3.4.2 Микроэлементы и их физиологическая роль

Микроэлементы (Fe, Cu, Zn, Mn, Мо, Со и др.) также играют существенную роль в жизнедеятельности микроорганизмов. Эти микроэлементы входят в состав ряда ферментов, участвующих в процессах метаболизма.

Названные элементы обладают высокой каталитической активностью в процессах внутриклеточного обмена. Их каталитическая активность возрастает в тысячи и миллионы раз в тех случаях, когда ионы металлов соединятся с молекулами органических веществ и образуют так называемые органоминеральные комплексы. Эти внутрикомплексные металлорганические соединения (хелаты) играют важную роль в реакциях фермент – субстрат.

У микроорганизмов в образовании хелатов принимают активное, участие дикарбоновые аминокислоты и белки.

Железо. Ионы железа играют в жизнедеятельности микроорганизмов главным образом каталитическую роль. Железо входит в состав ферментов – активаторов кислорода, первое место среди которых занимает система цитохромов. Недостаток или избыток железа в среде приводит к нарушению тех или иных сторон метаболизма.

Установлено, что существует конкуренция между железом и марганцем за положение в теме железосодержащих ферментов.

Железо наряду с другими металлами, входя в состав окислительно-восстановительных ферментов, играет большую роль в окислительно-восстановительных процессах.

Ионы железа входят в состав некоторых антибиотических веществ. Так, например, продуцент альбомицина S. subtropicus образует антибиотик при наличии в среде значительной концентрации железа, железо также входит в состав молекулы этого антибиотика.

Железо необходимо для образования хлорамфеникола и других антибиотиков. Показано, что железо играет важную роль в процессе биосинтеза стрептомицина. Ионы железа наряду с ионами никеля и цинка подавляют активность фермента маннозидострептомициназы, способствующего в процессе развития актиномицета превращению малоактивного маннозидострептомицина в стрептомицин.

Однако ионы железа оказывают угнетающее действие на биосинтез хлортетрациклина вследствие образования комплекса (Fe-антибиотик), который вступает в связь с клетками мицелия актиномицета.

Влияние железа на биосинтез тетрациклина культурой S. aureofaciens зависит как от концентрации этого элемента в среде и ее состава, так и от особенностей штамма. Концентрация железа, равная от 25 до 35 мкг/мл, не меняется в течение всего процесса развития актиномицета. Добавление к среде магния стимулирует образование тетрациклина, а микроэлементы бор, кобальт, литий, цинк, молибден, вольфрам, алюминий, олово угнетают биосинтез этого антибиотика.

Известно также, что железо и медь угнетают процесс спорообразования у бактерий.

Медь. Наряду с железом существенную роль в метаболизме микроорганизмов играет медь. В сочетании со специфическими белками она образует ряд ферментных систем. Представителями этой группы ферментов являются полифенолоксидазы и аскарбиноксидазы, нитратредуктаза, альдегидоксидаза и др. Недостаток меди резко снижает активность названных медьсодержащих ферментов.

В процессе биосинтеза некоторых антибиотиков ионы железа и меди иногда выступают как антагонисты. Известно, что ионы железа необходимы для биосинтеза пенициллина. Однако добавление меди (CuSО₄) к среде тормозит процесс образования антибиотика, но не оказывает влияния на рост гриба.

Внесение в среду железа (Fe₂(SО₄)₃) снимает вредное для биосинтеза пенициллина действие меди.

Цинк. Как и другие элементы минерального питания, цинк играет важную роль в биохимической деятельности микроорганизмов. Он участвует в построении некоторых ферментных систем (фосфатаз, энолаз, полипептидаз). Известно, что ионы цинка оказывают влияние на углеводный, азотный и фосфорный обмены ряда организмов и участвуют в окислительно-восстановительных процессах.

Ионы цинка выполняют каталитическую функцию в РНК-полимеразах микроорганизмов. Поэтому при недостатке ионов цинка в среде может происходить непосредственное нарушение информационной РНК при синтезе белков, в том числе и ферментных систем, что в свою очередь, может приводить к изменению синтеза антибиотиков.

Цинк оказывает влияние на процесс накопления грибами органических кислот, в частности лимонной кислоты. Этот элемент способствует биосинтезу ряда антибиотических веществ (хлорамфеникола, стрептомицина, пенициллина и др.). Например, недостаток цинка в среде для развития продуцента стрептомицина приводит к значительному замедлению роста актиномицета. Отсутствие в среде ионов цинка резко снижает образование неомицина.

Марганец. Элемент входит в состав многих ферментных систем и, в первую очередь, в состав карбоксилаз. Он принимает участие в синтезе протеиназ. Марганец входит также в состав фосфорилаз, которые участвуют в переносе фосфорной кислоты от аденозинтрифосфата.

Установлено, что марганец способствует сохранению внутриклеточных энзимов, участвующих в синтетических процессах при образовании спор некоторыми аэробными бактериями. Таким образом, в присутствии ионов марганца происходит стимулирование процесса спорообразования у бактерий.

Кобальт. Определенное влияние на различные стороны метаболизма микроорганизмов, в том числе на процессы биосинтеза некоторых антибиотиков, оказывает кобальт. Установлено, например, что ионы кобальта повышают биосинтез таких антибиотиков, как гентамицин, курамицин А, фосфономицин. Недостаток кобальта в среде снижает процесс образования антибиотика, а его избыток подавляет биосинтез гентамицина.