Ферменты

Ферменты — сложные белковые вещества, которые образуются живыми клетками. Они ускоряют, катализи­руют химические реакции как внутри клетки, так и вне ее. Ферменты абсолютно необходимы живым организ­мам, так как без них невозможен обмен веществ и энер­гии. Даже минимальное количество фермента может вы­звать быстрое химическое превращение огромного коли­чества веществ. После того как вещества (субстраты) изменились или прореагировали между собой, фермент возвращается к своему исходному состоянию.

Молекула большинства ферментов состоит из двух частей, не имеющих самостоятельной активности. Белковая часть фермента на­зывается апоферментом. Она очень чувствительна к действию темпе­ратур. Небелковая, устойчивая к температурному фактору, часть — кофермент, или простетическая группа, обладает специфической ак­тивностью. Обе части вместе составляют полный фермент, или голо­фермент. Многие ферменты, например пепсин, трипсин, папаин, уреа- за, являются чистыми белками. В других ферментах белковая часть соединена с каким-либо металлом (металлопротеиновые ферменты) или витаминами, например группы В. Именно поэтому наличие в пи­ще некоторых металлов и витаминов жизненно необходимо.

Различают эндоферменты, которые функционируют только внутри клетки, и экзоферменты, выделяющиеся из нее. За счет последних микроорганизмы осуществляют процессы внеклеточного пищеварения.

Характерным свойством ферментов является их спе­цифичность, часто очень строгая. Каждый фермент реа­гирует лишь с определенным химическим соединением и участвует только в определенной реакции. Такая специ­фичность действия ферментов обусловлена структурными взаимоотношениями между молекулами субстрата и мо­лекулой фермента по типу ключ — замок.

Каждая живая клетка имеет набор ферментов, кото­рый характерен для данного вида или типа микроорга­низма. Такие ферменты называются конститутивными. В отличие от них адаптивные, или индуцированные, фер­менты появляются в клетке при наличии в питательной среде определенного субстрата; при отсутствии его клет­ка перестает вырабатывать адаптивный фермент. Адап­тивные ферменты позволяют клетке приспособиться к из­меняющимся условиям существования. Различные виды микроорганизмов весьма четко различаются между со­бой по набору ферментов. Наличие их служит важным признаком, по которому можно определить, к какому ви­ду принадлежит микроб. Ферменты очень чувствительны к изменениям температуры, повышению осмотического давления, действию ультрафиолетовых лучей.

Дыхание, или биологическое окисление

Для того чтобы живые организмы могли синтезиро­вать новый клеточный материал, необходим постоянный приток энергии. В зависимости от источника получения энергии микроорганизмы делятся на фотосинтезирующие и хемосинтезирующие.

Фотосинтезирующие микробы, как и зеленые растения, обладают способностью использовать энергию солнечного света, так как у них имеются пигменты, близ­кие к хлорофиллу растений.

Хемосинтезирующие микробы получают энер­гию за счет окисления неорганических или органических соединений. В качестве источника энергии многие мик­роорганизмы могут использовать большой набор окис­ляемых органических соединений, чаше всего глюкозу. Энергия получается из этих соединений в результате их окисления или, точнее, отдачи ими электронов.

Совокупность биохимических процессов, в результате которых освобождается энергия, необходимая для жиз­недеятельности клетки, называется дыханием, или био­логическим окислением. Применительно к микроорга­низмам говорят об анаэробном и аэробном типах ды­хания.

При анаэробном типе дыхания освобождение энергии из органических молекул происходит без участия кислорода. Последовательный ряд реакций, который со­провождает освобождение энергии из глюкозы, называ­ется брожением.

При аэробном типе дыхания энергия, заложенная в химических связях глюкозы, полностью освобождается и в конечной реакции участвует кислород. Процесс вы­свобождения энергии в присутствии кислорода называ­ется дыханием.

Механизм процесса брожения. На первом этапе брожения с помощью специального фермента к глюкозе присоединя­ется фосфатная группа от одной молекулы АТФ. Образуется глюко- зофосфат, который легко расщепляется на две триуглеродные моле­кулы после того, как к нему присоединится еще одна фосфатная группа от другой молекулы АТФ. Молекулы АТФ, отдавшие свои фосфатные группы, превращаются в аденозиндифосфорную кисло­ту — АДФ. На расщепление одной молекулы глюкозы клетка тратит энергию двух молекул АТФ. На втором этапе брожения, когда в ре­зультате последовательных превращений происходит образование пи- ровиноградной кислоты, а затем спирта и углекислоты (СОг), энер­гия фосфатных связей освобождается. Эта энергия используется для образования молекул АТФ из АДФ и ф'осфатных групп. В итоге в конце брожения глюкозы образуются 4 молекулы АТФ, 2 молекулы спирта и 2 молекулы СОг- Несмотря на то что количество энергии, идущее в запас при брожении, небольшое, его вполне достаточно, чтобы поддержать рост и жизнедеятельность микроорганизма. При процессах брожения значительная часть химической энергии, заклю­ченной в глюкозе, остается неиспользованной и накапливается в ко­нечных продуктах брожения: спирте, молочной и масляной кислотах и др. Полное высвобождение энергии из этих продуктов возможно только при участии кислорода.

