Метоболизм микроорганизмов

Ферменты. Глубокое понимание процессов метаболизма микроорганизмов вряд ли возможно без предварительного знакомства с ролью и значением ферментов. Ферменты - биологические ката­лизаторы. Они катализируют тысячи химических реакций, из кото­рых слагается метаболизм организма. Известно уже около двух ты­сяч ферментов. По химической природе ферменты - глобулярные белки молекулярной массой от 10 тыс. до нескольких миллионов. Название ферменту во многих случаях дают по веществу, на которое он действует, с изменением окончания на «-аза». Например, целлюлаза катализирует гидролиз целлюлозы до целлобиозы, уреаза - гидролиз мочевины (urea) до аммиака и СО₂ и т. п. Однако чаще фермент получает наименование, которое указывает на природу ка­тализируемой им химической реакции.

Современная классификация ферментов также строится с учетом природы реакций, которыми они управляют. Согласно раз­работанной Комиссией по ферментам Международного биохимиче­ского союза классификации, выделяют шесть главных классов ферментов.

1. Оксидоредуктазы. Эти ферменты катализируют окислительно-восстановительные реакции, играют большую роль в про­цессах биологического получения энергии. К ним относятся дегидрогеназы (НАД, НАДФ, ФАД), цитохромы (b, с, с₁ а, а₃), ферменты, участвующие в переносе водорода, электронов и др.

2. Трансферазы. Катализируют перенос отдельных радика­лов, частей молекул или целых атомных группировок от одних соединений к другим. Например, ацетилтрансферазы переносят ос­татки ацетата -СН3СО, а также молекулы жирных кислот; фосфотрансферазы, или киназы, обусловливают перенос остатков фос­форной кислоты Н₃РО₃^2-. Известны и другие трансферазы (аминотрансферазы, фосфорилазы и т. д.).

3. Гидролазы. Катализируют реакции расщепления и син­теза белков, жиров и полисахаридов с участием воды. К данному классу относят протеолитические ферменты (или пептидгидролазы), действующие на белки или пептиды; гидролазы глюкозидов, осу­ществляющие каталитическое расщепление углеводов и глюкозидов (β-фруктофуранозидаза, α-глюкозидаза, α- и β-амилаза, β-галактозидаза и др.); эстеразы, катализирующие расщепление и синтез слож­ных эфиров (липазы, фосфатазы).

4. Лиазы. Включают ферменты, катализирующие отщепление от субстратов определенных химических групп с образованием
двойных связей или присоединение отдельных групп радикалов к
двойным связям. Так, пируватдекарбоксилаза катализирует отщеп­ление СО₂ от пирувата:

СН₃СОСООН → СН₃СОН + СО₂

Пируват Ацетальдегид

К лиазам относится также фермент альдолаза, расщепляющий шестиуглеродную молекулу фруктозо-1,6-бисфосфата на два трехуглеродных соединения.

5. Изомеразы. Участвуют в превращении органических со­единений в их изомеры. При изомеризации происходит внутримолекулярное перемещение атомов, атомных группировок, различных
радикалов и т. п. Изомеризации подвергаются углеводы и их производные, органические кислоты, аминокислоты и т. д. К данной груп­пе относятся триозофосфатизомераза, глюкозофосфатизомераза и др.

6. Лигазы. Катализируют синтез сложных органических со­
единений из простых. Например, аспарагинсинтетаза управляет син­
тезом амида аспарагина из аспарагиновой кислоты и аммиака с обя­
зательным участием АТФ, дающей энергию для этой реакции:

Аспарагиновая кислота + NH₃ + АТФ → Аспарагин + АДФ + Н₃РО₄

К группе лигаз относят карбоксилазы, катализирующие присоединение СО₂ к различным органическим кислотам. Например, фермент пируваткарбоксилаза катализирует синтез оксалоацетата из пирувата и СО₂.

