И их роль в обмене веществ

Ферменты (энзимы) — это белки, выполняющие функцию биокатализаторов, которые синтезируются в клетках микроорганизмов. Некоторые ферменты относятся к простым белкам (протеины), другие — к сложным белкам (протеиды). Протеиды являются двухкомпонентными ферментами, состоящими из белка и небелковой части различной химической природы. В состав небелковой части могут входить витамины (В_ь В₂, РР), металлы (Ре, Си, М§, Со и др.), липи-ды, углеводы и т. д. Белковая часть определяет специфические свойства фермента. Небелковая группа определяет, как правило, каталитическую активность фермента.

Поскольку ферменты являются белками, то одним из важнейших условий, определяющих активность фермента, является температура. По мере возрастания ее до определенного предела возрастает скорость ферментативной реакции, но затем скорость падает, фермент перестает действовать.

Отимальная температура для проявления максимальной активности разных ферментов различна. Ферменты, выделен­ные из психрофильных (холодолюбивых) микроорганизмов,, активны при низких положительных температурах в пределах 5—7°С; у мезофилъных (среднетеплолюбивых) микроорганиз­мов максимальная ферментативная активность в пределах 35—37 °С, у термофильных (теплолюбивых) — 50—60 °С. Нагре­вание до 80—100 °С необратимо инактивирует фермент из-за денатурации белка. При температуре около нуля и ниже ферментативная активность замедляется и в большинстве случаев приостанавливается.

На активность фермента оказывает большое влияние рН среды, поскольку при различных значениях рН меняются его» свойства. Например, у бактерий, растущих в кислой среде, максимум активности наблюдается при рН 4, 8; растущих при нейтральном значении рН максимум активности отмечается при рН 7, 2. Другие факторы внешней среды (воздействие химических веществ среды, лучистая энергия и др.) также оказывают влияние на активность ферментов. Физиологические

Рис. 20. Схема взаимодействия фермента с субстратом

процессы, протекающие в клетках микроорганизмов, почти полностью зависят от активности ферментов, поэтому любой фактор, действующий на фермент, будет воздействовать и на жизнедеятельность микроорганизма.

Ферменты обладают высокой активностью — ничтожные количества фермента обеспечивают значительную скорость реакций и вызывают превращение больших количеств субстрата. Так, молекула каталазы разрушает в минуту 5 млн молекул пероксида водорода, а 1 г амилазы при благоприятных условиях превращает в сахар 1 т крахмала.

В отличие от неорганических катализаторов ферменты обладают характерной особенностью — ярко выраженной субстратной специфичностью. Это выражается в том, что каждый фермент действует только на определенный субстрат. Например, амилаза вызывает расщепление только крахмала, лактаза — молочного сахара, целлюлаза — целлюлозы и т. д., а на другие углеводы каждый из этих ферментов воздействовать не, может. Специфичность ферментов определяется структурой молекул фермента и субстрата, которые подходят друг к другу, как ключ к замку.

Взаимодействие фермента и субстрата начинается со свя­зывания субстрата с белковой частью фермента. Образуется неустойчивый комплекс фермент —субстрат. По окончании реакции, катализируемой данным ферментом, этот комплекс распадается, фермент и конечные продукты реакции освобож­даются (рис. 20). В клетках микроорганизмов содержится большое количество ферментов, которые локализованы на различных клеточных структурах (митохондриях, цитоплазмати-ческой мембране и др.).

Ферменты бывают конститутивные, являющиеся постоянной составной частью клеток, и адаптивные, вырабатываемые клеткой только при изменившихся условиях жизни. Во втором слу­чае микроорганизм синтезирует фермент, который ранее не продуцировал (вырабатывал).

По характеру действия ферменты подразделяются на экзо-ферменты, которые выделяются клеткой во внешнюю среду, и эндоферменты, которые прочно связаны с внутренними структурами клетки и действуют внутри нее. И те, и другие играют важную роль в жизнедеятельности микроорганизмов.

По типу важнейших биохимических процессов, катализируемых ферментами, они делятся на шесть классов:

I. Оксидоредуктазы (окислительно-восстановительные ферменты), которые играют большую роль в процессах броже­ния и дыхания микроорганизмов, т. е. в энергетическом обмене. К ним относятся дегидрогеназы, цитохромная система, участвующие в переносе водорода и электронов, и многие другие. Это двухкомпонентные ферменты, по характеру действия относятся к эндоферментам.