Механизм процесса дыхания. Процесс дыхания жи­вых организмов складывается из нескольких этапов. Начальный процесс расщепления глюкозы протекает по типу брожения, без уча­стия кислорода. Затем следует ряд реакции, в результате которых пировиноградная кислота превращается вначале в уксусную кисло­ту и СОг. Последним этапом является цикл лимонной кислоты, или цикл Кребса, который завершается образованием СОг и Н₂0 при уча­стии ферментов и кислорода. Высвобождение энергии при расщепле­нии пировиноградной кислоты до конечных продуктов происходит в результате реакции водородного обмена. По ходу реакций водородно­го обмена происходит последовательный перенос атомов водорода от одного фермента к другому, пока на последнем этапе водород не сое­динится с кислородом и не образуется вода. Ферменты, которые вы­полняют роль носителей атомов водорода (отдельно электронов или вместе с протонами) от пировиноградной кислоты до конечного ак­цептора — кислорода, составляют в совокупности дыхательную це­почку ферментов. Она состоит из дитохромных пигментов и фермен­тов — дитохромоксидаз. По ходу реакций водородного обмена выс­вобождается энергия, которая и накапливается в молекулах АТФ.

При процессах дыхания на 1 молекулу глюкозы образуется 38 молекул АТФ, а при процессах брожения — только 2 молекулы АТФ. Переход электронов от органических соединений к дыхательной це­почке обеспечивается соединениями: трипиридиннуклеотидом и дипи- ридиннуклеотидами, составной частью которых является витамин В (ниацин). В самой дыхательной цепочке ферменты — носители электронов также содержат витамин В₂ (рибофлавин) и металлы: железо и медь. Отсюда понятна жизненная необходимость наличия витаминов и металлов в питательных субстратах.

Аэробный или анаэробный тип дыхания у микроорганизмов за­висит от наличия у них дыхательной цепочки или системы цитохро- мов, обеспечивающих перенос водорода от пировиноградной кислоты до конечного акцептора — кислорода.

Все микроорганизмы разделяются по типу дыхания на анаэробов и аэробов. Существуют облигатные, или строгие, анаэробы, которые не могут жить и размножаться в присутствии кислорода. Это масляно­кислые бактерии, возбудители столбняка, газовой ган­грены, ботулизма. Некоторые анаэробы, например кишечная палочка, могут жить как в присутствии кислоро­да, так и без него, — это факультативные ана­эробы. Существуют микроаэрофилы, нужда­ющиеся в малых количествах кислорода (некоторые актиномицеты, спирохеты). Облигатные аэробы размно­жаются только в присутствии кислорода. К ним можно отнести микобактерии туберкулеза, чудесную палочку, холерного вибриона.

ПИГМЕНТЫ БАКТЕРИЙ И АРОМАТИЧЕСКИЕ ВЕЩЕСТВА

Для отдельных видов микроорганизмов характерно образование самых разнообразных пигментов. Пигменто- образование часто является стойким признаком микроба, например белый, золотистый и лимонно-желтый стафило­кокки, палочка сине-зеленого гноя. Пигмент, образуемый микроорганизмами, может скапливаться в виде зерны­шек между клетками (золотистый стафилококк, чудес­ная палочка), равномерно диффундировать в окружаю­щую среду (палочка сине-зеленого гноя) или находиться в оболочке бактерии (Bad. violaceum). Если пигменты нерастворимы в воде (липохромные пигменты), окраши­вается только колония микробов, а если растворимы, то окрашивается и питательная среда. Некоторые пигмен­ты растворяются только в спирте: пигмент чудесной па­лочки, желтые пигменты стафилококка. Черные пигмен­ты плесеней, дрожжей не растворяются ни в воде, ни в спирте. Интенсивность образования пигмента колеблется даже у одного и того же вида микробов. Интенсивнее всего пигмент образуется на плотных средах при свобод­ном доступе кислорода. В анаэробных условиях пигмен­ты не образуются, а если и образуются, то обесцвечива­ются. Роль и химическая структура многих пигментов пока еще малоизучены. Некоторые пигменты, например пиоцианин, обладают антибиотическими свойствами.

Ароматические вещества вырабатываются некоторы­ми микроорганизмами в процессе обмена. Одни из них придают специфический запах сырам, маслу, винам, поэ­тому микроорганизмы широко используют при изготов­лении различных продуктов. Другие микроорганизмы в процессе жизнедеятельности образуют вещества с не­приятным запахом (индол, скатол, сероводород) и часто служат причиной недоброкачественности продуктов.

Встречаются микроорганизмы, особенно среди мор­ских бактерий, которые обладают способностью светиться (люминесцировать). Свечение бактерий возникает в ре­зультате интенсивных процессов окисления, протекаю­щих с выделением энергии. Такие бактерии придают све­чение чешуе рыб в море, грибам, гнилушкам в лесу.