В соответствии со строением ферменты делят на два больших класса: простые белки и сложные белки. К первому классу относят гидролитические ферменты, ко второму, более многочисленному, — ферменты, управляющие окислением и участвующие в реакциях пе­реноса различных химических групп. Ферменты второго класса хро­ме белковой части, называемой апоферментом, имеют небелковую группу, определяющую активность фермента, - кофактор. В отдель­ности белковая и небелковая части лишены ферментативной актив­ности. Они приобретают свойства ферментов после соединения. Комплекс апофермента с кофактором называют голоферментом.

Кофакторами могут быть ионы металла (Fe, Cu, Co, Zn, Mo и др.), сложные органические соединения (называемые коферментами) либо те и другие вместе. Коферменты обычно играют роль промежуточных переносчиков электронов, атомов, групп, которые в результате ферментной реакции перемещаются с одного соединения на другое. Кофермент, прочно связанный с ферментным белком, называют простетической группой фермента. Многие коферменты идентичны определенным витаминам группы В или представляют собой их производные.

К коферментам относят, например, активные группы дегидрогеназ - никотинамидадениндинуклеотид (НАД) или никотинамидадениндинуклеотидфосфат (НАДФ). В перечисленные коферменты входит никотиновая кислота (витамин группы В). Витамины есть в составе и других коферментов: тиамин (витамин В₁) в составе тиаминпирофосфокиназы, участвующей в обмене пирувата; пантотеновая кислота - в составе кофермента А; рибофлавин (витамин В₂) представляет собой простетическую группу флавопротеиновых ферментов. Значение витаминов в питании живых организмов обус­ловлено как раз тем, что они входят в состав коферментов.

По современным представлениям, ферменты ускоряют хими­ческие реакции, понижая свободную энергию активации (количество энергии, необходимое для перевода при данной температуре всех молекул одного моля вещества в активированное состояние).

Ферменты обладают следующими основными свойства­ми: увеличивают скорость реакции, но сами в данной реакции не расходуются; их присутствие не влияет ни на природу, ни на свойства конечного продукта (продуктов) реакции; очень незначительное ко­личество фермента вызывает превращение больших количеств суб­страта; активность ферментов определяется реакцией среды, темпе­ратурой, давлением и концентрацией как субстрата, так и самого фермента; для каждого фермента характерен свой оптимум темпера­туры и реакции среды.

Многие ферментативные реакции обратимы, хотя активность фермента редко бывает одинаковой в обоих направлениях.

Обычно ферментативная реакция начинается со связывания ферментом определенного субстрата. Как правило, фермент взаимодействует только с одним субстратом и катализирует его трансформацию в другой субстрат до установления равновесия. Следователь­но, каждый фермент характеризуется субстратной специфичностью (т. е. взаимодействует только с одним субстратом и продуктом его трансформации) и специфичностью действия (катализируют только одну из многочисленных реакций, которым может подвергнуться данный субстрат).

В связи с высокой специфичностью ферментативных реакций полагают, что участок молекулы фермента, называемый каталити­ческим центром, к которому присоединяется молекула субстрата, об­ладает специфичной пространственной конфигурацией, которая «впору» лишь «своей» молекуле субстрата и не соответствует ника­ким другим молекулам.

Несмотря на незначительные размеры, каждая клетка микро­организма может производить множество разнообразных ферментов с различными функциями. Обычно ферменты, участвующие в мета­болизме, содержатся в клетке организма и поэтому называются вну­триклеточными ферментами, или эндоферментами. Отдельные ферменты выделяются клетками микроорганизмов в окружающую среду и называются внеклеточными ферментами, или экзоферментами. Как правило, во внешнюю среду выделяются гидролитические фер­менты, разлагающие соединения большой молекулярной массы, ко­торые не могут проникнуть в клетку микроорганизма. Продукты же разложения легко поглощаются клеткой и используются ею в каче­стве питательных веществ. В разнообразии ферментов, позволяю­щих микроорганизмам усваивать соединения различной химической природы, заключается огромная роль микрофлоры в круговороте веществ в природе.