II. Трансферазы (ферменты переноса), катализирующие перенос атомных группировок от одних соединений на дру­гие. Трансферазы —двухкомпонентные ферменты, эндоферменты. Среди них есть ферменты, которые переносят остатки фосфорной кислоты — фосфотрансферазы. К ним относится
гексокиназа, которая на первом этапе брожения и дыхания катализирует перенос остатка фосфорной кислоты от АТФ — богатого энергией соединения — на глюкозу. Другие фосфотрансферазы осуществляют фосфорилирование пировиноградной кислоты — промежуточного продукта брожения и дыхания — и других соединений. Следовательно, эти ферменты участвуют в энергетическом обмене микроорганизмов и благодаря им происходит передача большого количества энергии от АТФ глюкозе и пировиноградной кислоте.

В конструктивном обмене участвуют аминотрансферазы, которые переносят аминогруппы (NН₂) с аминокислот на кетокислоты и при этом образуются другие аминокислоты, необходимые для биосинтеза белков микробной клеткой,

III. Гидролазы (гидролитические ферменты)—это обширная группа ферментов, в основном однокомпонентных. Они катализируют реакции расщепления сложных соединений (белки, жиры и углеводы) с обязательным участием воды. К ним относятся протеазы, расщепляющие белки и полипептиды до аминокислот; липазы, вызывающие гидролиз жиров до глице­рина и высших жирных кислот; ферменты, расщепляющие ди- и полисахариды: мальтаза, расщепляющая мальтозу (солодовый сахар) на две молекулы глюкозы, сахараза, расщеп ляющая сахарозу на глюкозу и фруктозу, лактаза, расщепляющая лактозу (молочный сахар) на галактозу и глюкозу. К гидролазам, расщепляющим полисахариды, относятся амилаза (гидролизует крахмал), целлюлаза (гидролизует целлюлозу), пектиназа (гидролизует пектиновые вещества) и др.

Гидролазы играют очень важную роль в обмене веществ микроорганизмов. По характеру действия они относятся к экзо-ферментам, выделяются клеткой во внешнюю среду и участ­вуют в расщеплении высокомолекулярных соединений вне клетки, тех, которые не способны проникнуть в клетку из-за малой величины пор в клеточной стенке и цитоплазматической мембране (белки, жиры, полисахариды и др.). Образовавшиеся в результате гидролиза низкомолекулярные вещества из внешней питательной среды могут проникать в клетку и затем под­вергаться различным превращениям в ходе конструктивного и энергетического обменов.

IV. Лиазы включают двухкомпонентные ферменты, отщепляющие от субстратов определенные группы (С0₂, Н₂0, 1 \1Н₃ и т. д.) негидролитическим путем (без участия воды). Например, фермент пируватдекарбоксилаза осуществляет отщепление С0₂ от пировиноградной кислоты и образуется уксусный альдегид. Этот фермент играет очень важную роль в процессах брожения и дыхания микроорганизмов, т. е. в энергетическом обмене. Ферментативному декарбоксилированию могут также подвергаться и аминокислоты, в результате чего от них отщепляется С0₂ и образуются амины, многие из которых обладают ядовитым действием. Такие декарбоксилазы имеют гнилостные бактерии, вызывающие гниение белковых веществ. К декарбоксилазам относится и фермент альдолаза, играющий важную роль на начальных этапах процессов брожения и дыхания (энергетический обмен).

V. Изомеразы — это ферменты, катализирующие обра­тимые превращения органических соединений в их изомеры. Изомеризации подвергаются углеводы и их производные, орга­нические кислоты, аминокислоты и т. д. Ферменты этой группы играют большую роль в процессах брожения и дыхания микро­организмов. К этой группе относятся триозофосфатизомераза, глюкофосфатизомераза и др.

VI. Лигазы (синтетазы) —это ферменты, катализирующие синтез сложных органических соединений из более простых. На­пример, аспарагинсинтетаза катализирует синтез амида аспа-рагина из аспарагиновой кислоты и гШ₃ с участием молекул АТФ, обеспечивающей этот синтез энергией. Карбоксилазы ка­тализируют присоединение С0₂ к различным органическим кислотам при участии АТФ и т. д. Лигазы играют большую роль в углеводном и азотном обмене микроорганизмов (конструктивный обмен).