Глава 4 Экология микроорганизмов

 

Микроорганизмы распространены повсюду. Они заселяют почву, воду, воздух, растения, организмы животных и людей- экологические среды обитания микробов.

Выделяют свободноживущие и паразитические микроорганизмы. Всюду, где есть хоть какие- то источники энергии, углерода, азота, кислорода и водорода (кирпичиков всего живого), обязательно встречаются микроорганизмы, различающиеся по своим физиологическим потребностям и занимающих свои экологические ниши. Титаническая роль микроорганизмов в круговороте веществ в природе имеет исключительное значение для поддержания динамического равновесия биосферы.

Микроорганизмы в экологических нишах сосуществуют в виде сложных ассоциаций- биоценозов с различными типами взаимоотношений, в конечном счете обеспечивающих сосуществование многочисленных видов прокариот и различных царств жизни.

Все типы взаимоотношений микроорганизмов объединяются понятием симбиоз. Он может быть антогонистическим и синэргическим.

Под круговоротом веществ в природе понимают циклы превращения химических элементов, из которых построены живые существа, происходящие вследствие разнообразия и гибкости метаболизма микроорганизмов.

Наибольшее значение для всего живого имеет обмен (кругооборот) углерода, кислорода, водорода, азота, серы, фосфора и железа. Этапы кругооборота различных химических элементов осуществляется микроорганизмами разных групп. Непрерывное существование каждой группы зависит от химических превращений элементов, осуществляемых другими группами микроорганизмов. Жизнь на Земле непрерывна, поскольку все основные элементы жизни подвергаются циклическим превращениям, в значительной степени определяемых микроорганизмами.

4.1 Микрофлора почвы

Почва является основным местом обитания микробов. Состав микрофлоры складывается из многих тысяч видов бактерий, грибов, простейших и вирусов. Количество микробов зависит от состава почв и ряда других факторов, в одном грамме пахотной почвы может содержаться до 10 млрд. микроорганизмов. Среди них сапрофиты (“гнилое растение”), т.е. микроорганизмы, живущие за счет мертных органических субстратов. В процессе самоочищения почвы и кругооборота веществ принимают участие также нитрифицирующие, азотфиксирующие, денитрифицирующие и другие группы микроорганизмов.

Патогенные микроорганизмы попадают в почву с биовыделениями людей и животных (калом, мочой, мокротой, слюной, гноем, потом и др.), а также с трупами. Дольше всего в почве сохраняются спорообразующие патогенные микроорганизмы- возбудители сибирской язвы, столбняка, газовой гангрены, ботулизма, что определяет эпидемическое значение почвы при этих инфекциях. Возбудители сапронозов могут автономно обитать в почве и воде и быть связанными с почвенными и водными организмами, т.е. эта природная среда обитания для них- основной резервуар возбудителей. Почва и вода в случае сапронозов выступает в качестве источника заражения животных и людей.

4.2 Микрофлора воды

Вода- древнейшее место обитания микроорганизмов. Пресноводные водоемы и реки отличаются богатой микрофлорой. Многие виды галофильных микробов обитает в морской воде, в том числе на глубинах в несколько тысяч метров. Численность микроорганизмов в воде в определенной степени связано с содержанием органических веществ. Серьезной экологической проблемой являются сточные воды, содержащие значительное количество микроорганизмов и органических веществ, не успевающих самоочищаться.

Санитарно- гигиеническое качество воды оценивается различными способами. Чаще определяют коли- титр и коли- индекс, а также общее количество микроорганизмов в мл. Коли- индекс- количество E.coli (кишечной палочки) в одном литре, коли- титр- наименьшее количество воды, в котором обнаруживается одна клетка кишечной палочки. Санитарно- эпидемиологическое значение определения в различных объектах микроорганизмов изучает санитарная микробиология. К числу ее основных принципов можно отнести индикацию (выявление) патогенов в объектах окружающей среды, к косвенным методам- выявление санитарно- показательных микроорганизмов, определение общей микробной обсемененности.