Получение энергии. Клетка любого организма запасает энергию в форме соединений, обладающих так называемыми макроэргическими связями. При гидролитическом расщеплении макроэргических свя­зей энергия освобождается и может быть использована для биосин­тетических реакций. Аккумуляторами и переносчиками энергии слу­жит ряд соединений: аденозинтрифосфат (АТФ), аденозиндифосфат (АДФ), цитозинтрифосфат (ЦТФ), уридинтрифосфат (УТФ), гуанозинтрифосфат (ГТФ), креатинфосфат, ацетилфосфат и другие со­единения. Важнейшим переносчиком энергии является АТФ.

Образование АТФ идет с расходом энергии, поэтому эта реак­ция происходит только сопряженно с энергетически полезными реак­циями. Так, АТФ образуется в результате фотосинтетического фосфорилирования, окислительного фосфорилирования (фосфорилирование в дыхательной цепи) и фосфорилирования на уровне субстрата, т. е. фотосинтеза, дыхания и брожения, которые будут рассмотрены ниже.

Энергетически богатые связи (макроэргические фосфатные связи) обозначают символом ~РО₄. Отщепление концевого фосфата сопровождается выделением 3,4 • 10⁴ -5,0 • 10⁴ Дж вместо 1,3 • 10⁴ Дж, как при разрыве обычных химических связей.

Следовательно, образование соединений с макроэргическими связями составляет основной механизм, благодаря которому в клет­ках микроорганизмов запасается и сохраняется некоторое количест­во энергии, расходуемое по мере надобности для биосинтеза, а так­же для механического движения и осморегуляции. Следовательно, АТФ представляет собой универсальный переносчик химической энергии между реакциями, поставляющими энергию, и реакциями, потребляющими ее.

Окисление и восстановление органических соединений (биологическое окисление) начали изучать в 1780г., когда французский ученый А. Л. Лавуазье обнаружил, что животные поглощают кисло­род из воздуха и выделяют СО₂. Процесс биологического окисления назвали дыханием. Оно свойственно и высшим растениям. Под по­нятием «окисление» в то время подразумевали процесс соединения вещества с кислородом, а под понятием «восстановление» - про­цесс отщепления кислорода от вещества.

Сейчас окисление представляют как процесс отнятия от ве­щества двух атомов водорода, что равносильно удалению двух электронов и двух протонов. Поэтому процесс теперь носит назва­ние дегидрирования. В противоположность ему восстановление того или иного соединения представляет собой присоединение двух ато­мов водорода или двух электронов и двух протонов. Последний про­цесс называют гидрированием.

Окисление может быть представлено следующим образом:

АН₂→ А + 2Н

В + 2Н→ ВН₂

Суммарная реакция показывает окисление АН₂ при помощи В:
АН2 + В → ВН₂ + А

В этой реакции АН₂ - восстановитель, или донор водоро­да, В -окислитель, или акцептор водорода.

Понятие окисления применимо и к реакциям, связанным только с переносом электронов. Так, реакцию, при которой атомы или молекулы теряют электроны (е^-), называют окислением, обрат­ный процесс -присоединение электронов -восстановлением. На­пример, превращение закисного железа в окисное происходит с поте­рей электрона и представляет собой реакцию окисления:

Fe²⁺ → Fe³⁺ + e^-

Ни электроны, ни атомы водорода не могут накапливаться в среде как таковые. Они должны быть акцептированы каким-либо другим химическим соединением. Поэтому каждое окисление обя­зательно сопровождается восстановлением.

Переносчиками водорода в реакциях биологического окисления и восстановления служат главным образом два пиридиновых
нуклеотида (коферменты анаэробных дегидрогеназ) - никотинамидадениндинуклеотид (НАД) и никотинамидадениндинуклеотид - фосфат (НАДФ). Отнимая водород от окисляемого субстрата, эти соединения переходят в восстановленную форму (НАД•Н₂ и НАДФ•Н₂) и переносят водород на другой акцептор. НАД•Н₂ пере­дает водород главным образом на промежуточные продукты броже­ния или в дыхательную цепь, НАДФ•Н₂ чаще участвует в реакциях
биосинтеза клетки.

⇐ Предыдущая123

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: