Поступление веществ в клетку регулируется цитоплазматической мембраной, которая является основным осмотическим барьером. Капсулы и слизистые слои в силу рыхлости своей структуры не оказывают сдерживающего действия на прохождение в клетку большинства веществ. Клеточная стенка по сравнению с ними - более сильный барьер, но главным образом для макромолекул. Установлено, что клеточные стенки грамположительных бактерий непроницаемы для декстранов с молекулярным весом 103. Кроме того, клеточные стенки некоторых микроорганизмов обладают избирательной проницаемостью и в отношении ряда низкомолекулярных соединений. Это обусловлено тем, что входящие в состав стенок отрицательно заряженные гликопептиды и тейхоевые кислоты могут действовать как ионообменники, регулируя прохождение через стенку положительно заряженных ионов.
Но основную ответственность за избирательное поступление веществ в клетку несет цитоплазматическая мембрана. Известно несколько путей переноса питательных веществ через цитоплазматическую мембрану. Одни из веществ диффундируют через мембранную перегородку по градиенту концентрации - пассивная диффузия. Главной движущей силой такого переноса является разность концентраций вещества по обе стороны мембраны, т. е. в среде и цитоплазме клетки. Однако путем пассивной диффузии в клетку поступает преимущественно вода. Большинство растворенных веществ проходит через мембрану благодаря действию специальной системы переноса, включающей белки-переносчики - пермеазы.
Пермеазы - это субстратспецифичные мембранные белки. Например, пермеаза для лактозы у Е. coli - одиночная полипептидная цепь, относится к интегральным мембранным белкам. Пермеазы локализованы в цитоплазматической мембране и составляют значительную часть мембранного белка. Об этом можно судить по тому, что в мембране у Е. coli насчитывается до 8000 участков, в которых содержатся пермеазы, переносящие галактозу.
Пермеазы связывают молекулы растворенных веществ из внешней поверхности мембраны и переносят их к внутренней, откуда эти вещества высвобождаются в цитоплазму. В основе переноса веществ через цитоплазматическую мембрану, т. е. на расстояние более 7,5 нм (толщина мембраны), лежит изменение формы пермеазного белка (конформационное изменение), вызванное присоединением переносимого вещества.
С участием пермеаз осуществляется два типа переноса веществ: облегченная диффузия - по градиенту концентрации, т. е. от большей концентрации к меньшей, и активный транспорт - против градиента концентрации, т. е. от меньшей концентрации к большей.
Облегченная диффузия отличается от пассивной тем, что она осуществляется при помощи пермеаз, но без затрат энергии. Скорость ее зависит от концентрации вещества во внешней среде. Активный перенос в отличие от облегченной диффузии всегда сопровождается расходованием энергии. Это энергозависимый процесс. На перенос каждой молекулы субстрата затрачивается энергия, эквивалентная молекуле АТФ.
Описанными способами в клетку поступают вещества в химически неизмененном виде. Но у многих бактерий транспорт углеводов, оснований, жирных кислот осуществляется путем сопряжения их поступления в клетку с фосфорилированием. Например, глюкоза перед поступлением в клетку фосфор ил ируется и превращается в глюкозо-6-фосфат, т. е. происходит химическая модификация молекулы. Образующаяся глюкозо-6-фосфат переносится в цитоплазму. Такой способ переноса, который сопряжен с превращением субстрата в его производное, называется процессом транслокации групп. Транслокация сахаров осуществляется фосфотрансферазной системой, особенность которой состоит в том, что донором фосфатной группы является фосфоенолпируват, а не АТФ.
Источником энергии для активного транспорта служит электрохимическая энергия трансмембранного потенциала (А// +),
или протонный градиент, который генерируется потоком электронов в дыхательной цепи.
Система транслокации функционирует у большинства факультативно аэробных бактерий, но отсутствует у некоторых бактерий с чисто дыхательным типом метаболизма, как, например, у аэробных псевдомонад. У них преобладает активный транспорт углеводов в клетку.
Необходимым условием поступления веществ в клетку является их растворимость в воде. Микробная клетка может потреблять только те вещества, которые находятся в растворенном виде. Однако имеется ряд органических веществ, которые или совсем не растворяются в воде или дают коллоидные растворы (белки, жиры, полисахариды). В то же время эти вещества необходимы для питания большинства бактерий. Поэтому прежде чем использовать их как питательные субстраты, бактерии при помощи экзоферментов производят предварительный гидролиз их до более простых и растворимых соединений. Например, крахмал расщепляется ферментом амилазой до мальтозы; белковые вещества под действием протеаз расщепляются до аминокислот; липиды расщепляются липазой до глицерина и жирных кислот. Получающиеся в результате гидролиза вещества обладают меньшими размерами молекул, растворимы в воде и легко поступают в цитоплазму клетки.
Поступление минеральных солей в клетку зависит от степени диссоциации их на ионы, от pH среды, заряда цитоплазматической мембраны. В клетку легче проникают вещества, имеющие заряд, противоположный заряду коллоидных мицелл цитоплазматической мембраны. В основе этого явления лежит закон взаимодействия электрических зарядов, согласно которому одноименные заряды отталкиваются, разноименные - притягиваются. Если цитоплазматическая мембрана имеет положительный заряд, то в клетку легче проникают ионы с отрицательным зарядом.
Среди питательных веществ для микроорганизмов в зависимости от выполняемых функций различают вещества как источники энергии и как строительные блоки, или как конструктивные материалы. В первую группу входят те соединения, которые в окислительно-восстановительных реакциях образуют
АТФ. Это углеводы, спирты и другие подобного рода соединения. Ко второй группе относятся вещества, идущие на синтез клеточных компонентов. Это аминокислоты, белки и их комплексы с липидами, полисахаридами, нуклеотидами. Некоторые из указанных веществ обладают двойной функцией. Например, глюкоза используется клеткой главным образом как источник энергии, но в то же время она может служить источником углерода и гидроксильных групп для построения углеродосодержащих компонентов клетки. Аминокислоты идут преимущественно на синтез белка и вместе с тем являются источником энергии.