Вода имеет существенное значение в эпидемиологии кишечных инфекций. Их возбудители могут попадать с испражнениями во внешнюю среду (почву), со сточными водами- в водоемы и в некоторых случаях- в водопроводную сеть.

4.3 Микрофлора воздуха

Воздух как среда обитания менее благоприятен, чем почва и вода- мало питательных веществ, солнечные лучи, высушивание. Главным источником загрязнения воздуха микроорганизмами является почва, меньше- вода. В видовом отношении преобладают кокки (в т.ч. сарцины), споровые бактерии, грибы, актиномицеты. Особое значение имеет микрофлора закрытых помещений (накапливается при выделении через дыхательные пути человека). Воздушно- капельным путем (за счет образования стойких аэрозолей) распространяются многие респираторные инфекции (грипп, коклюш, дифтерия, корь, туберкулез и др.).

Микробиологическая чистота воздуха имеет большое значение в больничных условиях (особо- операционные и другие хирургические отделения).

4.4 Микрофлора человека и ее значение

Ребенок развивается в организме матери в норме в стерильных условиях. Формирование новой экологической системы “организм человека + населяющая его микрофлора” начинается в момент рождения, причем основой ее является микрофлора матери и окружающей ребенка внешней среды (прежде всего воздуха). В течение короткого времени кожные покровы и слизистые оболочки, сообщающиеся со внешней средой, заселяются разнообразными микроорганизмами. В формировании микрофлоры детей первого года (главным образом- бифидобактерии и лактобактерии) существенную роль имеет естественное (грудное) вскармливание.

Нормальная (т.е. в условиях здорового организма) микрофлора в количественном и качественном отношении представлена на различных участках тела (экотопах) неодинаково. Причины- неодинаковые условия обитания.

Аутохтонная (т.е. присущая данной области) микрофлора может быть разделена на резидентную ( постоянную) и транзиторную (непостоянную). На слизистых оболочках, особенно желудочно- кишечного тракта, представители нормальной микрофлоры обитают в виде двух форм- часть из них располагается в просвете (просветная), другая заключена в мукозный пристеночный матрикс, образующий биопленку (пристеночная микрофлора).С ней связана колонизационная резистентность кишечника- естественный барьер защиты кишечника (и организма в целом) от инфекционных агентов.

Нормальная микрофлора кожи.

Наиболее заселены микроорганизмами места, защищенные от действия света и высыхания. Наиболее постоянен состав микрофлоры в области устьев сально- волосяных фолликулов. Чаще выявляют Staphylococcus epidermidis и S.saprophyticus, грибы рода Candida, реже- дифтероиды и микрококки.

Микрофлора дыхательных путей.

Слизистые оболочки гортани, трахеи, бронхов и альвеолы здорового человека не содержат микроорганизмов. Основная масса микрофлоры рото- и носоглотки приходится на зеленящего стрептококка, реже выявляются нейссерии, дифтероиды и стафилококки.

Микрофлора мочеполового тракта.

Микробный биоценоз скуден, верхние отделы обычно стерильны. Во влагалище здоровой женщины преобладают молочнокислые палочки Додерлейна (лактобактерии), создающие кислую рН, угнетающую рост грамотрицательных бактерий и стафилококков, и дифтероиды. Существует баланс между лактобактериями с одной стороны и гарднереллами и анаэробами с другой.

Микрофлора желудочно- кишечного тракта.

Наиболее активно бактерии обживают желудочно- кишечный тракт. При этом колонизация осуществляется четко “по этажам”. В желудке с кислой реакцией среды и верхних отделов тонкой кишки количество микроорганизмов не превышает 1000 в мл, чаще обнаруживают лактобациллы, энтерококки, дрожжи, бифидобактерии, E.coli.

