Поглощение и транспорт питательных веществ бактериями

Поглощение питательных веществ бактериями — это процесс, посредством которого клетки перемещают ионы, сахара, аминокислоты и другие растворенные вещества через клеточную оболочку, преодолевая барьер мембраны. Поскольку цитоплазматическая мембрана в значительной степени непроницаема для полярных и заряженных молекул, бактерии полагаются на специфические транспортные системы, включая каналы, вторичные транспортеры, АТФ-зависимые насосы и системы групповой транслокации, для концентрирования необходимых им питательных веществ.

Definition

Биологический транспорт у бактерий — это перемещение растворенных веществ через клеточную оболочку, опосредованное мембранными белками; он включает пассивную диффузию, облегченную диффузию, активный транспорт, энергетически обеспечиваемый АТФ или ионными градиентами, и групповую транслокацию, которая химически модифицирует субстрат во время поглощения.

Scope

Эта тема охватывает основные классы бактериального транспорта: пассивную и облегченную диффузию, первичный активный транспорт (такой как ABC-транспортеры), вторичный активный транспорт, движимый ионными градиентами, и групповую транслокацию посредством фосфотрансферазной системы, а также роль проницаемости внешней мембраны у грамотрицательных бактерий. Это справочная тема по микробной физиологии, не содержащая клинических инструкций.

Core questions

• Как бактерии перемещают питательные вещества через непроницаемую мембрану?
• Что отличает активный транспорт от пассивной и облегченной диффузии?
• Как фосфотрансферазная система связывает поглощение с фосфорилированием?
• Как внешняя мембрана грамотрицательных бактерий ограничивает и отбирает то, что попадает в клетку?

Key concepts

• Пассивная и облегченная диффузия
• Первичный активный транспорт и ABC-транспортеры
• Вторичный активный транспорт (симпорт и антипорт)
• Протонная движущая сила как движущая сила
• Групповая транслокация и фосфотрансферазная система (ФТС)
• Порины внешней мембраны и избирательная проницаемость
• Сидерофор-опосредованное поглощение железа

Mechanisms

Малые незаряженные молекулы могут пересекать мембрану путем диффузии, но большинство питательных веществ требуют специализированных транспортеров. Первичные активные транспортеры, такие как ABC-системы, гидролизуют АТФ для перекачивания растворенных веществ против градиента, в то время как вторичные транспортеры связывают движение растворенных веществ с протонной движущей силой или другими ионными градиентами (Madigan et al., 2018; White et al., 2017). При групповой транслокации фосфотрансферазная система фосфорилирует сахара по мере их поступления, одновременно захватывая и активируя их, и та же система участвует в метаболической регуляции (Deutscher et al., 2006). У грамотрицательных бактерий внешняя мембрана образует дополнительный барьер, порины и проницаемость которого определяют, какие молекулы достигают внутренней мембраны (Nikaido & Vaara, 1985).

Clinical relevance

Транспортные системы определяют, как молекулы, включая некоторые антибактериальные агенты, попадают в бактериальную клетку или исключаются из нее, а проницаемость внешней мембраны является одним из факторов внутренней устойчивости грамотрицательных бактерий. Транспорт железа также имеет отношение к тому, как бактерии получают дефицитные питательные вещества от хозяина. Эта тема описывает принципы транспорта для понимания и не является основой для принятия решений о лечении.

History

Понимание бактериального транспорта развивалось благодаря исследованиям двадцатого века о том, как клетки концентрируют питательные вещества, включая открытие фосфотрансферазной системы как пути, который связывает поглощение сахара с фосфорилированием, что позже было показано как центральное для метаболической регуляции (Deutscher et al., 2006). Работа над грамотрицательной оболочкой прояснила, как внешняя мембрана и ее порины регулируют проницаемость и селективность (Nikaido & Vaara, 1985), установив транспорт как ключевой фактор того, что бактерии могут использовать и что может достигать клетки.

Key figures

• Hiroshi Nikaido
• Josef Deutscher
• Pieter Postma

Seminal works

• deutscher-2006
• nikaido-1985

Frequently asked questions

Почему бактериям нужны транспортные системы вместо простой диффузии?

Цитоплазматическая мембрана непроницаема для большинства полярных и заряженных растворенных веществ, а питательные вещества часто присутствуют в низких концентрациях, поэтому бактерии используют специфические транспортеры для избирательного поглощения и концентрирования необходимых им молекул.

Что такое фосфотрансферазная система?

Фосфотрансферазная система — это путь групповой транслокации, который импортирует определенные сахара, одновременно фосфорилируя их, так что сахар химически модифицируется по мере поступления; она также играет широкую роль в регуляции углеводного метаболизма бактерий.