2. Ферментные системы микроорганизмов

В основе метаболических реакций, протекающих в клетке, лежит деятельность ферментов – самого крупного и высокоспециализированного класса белков. Микроорганизмы синтезируют самые разнообразные ферменты, которые относятся к шести известным классам: оксидоредуктазы, трансферазы, гидролазы, лигазы, лиазы, изомеразы (табл. 12). Их значение в жизнедеятельности клетки:

• Гидролазы – гидролитический катализ белков, жиров и углеводов

• Оксидоредуктазы – участие в окислительно-восстановительных процессах

• Трансферазы – перенос определенных радикалов

• Лиазы – участие в соединении двух молекул

• Изомеразы – участие в изомеризации органических соединений

• Лигазы – участие в реакциях присоединения и отрыва групп

Таблица 12. Классы ферментов

Класс ферментов	Тип катализируемых химических реакции	Примеры
Оксидоредуктазы	Окислительно-восстановительные реакции, лежащие в основе биологического окисления, осуществляют перенос водорода и электронов от донора к акцептору	Цитохромоксидаза, дегидрогеназа, пероксидаза, каталаза и др.
Трансферазы	Осуществляют внутри- и межмолекулярные переносы различных атомов, групп атомов и радикалов.	Аденозинтрифосфатаза, аминотрансфераза и др.
Гидролазы	Расщепляют внутримолекулярные связи (пептидные, эфирные, гликозидные и др.) органических веществ с присоединением воды	Фосфатаза, амидаза, эстераза, гликозидаза, ДНК-аза, РНК-аза, карбогидролаза, протеазы, аргиназа, уреаза, нейраминидаза, гиалуронидаза, лейцитиназа и др.
Лиазы	Разрывают связи в субстратах без присоединения воды, что приводит к отщеплению различных групп и образованию двойных связей или присоединению групп к месту двойной связи.	Декарбоксилаза, дезаминаза и др.
Изомеразы	Осуществляют внутримолекулярные перестройки с образованием изомеров.	Глюкозо-6-фосфатизомераза, рацемаза и др.
Лигазы (синтетазы)	Осуществляют синтез органических веществ из исходных молекул с использованием энергии распада фосфатных связей (распад АТФ или других макроэргических молекул).	Глютаминсинтетаза, аспарагинсинтетаза, карбоксилаза и др.

Ферментный состав любого микроорганизма определяется его геномом и является достаточно постоянным признаком. Многие ферменты связаны со структурными компонентами микробной клетки и определяют интенсивность процессов биосинтеза, идущего в них. Так, например, в ЦПМ находятся окислительно-восстановительные ферменты, участвующие в дыхании. В клеточной стенке идет синтез ферментов, связанных с делением клетки и ее аутолизом. Основная часть ферментов локализована в цитоплазме. Ферменты продуцируются самой микробной клеткой и по месту, выполняемой им функции разделяются на экзоферменты и эндоферменты.

Экзоферменты — ферменты бактерий, выделяемые во внешнюю среду и действующие на субстрат вне клетки (протеазы, поли­сахаридазы, олигосахаридазы). Экзоферменты играют большую роль в обеспечении бактериальной клетки доступными для проникновения внутрь ис­точниками углерода и энергии. Большинство гидролаз является экзоферментами, которые, выделяясь в окружающую среду, расщепля­ют крупные молекулы пептидов, полисаха­ридов, липидов до мономеров и димеров, способных проникнуть внутрь клетки. Ряд экзоферментов, например гиалуронидаза, коллагеназа и другие, являются ферментами агрессии. Некоторые ферменты локализо­ваны в периплазматическом пространстве бактериальной клетки. Они участвуют в про­цессах переноса веществ в бактериальную клетку. Ферментативный спектр является таксономическим признаком, характерным для семейства, рода и — в некоторых слу­чаях — для видов. Поэтому определением спектра ферментативной активности поль­зуются при установлении таксономического положения бактерий. Наличие экзофермен­тов можно определить при помощи диффе­ренциально-диагностических сред, поэтому для идентификации бактерий разработаны специальные тест-системы, состоящие из набора дифференциально-диагностических сред.

Эндоферменты — ферменты бактерий, действующие на субстра­ты внутри клетки (расщепляющие аминокислоты, моносахара и др.).

По назначению экзоферменты следует разделить на следующие группы:

• Ферменты, обеспечивающие выполнение своих физиологических процессов, связанных с ростом и размножением микробной культуры.

• Ферменты, обеспечивающие микробной клетке защитные свойства. Например, ферменты, инактивирующие антибиотики.

• Ферменты патогенности. Эта группа ферментов продуцируется, как правило, патогенными микроорганизмами. Выделяют ферменты, обеспечивающие микробной клетке защиту от неспецифических факторов защиты макроорганизма (ферменты инвазии - нейраминидаза, гиалуронидаза, коллагеназа), а также ферменты, активизирующие работу биологически активных соединений клеток макроорганизма и приводящие ее к гибели. Это ферменты агрессии (эксфолиатины способны модифицировать гормоны или протеазы, разрушающие структуры клеток инфицированного организма и т.д.).

Синтез ферментов генетически детерминирован, но регуляция их синтеза идет за счет прямой и обратной связи, т. е. для одних — репрессируется, а для других — индуцируется субстратом.

Ферменты разделяют на конститутивные(фермен­ты гликолиза) – это группа ферментов, синтез которых не зависит от нали­чия субстрата в среде, он имеет место всегда, и эти ферменты всегда со­держатся в микробных клетках в определенных концентрациях.

Ферменты, синтез которых зависит от наличия соответствую­щего субстрата в среде (бета-галактозидаза, бета-лактамаза), называются индуцибельными или адаптивными (ферменты, которые бактерии продуцируют в определенных условиях. В отсутствии субстрата они находятся в клетках в следовых концентрациях.

Одной из особенностей ферментов микроорганизмов является преобладание адаптивных ферментов над конститутивными, что связано как с малым объемом цитоплазмы, так и с их ролью главного механизма адаптации к меняющимся условиям внешней среды. Индуцибельные ферменты синтезируются микробной клеткой только в ответ на наличие в среде определенного субстрата.