36. Процессы трансформации соединений железа.

Ответ. Железо в небольшом количестве необходимо каждому живому организму, так как оно входит в состав жизненно важных ферментов — каталазы, пероксидазы, цитохромов, гемоглобина и леггемоглобина. В почве железо представлено различными органическими и неорганическими соединениями. Оно содержится в составе минералов, белков, гумуса, лигнина. Многие органические соединения, в том числе аминокислоты, оксикислоты, спирты, образуют с железом хелатные соединения. Участие микроорганизмов в трансформации соединений железа в почве может быть прямым и косвенным. При прямой трансформации железосодержащие органические вещества непосредственно подвергаются минерализации различными группами микроорганизмов с освобождением оксидов железа, которые откладываются на слизистой поверхности клеток. Такие микроорганизмы широко распространены как в водной среде, так и в почве. Литотрофиые микроорганизмы могут окислять неорганические соединения железа. Они часто встречаются в почве, болотах, ручьях, железистых источниках, в озерах и других водоемах. К ним принадлежат нитчатые железобактерии, среди которых наиболее распространены Leptothrix ochracea. Эти бактерии собраны в цепочки и окружены влагалищем, где откладывается гидроокись железа. Благодаря наличию жгутиков клетки способны к движению и могут покидать влагалище. В местах скопления эти микроорганизмы формируют ржавые пята. После отмирания бактерий образуется болотная и озерная железная руда, залегающая островами в десятки и сотни квадратных метров. Железобактериям принадлежит важная роль в образовании железомарганцевых отложений в природе. При косвенной трансформации железо окисляется перекисью водорода, которая выделяется железобактериями в процессе жизнедеятельности. Реакцию окисления двухвалентного железа в трехвалентное при участии Thiobacillus ferrooxidans можно записать так:

37. Ферменты: классификация ферментов, их роль в жизни микроорганизмов, особенности ферментативных реакций.

