4.2. Ферменты

Ферменты (греч - закваска) - специфические разнофакторные белковые катализаторы. Еще их называют энзимы. Вещества, на которые действуют ферменты, называют субстраты. Ферменты присутствуют во всех живых клетках, кроме плазмид и некоторых вирусов. Они перераспределяют электронные плотности субстрата. Деформация субстрата приводит к ослаблению внутримолекулярных связей, что повышает скорость реакций. Различают шесть классов ферментов:

1. оксидоредуктазы - катализируют окислительно-восстановительные реакции,

2. трансферазы - катализируют реакции переноса групп атомов,

3. гидролазы - катализируют гидротическое расщепление разных соединений,

4. лиазы - катализируют реакции отщепления от субстрата химических групп,

5. изомеразы - катализируют внутримолекулярные превращения,

6. лигазы - (синтетазы)- катализируют соединение двух молекул с расщеплением пирофосфатной связи в молекуле АТФ.

Ферменты имеют огромное значение для микробов. У них есть системы контроля биосинтеза ферментов и регуляция активности ферментов.

У прокариотов есть 2 модификатора. Есть ферменты, называемые аллостерическими, т.е. вещества его регулирующие имеют структуру, отличающуюся от субстрата. Активность их не меняется от связывания с метаболитами, называемыми эффекторами. Второй путь- подавление активности фермента избытком метаболитов по принципу обратной связи.

Регуляция синтеза ферментов осуществляется на уровне транскрипции, трансляции и сборки, а также разрушения ферментного белка. Специфические сигналы могут блокировать транскрипцию участка ДНК, иРНК. Регуляцию белков на уровне трансляции осуществляют на любом этапе. Контроль уровня сборки имеет существенное значение в метаболической регуляции.

Ферменты, синтез которых в растущей клетке происходит с постоянной скоростью, называются конститутивными. Они находятся в постоянной концентрации. Клетка имеет ферменты, количество которых меняется в зависимости от состава питательных веществ. Их называют индуцибельными. При отсутствии соответствующего субстрата, они в клетке - в следовых количествах. Если в питательной среде есть вещества, являющиеся конечным продуктом биосинтетического пути, быстро прекращается синтез ферментов этого пути. Явление получило название репрессии конечным продуктом.

4.3. Конструктивный анаболизм

Энергетические и конструктивные процессы в клетке проходят не одновременно. У большинства прокариотов они тесно связаны друг с другом. Существует последовательность реакций. Основная связь между ними проходит по энергетическому каналу. Некоторые промежуточные этапы или метаболиты могут быть для этих процессов одинаковыми. Это дает возможность совместного использования энергетических и конструктивных процессов, а промежуточные реакции обозначаются как амфибиотические. Определенные реакции поставляют энергию, которая используется для биосинтеза и других функций.

Химический состав прокариотной клетки. По химическому составу клетки в принципе одинаковые. Клетки прокариотов содержат 70-90 % воды. Основную массу сухих веществ составляют белки, нуклеиновые кислоты, липиды и полисахариды. Например, клетка E.coli состоит по сухому весу из 55 % белка, 20 % РНК, 3,1 % ДНК, 9 % липидов и пр. Количество молекул в клетке: белка – 2.350.000, РНК- 18.700, ДНК-2, липополисахаридов- 14.000, липидов - 22.000.000, гликогена-4.300 молекул и пр.

Источник углерода. Из соединений углерода, которых более миллиона, построены все живые организмы. В питании прокариотов и конструктивном метаболизме основная роль также принадлежит углероду. В зависимости от источника углерода все прокариоты делят на две группы: микроорганизмы, синтезирующие все компоненты клетки из углекислоты (автотрофы) или из органических соединений (гетеротрофы). Термин автотроф (греч. Autos- сам, trophe- пища) означает питающийся сам, а гетеротрофы (греч. Heteros- другой) питающийся за счет других. Большая степень гетеротрофности присуща внутриклеточным облигатным паразитам. Паразитирующие прокариоты можно выращивать на питательных средах (сыворотки, мясные гидролизаты и пр.).

Фиксация азота. Некоторые бактерии способны фиксировать атмосферный азот или минеральный и восстанавливать его в клетке до NH₃, что катализируется нитрогеназой. Эти бактерии называют аминоавтотрофы. Восстановление азота не может происходить без АТФ. Ингибирующая ферментативная система микробов чувствительна к ингибирующему действию молекулярного кислорода.

Некоторые фиксирующие азот бактерии проявляют активность в условиях симбиоза с организмом хозяина, нуждаясь в готовых азотистых органических соединениях: витаминах, аминокислотах и пр. Такие бактерии называют аминогетеротрофы (Rhizobium у бобовых), Frankia (у небобовых) и некоторые цианобактерии. Эта группа неоднородна, как, например, Francisella требует аминокислот, другие нуждаются в крови, третьи - в витаминах, геминах и пр.

Потребности в минеральных веществах. В дополнении к углероду и азоту для роста клеток необходимы минеральные вещества.

1. Сера. Входит в состав многих органических соединений. Основная масса находится в составе белков и сульфгидрильных групп (-SH), некоторые микроорганизмы нуждаются в органической сере (R-SH), в Н₂S или восстанавливают сульфаты (SO₄) до органической формы.

2. Фосфор. Фосфор (PO₄) необходим для АТФ, нуклеиновых кислот, коферментов НАД, НАДФ и флавинов. Фосфат всегда ассимилируется в виде неорганического фосфора.

3. Активаторы ферментов. В качестве активаторов ферментов служат микроэлементы. В составе порфиринов обнаружены ионы магния, железа. Деятельность рибосом требует магний и калий. Кальций - составной элемент стенки грамположительных микробов.

4. Факторы роста. Факторы роста - это органические вещества, которые необходимы клеткам для роста и биосинтеза. Часть микробов, получив факторы роста, начинают синтез аминокислот, пуринов, жирных кислот и пр. Вещества синтезируется последовательно. Разные микробы широко варьируют по факторам роста, некоторым микроорганизмам факторы роста не обязательны, другие не жизнеспособны без факторов роста. К факторам роста относятся витамины, аминокислоты, потребляемые микробами в разных сочетаниях и количествах.