Микрофлора толстого кишечника наиболее стабильна и многообразна. Это поистинне резервуар бактерий всего организма- обнаружено более 250 видов, общая биомасса микробов может достигать 1,5 кг. Доминирующей группой в норме являются бесспоровые анаэробные бактерии (бифидобактерии и бактероиды)- до 99%. Выделяют мукозную (пристеночную) и просветную микрофлору. Пристеночная микрофлора обеспечивает колонизационную резистентность кишечника, играющую важную роль в предупреждении (в норме) и в развитии (при патологии) экзо- и эндогенных инфекционных заболеваний.

Нормальная микрофлора и особенно микрофлора толстого кишечника оказывает существенное влияние на организм. Основные ее функции:

- защитная (антагонизм к другим, в том числе патогенным микробам);

- иммуностимулирующая (антигены микроорганизмов стимулируют развитие лимфоидной ткани);

- пищеварительная (прежде всего обмен холестерина и желчных кислот);

- метаболическая (синтез витаминов группы В- В1,2,6,12, К, никотиновой, пантотеновой, фолиевой кислот).

Существуют различные методы изучения роли нормальной микрофлоры. Гнотобионты (безмикробные животные) используются для изучения роли микроорганизмов для функционирования физиологических систем. Гнотобиологические технологии используют для лечения иммунодефицитов, ожогов.

В результате разнообразных воздействий, снижающих естественную резистентность, при тяжелых инфекционных и соматических заболеваниях и особенно при нерациональном применении антибиотиков возникают дисбактериозы. Дисбактериоз- изменения количественного и качественного состава микрофлоры, главным образом кишечника. Чаще сопровождаются увеличением факультативно- анаэробной или остаточной микрофлоры (грамотрицательных палочек - кишечной палочки, протея, псевдомонад), стафилококков, грибов рода Candida. Эти микроорганизмы как правило устойчивы к антибиотикам и при подавлении нормофлоры антибиотиками и снижении естественной резистентности получают возможность беспрепятственно размножаться.

 

Глава 5 Ферменты

 

Обмен веществ всех организмов обусловливается деятельностью ферментов, или энзимов. Своеоб­разием и активностью ферментов определяются все жиз­ненные функции организмов.

Микробы обладают многочисленными ферментами, разнообразными по свойствам и действию. Все физиоло­гические особенности данного микроба, создаваемая им реакция среды, взаимоотношения с другими организма­ми определяются набором и активностью ферментов.

Качественное своеобразие ферментных систем раз­личных микроорганизмов создалось в процессе эволю­ционного развития в результате приспособления к опре­деленным условиям среды.

Например, молочнокислые бактерии особенно хоро­шо развиваются в молоке, целлюлозные бактерии для своей жизнедеятельности нуждаются в клетчатке, серо­бактерии — в наличии серных соединений. Избиратель­ный характер питания микробов доказал еще Пастер опытом с грибом пеницилл^ум. Гриб выращивали в сме­си D- и L-изомеров винной кислоты, при этом он потреблял лишь правовращающую, оставляя для многих микроорганизмов. Она ярко выражена у дрожжей, бро­дильная способность которых в отношении различных углеводов строго специфична. Это свойство микроорга­низмов используется для классификации их, причем учи­тывается не только качественная сторона процесса, но и интенсивность энзиматического действия.

Ферменты являются основой биохимической деятель­ности микробов, с их участием в клетках осуществляют­ся распад и синтез сложных соединений, составляющие сущность обмена веществ. Без ферментов жизнь микроб­ной клетки невозможна. При подавлении активности ферментов микробы переходят в анабиотическое состоя­ние, с их активированием усиливается жизнедеятель­ность клеток, активируется рост и размножение.

Ферменты образуются в микробных клетках в стро­гом соответствии с условиями питания и со спецификой субстрата, подлежащего использованию. При изменении условий жизни микробы могут приобрести способность потреблять иные вещества, которые ранее были для них недоступны. Образование некоторых ферментов может происходить естественно, в процессе длительного при­способления культуры к необычному субстрату или до­вольно быстро в искусственных условиях при взаимодей­ствии с соответствующим веществом.

Некоторые ферменты выделяются из клеток наружу, и функцией их является расщепление сложных соедине­ний на более простые, доступные для усвоения. Такие ферменты называют экзоферментами.

Большинство других ферментов содержатся в клет­ках и являются эндоферментами. Разница между ними заключается в том, что первые проникают через клеточную оболочку, а вторые к этому неспособны.'Де­ление это, однако, в известной мере условно, так как од­ни и те же ферменты, связанные с клеточными структу­рами, могут функционировать как эндоферменты, а в свободном состоянии — как экзоферменты. Способность проникать через клеточную стенку зависит от величины молекулы фермента и от степени проницаемости цито-плазматической мембраны.

Примером эндофермента может служить зимаза, выеленная Э. Бухнером из дрожжей в 1897 г.,, являющая­ся ферментом спиртового брожения. В настоящее время известно, что зимаза представляет собой комплекс фер­ментов. При подсушивании дрожжей эти ферменты лег­ко выходят из клеток. К экзоферментам относятся ами­лаза, каталаза и др.

Вследствие исключительно важной роли ферментов в жизнедеятельности всех организмов они подвергаются всестороннему изучению.

Над разгадкой химической природы ферментов уче­ные работали более 150 лет с того момента, когда в 1814 г. русский ученый К. С. Кирхгоф открыл фермент диастаз. Однако структуру ферментов раскрыли лишь в последние 20—30 лет, после того как Самнеру удалось получить кристаллический препарат уреазы и доказать, что этот фермент представляет собой белковое вещество. После этого различными учеными были получены крис­таллические препараты пепсина, трипсина и других гид­ролитических ферментов, которые также оказались бел­ками.

Исследование физико-химических свойств ферментов показало, что каждый из них обязательно содержит бе­лок, с которым теснейшим образом связаны каталитиче­ские функции. Некоторые ферменты являются двухком-понентными; они состоят из двух частей: термостабиль­ной активной группы — ко фермент а, или просте-тической группы, и специфического коллоидного носителя белковой природы —-апофермента. В сво­бодном состоянии активная группа недеятельна; актив­ность ее обусловливает коллоидный носитель.

На этом основании все ферменты подразделяют на две основные группы:.

ферменты-протеины, представляющие собой про­стые белки;

ферменты-протеиды, в составе которых имеют­ся отдельная простетическая группа и коллоидный носи­тель белкового типа.

К первой группе относятся ферменты, активность ко­торых часто обусловлена наличием в их составе атомов какого-либо металла. Ко второй группе относят фермен­ты с двухкомпонентным строением.

Исследования показали, что каждый из компонентов выполняет определенные функции. Например, активная,

или простетическая, группа Непосредственно участвует в ферментной реакции.

В каждой простетической группе имеется обычно осо­бая активная группировка, способная легко переходить из окисленного состояния в восстановленное.

Коллоидный носитель также выполняет определен­ные функции: увеличивает реактивную способность фер­мента и определяет специфичность его действия. Извест­но, что простетическая группа лишена специфичности, а белковый носитель весьма специфичен. Это свойство его проявляется в том, что он может соединиться не только со своей простетической группой, но и со специ­фическим участником реакции - веществом (субстра­том), подлежащим превращению. Таким образом сбли­жаются «партнеры» и легко осуществляется реакция между ними.

 

Общие свойства ферментов

Ферменты называют катализаторами белковой при­роды, так как они в миллионы раз ускоряют течение от­дельных химических реакций. Благодаря этой способно­сти ферменты играют важнейшую роль в обмене веществ, во взаимодействии организма с внешней средой. Таким образом, первым свойством ферментов, отличающим их от химических катализаторов, является колоссальное ускорение течения реакций.

Вторым свойством ферментов является строгая спе­цифичность их действия. Например, мальтаза разлагает мальтозу и не действует на близкий дисахарид сахаро­зу. Действие ферментов направлено на совершенно опре­деленные химические связи.

Третьим свойством ферментов является их большая зависимость (лабильность) от ряда внешних воздейст­вий - температуры, рН среды, окислительно-восстанови­тельных условий, присутствия некоторых веществ и др.

По степени чувствительности к температуре фермен­ты делят на две группы: термолабильные и тер­мостабильные. Первые переносят кратковременное нагревание до 55 - 65° С, при более высокой температу­ре они инактивируются. Вторые переносят нагревание до температуры 75° С.

Примером высокоустойчивого к нагреванию внекле­точного фермента является термостойкая сс-амилаза.

Интересен вопрос о происхождении ферментов. По представлению некоторых ученых, ферменты возникли на Земле одновременно или даже раньше, чем первичные формы жизни. По-видимому, предшественниками их яв­лялись неорганические катализаторы или органические соединения с низкой молекулярной массой. Однако они обладали малой специфичностью и слабым каталитиче­ским действием и по существу еще не являлись фермен­тами.

Соединение таких катализаторов с белками положи­ло начало возникновению ферментов. В дальнейшем пер­вичные ферменты подвергались естественному отбору и сохранялись только те, которые улучшали жизненные процессы организмов.

Класситфикация ферментов

Классификация ферментов основывается на разделе­нии их по функциям. Каждый из ферментов специфичен как в отношении субстрата, на который он действует, так и в отношении производимой им реакции. Так, раф­финоза расщепляется раффиназой по одной связи на мелибиозу и фруктозу, а подругой связи—эмульсином на сахарозу и галактозу.

Часто ферменты называют по расщепляемому ими субстрату, например мальтаза расщепляет мальтозу, са-хараза — сахарозу, лактаза — лактозу и т. д.

Учение о ферментах развивалось быстрыми темпами, и создавалась большая путаница в терминологии и клас­сификации. В результате работы международной комис­сии в 1961 г. разработана новая система рациональной классификации и номенклатуры ферментов. В настоя­щее время известно более 1000 ферментов, которые по характеру их действия делятся на шесть главных классов: оксидоредуктазы, трансферазы, гидролазы, лиазы, изо-меразы и лигазы (синтетазы).

Каждый класс ферментов делится на более мелкие подразделения.

ОКСИДОРЕДУКТАЗЫ

К этому классу относятся ферменты, которые ката­лизируют окислительно-восстановительные реакции, про­исходящие в живых организмах. Главными из них являются дегидрогеназы. Они катализируют реакции де­гидрирования, т. е. отнятия водорода от какого-либо ве­щества:

АН₂ + В ч± А + ВН₂.

При этом вещество, которое отдает водород, в дан­ном случае АНг, называют донором водорода, а веще­ство В, отнимающее водород, — его акцептором. В этом случае происходят одновременно две реакции: при окис­лении одного вещества другое восстанавливается. Такие реакции называют окислительно-восстановительными.

В этой реакции участвует также катализатор, или промежуточный переносчик водорода. Роль катализато­ра в живых клетках выполняют различные ферменты из группы дегидрогеназ. В зависимости от химической при­роды окисляемого вещества дегидрогеназы получают свое название. Все дегидрогеназы делят на две груп­пы: анаэробные и аэробные.

Анаэробные дегидрогеназы не могут отда­вать водород, отнятый ими от окисляемого вещества, кис­лороду воздуха. Они передают его другим акцепторам, например другим дегидрогеназам или хиноноподобным соединениям. По химической природе анаэробные дегид­рогеназы являются двухкомпонентными ферментами. Их активные группы в большинстве случаев содержат ви­тамин РР (амид никотиновой кислоты). Коферментом их является дифосфопиридиннуклеотид (сокращенно НАД) — исключительно реакционноспособная окисли­тельно-восстановительная система. Она играет важную роль в процессах спиртового и молочнокислого броже­ния, дыхания и фотосинтеза.

Анаэробные дегидрогеназы окисляют различные суб­страты: молочную, яблочную, изолимонную кислоты, глюкозу, различные альдегиды и спирты. Специфичность их действия зависит от особенностей белка, с которым связан данный пиридиновый кофермент.

Аэробные дегидрогеназы могут передавать отнятый от окисляемого вещества водород непосредст­венно кислороду воздуха. К этой группе принадлежат ферменты, в состав активной группы которых входят ри-бофлавины (витамин В₂) —флавопротеиды.

Среди ферментов этой группы наиболее изученным является желтый дыхательный фермент. Он участвует

в окислении ряда соединений и играет важную роль в об­мене веществ. Примером является реакция отнятия во­дорода от гексозомонофосфата, в результате чего обра­зуется фосфоглюконовая кислота. Действующая здесь анаэробная дегидрогеназа передает водород желтому ферменту, а он в свою очередь передает его кислороду воздуха. Этот пример ступенчатой ферментативной ре­акции схематически изображен ниже:

Оксид азы. Оксидазами называют анаэробные де-гидрогеназы, акцептором водорода для которых служит только кислород воздуха. Оксидаза отнимает от окисля­емого субстрата водород и передает его кислороду воз­духа, образуя при этом воду или перекись водорода:

Примером фермента этого типа является полифено-локсидаза, содержащаяся в грибах и высших растениях. Глюкозооксидаза содержится в различных плесневых грибах, она окисляет глюкозу в глюконовую кислоту.

Цитохромная система. Цитохромная фермент­ная система состоит из цитохромов и фермента цитохро-моксидазы. Она участвует в живых клетках в процессах дыхания, фотосинтеза и хемосинтеза. Цитохромная си­стема содержится во всех растениях и микробах, кроме строгих анаэробов. Цитохромы — это протеиды, в кото­рых вместо простетической группы содержится железопорфирин - вещество, близкое к тему гемоглобина кро­ви. Окисленная форма цитохрома в живой клетке отни­мает электрон от атомов водорода, превращая их в ионы Н+. Цитохром при этом из окисленной формы переходит в восстановленную, а содержащееся в нем железо пре­вращается из трехвалентного в двухвалентное. Электрон передается атому кислорода, который после этого при­обретает способность реагировать с ионизированными водородными атомами, образуя воду. Таким образом, цитохромная система играет роль промежуточного звена между восстановленными дегидрогеназами и кислоро­дом воздуха.

Пероксидаза - фермент, под действием которо­го в организме происходит окисление перекисью водо­рода органических соединений -"фенолов, аминов, неко­торых гетероциклических соединений. Она содержится в тканях животных, растениях и в некоторых бактериях.

Каталаза - фермент, вызывающий интенсивное разложение перекиси водорода на воду и молекулярный кислород:

2Н₂О₂ -» 2Н₂О + О₂.

Каталаза в организме разрушает ядовитую для кле­ток перекись водорода, образующуюся в процессе дыха­ния. Это чрезвычайно распространенный фермент, он име­ется у животных, растений и всех аэробных микроорга­низмов.

ТРАНСФЕРАЗЫ

К классу трансфераз относятся ферменты, катализи­рующие перенос целых атомных группировок от одного соединения к другому.

Л. А. Иванов и А. Н. Лебедев обнаружили, что в спиртовом брожении и в образовании промежуточных продуктов участвует фосфорная кислота. В начальных стадиях брожения происходит фосфорилирование саха-ров и образуются фосфорные эфиры углеводов. Катали­зируют этот процесс ферменты фосфотрансферазы, пе­реносящие остатки фосфорной кислоты. Для переноса их, помимо фермента, играющего роль акцептора, необ­ходимо наличие донора фосфатных групп.