Ответ. Ферменты микроорганизмов – специфические белки биологического происхождения, выполняющие роль катализаторов химических реакций, происходящих в микробных (бактериальных) клетках. Питание и дыхание всех микроорганизмов, в том числе бактерий, как физиолого-биохимические процессы осуществляются благодаря наличию в клетке различных ферментов. Микробные клетки, как и клетки высших организмов, оснащены достаточно активным ферментным аппаратом. Ферменты микроорганизмов обладают теми же свойствами и функциями, что и ферменты высших организмов. На основании строения ферменты подразделяются на два больших класса: простые белки и сложные белки. К простым белкам относятся гидролитические ферменты. Второй – более многочисленный класс, объединяет ферменты, управляющие окислением и катализирующие реакции переноса всевозможных химических групп. Характерным признаком сложных белков является присутствие в строении небелковой группы (кофактора), определяющего активность фермента. Белковая часть сложного белка носит название – апофермент. По отдельности белковая и небелковая часть таких соединений лишены ферментативной активности и приобретают ее только при соединении. Комплекс апофермента с кофактором носит название – «голофермент». Название фермента образуется от названия вещества, на которое он оказывает действие или вещества, связанного с природой катализируемой им химической реакции, путем прибавления окончания «- аза». Второй вариант является основой современной классификации и номенклатуры ферментов. В настоящее время известно более двух тысяч ферментов. Они разделены на шесть классов, каждый из которых в свою очередь делится на соответствующие подклассы и подпод классы. Микроорганизмы, в том числе бактерии, располагают всем набором энзимов (ферментов). В микробной клетке одновременно могут находиться десятки различных ферментов. Выделяют следующие классы ферментов: Оксидоредуктазы – окислительно-восстановительные ферменты, переносящие электроны. К ним относят дегидрогиназы, оксидазы, пероксидазы, каталазы. Трансферазы – переносят отдельные радикалы и атомы одних соединений к другим. Гидролазы – отвечают за ускорение реакций гидролиза (расщепления веществ на более простые с присоединением молекул воды. К ним относятся фосфатазы, эстеразы, глюкозидазы. Лиазы – катализаторы реакций присоединения групп по двойным связям и обратные реакции этих групп. Изомеразы – ферменты с помощью которых химические вещества преобразуются в их изомеры. К ним относят рацемазы, эпимеразы, цис-транс-изомразы. Лигазы (синтетазы) – катадизаторы реакций соединения двух молекул. К ним относятся глютаминсинтетаза, аспарагинсинтетаза. Согласно современной классификации каждому ферменту присваивается шифр из четырех цифр. Первая обозначает класс, вторая – подкласс, третья – подподкласс, четвертая – порядковый номер фермента в данном подподклассе. Кроме того, ферменты в зависимости от реакции на условия среды делят на: конструктивные – концентрация в клетках микробов поддерживается независимо от условий среды на определенном уровне. К ним относятся ферменты гликолиза; индуцибельные – концентрация значительно увеличивается при наличии соответствующего субстрата. При отсутствии субстрата такие ферменты содержаться в клетке в очень малых количествах. К таким ферментам относятся β-галатозидаза, β-лактамаза; репресссибельные – энзимы, синтез которых блокируется конечным продуктом. По связи с бактериальной клеткой различают: экзоферменты – ферменты не связанные со структурой протоплазмы, легко выделяющиеся в субстрат (гидролитические ферменты), растворимые в питательной среде и проходящие через бактериальные фильтры. Экзоферменты участвуют в процессе питания, расщепляя сложные высокомолекулярные соединения (крахмал, белки, клетчатку) подготавливая питательные вещества к усвоению микробной клеткой; эндоферменты – ферменты прочно связанные с бактериальной клеткой и действующие только внутриклеточно. Они осуществляют дальнейшее разложение питательных веществ и превращают их в составные части клетки. К таким ферментам относятся дегидрогеназы и оксидазы. В настоящее время установлено, что ферменты ускоряют химические реакции в организмах, путем понижения свободной энергии активации (количество энергии необходимое для перевода при данной температуре всех молекул одного моля вещества в активное состояние). Все обменные процессы в клетках микроорганизмов идут с участием ферментов. Они являются биокатализаторами всех химических процессов бактериальной клетки. Данные соединения значительно ускоряют химические реакции. При этом они не расходуются и не входят в состав конечных продуктов. Ферменты в клетках бактерий присутствуют в незначительных концентрациях, но все они обладают высокими числами оборачиваемости, которые указывают на возможность молекулы фермента катализировать следующие одна за другой реакции тысяч молекул субстрата в минуту. Установлено, что каждый фермент катализирует только одну реакцию, что обусловливает его специфичность. Обменные процессы микробов протекают с помощью ферментов, набор которых генетически детерминирован и специфичен для каждого вида. В то же время количество того или иного фермента, содержащееся в бактериальной клетке изменчиво. Приспосабливаемость бактерий к изменяющимся условиям среды обитания сопровождается согласованными изменениями процессов анаболизма и катаболизма. Поскольку регуляция обменных процессов осуществляется с помощью ферментов, то и регуляторные (амфиболические) ферменты воспринимают разнообразные метаболические сигналы и в соответствии с ними изменяют свою каталитическую активность. Выделяют три уровня регуляции ферментативных реакций с учетом потребности клеток в энергии: первый – изменение абсолютного количества фермента; второй – изменение фона реагирующих веществ, исключая фермент; третий – изменение каталитической активности фермента. Изменение каталитической активности фермента вызывается: ингибированием каталитической активности фермента по типу обратной связи (торможение активности фермента в начале биосинтетического пути конечным продуктом); аллостерической активацией (конечный и промежуточный продукт активирует другой, включающий синтез нового вещества); воздействием регуляторных белков, которые присоединяются к ферменту, изменяя (усиливая или ослабляя) его активность. Изменение ферментативной активности микроорганизмов, в том числе бактерий, положено в основу фенотипической идентификации (фенотипические критерии систематики). Для использования спектра ферментов у прокариот используются дифференциально-диагностические питательные среды. Активность ферментов в большей степени зависит от температуры и величины рН. Установлено, что оптимальная температура действия ферментов: +40°C–+50°C. Для некоторых +58°C–+60°C. При температуре +100°C ферменты разрушаются. Максимальная активность ферментов бактерий, растущих в кислой среде (ацидофилы), наблюдается при рН 4,8. В нейтральной или близкой к нейтральной – при рН 7,2. Однако у бактерий способных расти в широком диапазоне рН, данный показатель практически не влияет на активность ферментов.