Ферменты

Это специфические катализаторы белковой природы, вырабатываемые клетками и тканями организмов и способные во много раз ускорять течение биохимических и химических реакций, не входя в состав конечных продуктов. Присутствуя во всех живых клетках, играют важную роль в процессах жизнедеятельности, направляя и регулируя обмен веществ.

Использование ферментов в народном хозяйстве основано на их высокой каталитической активности и более высокой по сравнению с небиологическими системами субстратной специфичности.

Источниками ферментов могут быть животные, растения, микроорганизмы. Уже известны более двух тысяч ферментов, многие из которых получены как индивидуальные вещества. Однако особый интерес в качестве продуцентов ферментов представляют микроорганизмы, так как их метаболизм, работа ферментных систем осуществляются с высокой интенсивностью, которая у дрожжей в сотни раз выше, чем в клетках млекопитающих, а у бактерий в тысячи.

Кроме высокой интенсивности метаболических процессов, наблюдается и высокая скорость прироста биомассы микроорганизмов, что позволяет в течение 48…72 часов получить такое количество сырья для выделения ферментов, с которым не смогут сравниться ни животные, ни растительные организмы.

Способность расти на средах, приготовленных из дешевых, не имеющих пищевого значения субстратах (целлюлоза, углеводороды нефти, метан, метанол), некоторые из них токсичны для животных и человека - важное свойство микроорганизмов. Содержание ряда ферментов в микробных клетках может достигать высоких концентраций - 40…60% от всех растворимых белков. Следует отметить тот факт, что многие микроорганизмы образуют ферменты, выделяемые в большом количестве в культуральную среду. Выделение ферментных препаратов из клеток микробов, а особенно из среды выращивания после завершения культивирования, значительно проще и экономичнее, чем из тканей растений или животных. Некоторые ферменты обнаружены только у микроорганизмов: танназа, расщепляющая дигаллат до галловой кислоты; рацемазы большинства аминокислот; кератиназы, гидролизующие серосодержащие белки - кератины; нитрогеназа, участвующая в образовании аммиака из N₂. Наличие у бактерий особых ферментов позволяет им окислять неорганические субстраты: аммиак, нитриты, сульфид и другие соединения серы, двухвалентное железо. В качестве субстратов для роста ряд видов бактерий используют метан, метанол, метилированные амины, окись углерода. Способность некоторых бактерий и водорослей синтезировать гидрогеназы позволяет окислять и выделять молекулярный водород.

Благодаря ферментам, образуемым микроорганизмами, разрушать пластмассы, пестициды, другие ядовитые вещества, возможна очистка окружающей среды от загрязняющих ее веществ.

Способность микробов развиваться в экстремальных условиях часто определяется спецификой их ферментов. Некоторые псевдомонады обнаруживают активный рост при 3-4⁰С, а их ферменты активны при минус 5…10⁰С. Экстремальный термофил Thermus aquaticus обладает ферментами с оптимумом действия при 90⁰С. Ферменты галофильных микроорганизмов для максимальной активности требуют высоких концентраций NaCl. Отмечена уникальность ферментов у ацидо- и алкалофильных микроорганизмов. Aspergillus niger синтезирует две амилазы, одна из которых стабильна при очень низких рН. Некоторые амилазы, наоборот, требуют для активности резко щелочных условий (амилаза Bacillus sp. проявляет максимум активности при рН 10,5 ед.). Известны бактерии, развивающиеся в щелочной среде (рН 9,0 и выше) и образующие ферменты с высоким оптимумом рН.

Большой интерес как продукценты ферментов представляют анаэробные микроорганизмы, так как анаэробы превращают аминокислоты, пурины, пиримидины и другие субстраты иными путями, чем аэробные микроорганизмы, животные и растения. С помощью анаэробов возможно получение этанола, бутанола, метана, ацетата и много других веществ при переработке растительного и другого дешевого сырья, позволяет проводить процесс в больших емкостях с высоким слоем среды.

Путем изменения условий культивирования можно добиться образования микроорганизмами больших количеств многих важных ферментов, многие из которых обладают индуцибельностью. Например, синтез -галактозидазы у E.coli индуцируется лактозой и начинается через три минуты после ее внесения, прекращаясь после удаления индуктора.

Таким образом, микроорганизмы обладают очень высокой ферментативной активностью, способны осуществлять многие процессы, отсутствующие у макроорганизмов, благодаря специфичности ферментов. Ферменты сходной функции у микро- и макроорганизмов могут различаться по свойствам.