2. Физиология прокариот
2.1. Метаболизм бактерий: конструктивный и энергетический обмен
Образ жизни прокариот состоит в постоянном воспроизводстве своей биомассы. Совокупность биохимических процессов, приводящих к обновлению состава живой клетки и обеспечивающих воспроизводство биомассы, называется обменом веществ, или метаболизмом [10, 36]. Для их осуществления необходимую энергию клетка получает при биохимических превращениях химических веществ с высокой потенциальной энергией.
Метаболизм складывается из двух потоков реакций разной направленности: энергетического и конструктивного обмена. Энергетический метаболизм это совокупность реакций, сопровождающихся мобилизацией энергии и преобразованием ее в электрохимическую или химическую (АТФ) форму, которая затем может использоваться во всех энергозависимых процессах. Конструктивный метаболизм (биосинтез) – совокупность реакций, в результате которых за счет поступающих из вне веществ строится вещество клеток. Этот процесс связан с потреблением свободной энергии, запасенной в химической форме в молекулах АТФ или других богатых энергией соединений.
Конструктивный и энергетический обмены состоят из множества последовательных ферментативных реакций и могут быть разделены на три этапа. На начальном этапе воздействию подвергаются молекулы, служащие исходными субстратами. Иногда эту часть метаболического пути называют периферическим метаболизмом, а ферменты, катализирующие первые этапы превращений субстрата, – периферическими. Последующие превращения включают ряд ферментативных реакций и приводят к образованию промежуточных продуктов, или метаболитов, а сама цепь превращений называется промежуточным метаболизмом. Образующиеся на последних этапах конечные продукты конструктивного метаболизма используются для построения вещества клеток, а энергетического – выделяются в окружающую среду.
Конструктивные и энергетические процессы протекают в клетке одновременно. У большинства прокариот они тесно связаны между собой. Метаболизм прокариот отличается чрезвычайным разнообразием. Это является результатом способности бактерий использовать в качестве источников энергии и исходных субстратов для построения вещества тела самый широкий набор органических и неорганических соединений.
2.2. Ферменты и регуляция клеточного метаболизма прокариот
Все протекающие в клетке метаболические процессы регулируются ферментами [28]. Эффективность клеточных регуляторных механизмов очень высока. Именно они обеспечивают максимально экономичное использование питательных веществ среды, предупреждают избыточный синтез промежуточных продуктов и конечных метаболитов, отвечают за быструю адаптацию к изменившимся условиям среды.
Ферменты – это катализаторы, синтезируемые живой клеткой. Они, как и любые катализаторы, снижают энергию активации системы путем образования неустойчивых промежуточных соединений с субстратом.
Поскольку практически все реакции в клетке катализируются ферментами, регуляция метаболизма сводится к регуляции интенсивности ферментативных реакций. Скорость последних может регулироваться или путем изменения количества ферментов и (или) изменением их активности. Факторами, регулирующими активность ферментов, являются физические и химические условия окружающей среды.
Все ферменты представляют собой белковые комплексы. Они обладают свойствами гидрофильных коллоидов, с высокой поверхностной энергией, поэтому они чувствительны к действию различных факторов внешней среды. Активность ферментов снижается при резких изменениях температуры и рН среды, повышении осмотического давления, избыточной концентрации субстрата, накапливании продуктов обмена, действии бактерицидных лучей, повышении концентрации самих ферментов и др. Наибольшую активность они проявляют при температуре 25–35 °С, а при 55–60 °С большинство ферментов разрушается.
Изменение рН среды может привести к коагуляции ферментов. Но ферменты тесно связаны с цитоплазмой клетки, которая имеет высокую буферную емкость, обеспечивающую постоянное значение рН внутри клетки.
На активность ферментов оказывают влияние посторонние вещества. Вещества, активизирующие ферменты, называются активизаторами, а замедляющие – ингибиторами. Действие некоторых ферментов блокируется ядами, к которым относятся сульфамидные препараты, антибиотики, наркотические вещества, цианиды, красители, H2S, CO и дезинфицирующие средства. Механизм отравления катализаторов сводится к образованию устойчивых соединений между активными центрами фермента и ядами, что приводит к недоступности его для субстрата.
Любой фактор, действующий на ферменты, действует и на микроорганизмы, так как физиологические процессы, протекающие в микробной клетке, почти полностью зависят от активности ферментов.
Молекулы большинства ферментов состоят из двух составных частей, по отдельности лишенных активности: а) термолабильная белковая часть, называемая носителем или апоферментом и б) небелковая, термостабильная часть, называемая коферментом, играющим очень важную роль в действии фермента. Обе эти части составляют полный фермент (голофермент).
По месту действия их делят на две группы: эктоферменты – ферменты, действующие вне клетки, и эндоферменты, действующие внутри клетки [28]. Эктоферменты катализируют в основном гидролитические реакции. Эндоферменты катализируют реакции, протекающие внутри клетки, связанные с синтезом или освобождением энергии (дыхание или биологическое окисление). Следовательно, эктоферменты участвуют в подготовке питательных веществ для поступления их в клетку, а эндоферменты способствуют процессам усвоения их микробной клеткой. Механизм действия эктоферментов схематически представлен на рис. 4.
Рис. 4. Схема действия эктофермента: [28]
а – апофермент (белковая часть фермента); б – кофермент (небелковая часть, обладающая специфической активностью); в – фермент; г – временное соединение фермента с субстратом; д – расщепленный субстрат
По характеру действия ферменты обладают строгой специфичностью. Специфичность действия ферментов обусловлена структурным соответствием между молекулой субстрата и молекулой фермента. Подобно ключу, отпирающему лишь определенный замок, фермент благодаря своей специфической структуре действует лишь на определенный субстрат.
Все живые клетки имеют естественный набор определенных ферментативных систем, который характерен для всех клеток данного типа. Такие ферменты называются конститутивными.
Существует другая группа ферментов, которые появляются в клетке под действием внешнего фактора среды. Эти заново синтезированные ферменты служат выражением адаптации к новым условиям. Их называют адаптивными пли индуцированными ферментами.
Классификация ферментов. Все ферменты (или энзимы) по характеру их действия делятся на 6 классов [28].
1. Оксидоредуктазы – ферменты, катализирующие окислительно-восстановительные реакции. В этот класс входят ферменты, ускоряющие прямое и косвенное окисление вещества. К ним относятся, например, дегидрогеназы, осуществляющие окислительно-восстановительные процессы путем переноса протонов водорода от одной молекулы к другой.
2. Гидралазы – ферменты, способствующие обменному разложению внутримолекулярных связей в органических веществах с молекулами воды. К ним относятся, например, ферменты амилазы Вас. subtilis, которые делятся на две группы, из которых одна гидролизует углеводы (крахмал, декстрин, гликоген, амилозу, амилопектины) на 30–40% и названа разжижающей, а другая – амилаза – гидролизует субстрат на 50–60% (называется осахаривающей).
3. Трансферазы – ферменты, способствующие переносу различных химических групп с одной молекулы на другую. Например, трансаминаза ускоряет перенос группы – NН2; трансметилаза – СН3; транскетолаза – С = О (кетогруппу).
4. Лиазы – ферменты, ускоряющие реакции образования двойных связей или присоединения атомов по месту двойных связей.
5. Изомеразы – ферменты, катализирующие изомерные превращения веществ.
6. Лигазы – ферменты, ускоряющие процессы синтеза белков, нуклеиновых и жирных кислот и других органических соединений, образующихся в живой клетке.