport.

Tímto způsobem je u bakterií transportována řada živin (anorganické ionty, oligosacharidy, aminokyseliny, puriny, pyrimidiny, vitamíny).

Nezbytná energie pro transport je získána buď z ATP činností membránové ATPasy (primární aktivní transport) nebo ji dodává protonový gradient (sekundární aktivní transport).

Zvláštním typem je aktivní transport zprostředkovaný vazebným proteinem, při kterém se uplatňují vysokoafinitní proteiny vyskytující se v periplasmatickém prostoru. Tyto proteiny na sebe váží transportovanou molekulu a přenáší ji k integrálnímu proteinu, který ji proti koncentračnímu gradientu přenese do cytoplasmy. Zdrojem energie je ATP.

Transport spojený s přeměnou transportované molekuly

Někdy je tento způsob označovaný také jako skupinová translokace. Transportní membránový protein současně katalyzuje chemickou přeměnu transportované molekuly.

Typickým příkladem je fosfotransferázový systém fakultativně anaerobních a anaerobních bakterií umožňující přenos monosacharidů, disacharidů a alkoholických cukrů. Přenášené cukry jsou fosforylovány, donorem fosfátu a energie je fosfoenolpyruvát. Fosfor je přenášen postupně přes čtyři různé bílkoviny až na transportovaný cukr. První dvě bílkoviny (enzym I a HPr) se vyskytují volně v cytoplasmě bakterie a jsou nespecifické, druhé dvě (enzym II a enzym III) jsou periferní proteiny vázáné na cytoplasmatickou membránu, jsou indukovatelné a specifické pro určitý cukr. Fosfotransferázový systém je velmi účinný, pro transport a fosforylaci jedné molekuly glukosy je zapotřebí pouze 1 molekula ATP.

Příjem vysokomolekulárních látek

Bakteriální buňky mohou přijímat i vysokomolekulární látky – peptidy, některé bílkoviny (např. bakteriociny), fágovou či volnou bakteriální DNA. Přesný mechanismus tohoto procesu není znám, předpokládá se přítomnost receptorů pro externí bílkoviny. Po jejich obsazení danou bílkovinou dochází zřejmě k lokální změně permeability cytoplasmatické membrány.

Při příjmu extracelulární DNA dochází nejprve k její adsorpci na bílkovinné receptory cytoplasmatické membrány a poté následuje její vtažení do buňky. Celý proces je energeticky velmi náročný.

Pinocytóza, typická pro eukaryotní buňky, se u bakterií nevyskytuje. Setkáváme se s ní pouze u mikrobiálních eukaryot, např. kvasinek. Pro pinocytózu je typická tvorba výchlipky cytoplasmatické membrány, která vytvoří kolem externí molekuly měchýřek, jenž je následně vyprázdněn dovnitř buňky. Stejným způsobem probíhá i exkrece vysokomolekulárních látek z buňky.

Mechanismus vstupu antimikrobiálních látek

Protože je pro řadu látek cytoplasmatická membrána bakteriální buňky nepropustná, mechanismus vstupu antimikrobiálních látek je závislý na jejich chemické struktuře.

Slabé kyseliny mohou do buňky vstupovat prostou difuzí, analogy dusíkatých bazí, aminokyselin a vitamínů využívají stávající transportní systémy příbuzných chemických látek (tj. purinů, pyrimidinů, aminokyselin a vitamínů).

Řada antimikrobiálních látek působí přímo na obaly bakteriální buňky – poškozují buněčnou stěnu či její syntézu (např. peniciliny) nebo poškozují cytoplasmatickou membránu a negativně ovlivňují její funkci (polypeptidy, formaldehyd, silná oxidační činidla, rozpouštědla tuků, atd.).

Exkrece látek z buňky

Pro bakteriální buňku je typický velmi aktivní katabolismus, jehož výsledkem je velké množství odpadních produktů. Řada látek opouští buňku prostou difuzí (např. CO₂, ethanol a vyšší alkoholy), mechanismus vylučování dalších látek (organické kyseliny, aminokyseliny, atd.) není dosud přesně objasněn.

Pro řadu potravinářsky významných bakterií je důležitá exkrece extracelulárních hydrolytických enzymů jako jsou např. proteinasy, amylasy, celulasy či lipasy. Polypeptidové podjednotky těchto enzymů jsou syntetizovány na ribosomech a prochází cytoplasmatickou membránou. K jejich spojení do funkčních makromolekul dochází pravděpodobně buď v periplasmatickém prostoru nebo až po jejich průchodu póry buněčné stěny.

Podobný mechanismus se nachází také u sacharolytických kvasinek. Mimo to dochází u kvasinek a plísní k vylučování některých vysokomolekulárních látek do periplasmatického prostoru pomocí Golgiho aparátu, příp. i pinocytózou.