В качестве донора выступает аденозин, который находится б одной из трех фосфорилированных форм: 1) аденозинмонофосфат, или адениловая кислота; 2) аденозиндифосфат (АДФ); 3) аденозинтрифосфат (АТФ).

Каждая из этих форм может отдавать соответствен­но одну, две или три фосфатные группы.

Молекула сахара должна быть фосфорилирована до начала брожения; это может произойти двумя путями. В одном случае крахмал, гликоген или другой полисаха­рид могут претерпеть фосфоролитический распад, при котором в результате действия фермента фосфорилазы образуется глкжозо-1 -фосфат. Здесь роль фосфорилиру-ющего агента выполняет неорганический фосфат.

В другом случае глюкоза может быть прямо фосфо­рилирована ферментом гексокиназой, относящейся к группе фосфотрансфераз, в глюкозо-6-фосфат. Роль фос-форилирующего агента здесь играет АТФ.

Фосфотрансфераза вызывает перенос остатков фос­форной кислоты от АТФ на глюкозу или фруктозу:

АТФ + Глюкоза ** Глюкозо-6-фосфат + АДФ.

Фермент гексокиназа катализирует образова­ние гексозофосфата из гексозы и АТФ, он содержится в дрожжах, тканях животных, семенах пшеницы, гороха, проросшем овсе и в картофеле.

Фосфотрансфераза катализирует также фосфорили-рование пировиноградной кислоты — важнейшего про­межуточного продукта при брожении и дыхании:

Переносимые фосфатные остатки АТФ содержат ма-кроэргические связи, которые обладают очень большим запасом энергии. Гидролиз такой связи освобождает 29,3-10⁶—67-Ю⁶ Дж на каждую грамм-молекулу отщеп­ленного фосфата. В схематической формуле макроэрги-ческие связи в молекуле АТФ указаны зна-ком (~):

При гидролизе связи между фосфорной кислотой и аденозином освобождается всего 8-Ю⁶—12-Ю⁶ Дж на одну грамм-молекулу отщепленного фосфата, следова­тельно, эта связь не является макроэргической.

Перенос остатков фосфорной кислоты происходит в три этапа. На первом этапе с участием фосфотрансфе-разы происходит конденсация реагирующих веществ; на втором в образовавшемся комплексе идет внутримоле­кулярная перегруппировка. На последнем этапе полу­ченный комплекс гидролизуется.

Перенос остатков фосфорной кислоты с АТФ на дру­гие соединения имеет очень большое биологическое зна­чение, так как этим осуществляется передача большого количества энергии, заключенной в макроэргических связях. Образующееся при этом фосфорнокислое соеди­нение по сравнению с исходным является более лабиль­ным и способным к дальнейшим превращениям.

Кроме фосфотрансфераз открыты ферменты, катали­зирующие перенос отдельных групп - например, амино­групп, метальных групп, остатков моносахаридов, с од­них соединений на другие.

В молекулах полисахаридов может происходить за­мещение остатка какого-либо моносахарида остатком другого. Ферменты, катализирующие эти реакции, назы­вают фосфорилазами. Они широко распростране­ны в растениях, животных организмах и микробах. Дей­ствие их отличается от гидролаз тем, что роль воды при гидролизе здесь играет фосфорная кислота. Крахмаль­ная фосфорилаза, например, катализирует превращение крахмала или гликогена в глюкозо-1-фосфат. Реакция фосфоролиза обратима, и из глюкозо-1-фосфата в при­сутствии фермента может вновь образоваться крахмал или гликоген.

Фосфорилаза играет большую роль в процессе обра­зования и превращения гликогена в дрожжах и в жи­вотном организме, а также в процессе синтеза крахмала в растениях. Сахароза также может подвергнуться дей­ствию фосфорилазы; при этом глюкоза отщепляется от молекулы сахарозы без участия воды (см. формулу на стр. 84).

ГИДРОЛАЗЫ

К группе гидролаз относится очень большое количест­во ферментов, катализирующих расщепление при уча­стии воды различных сложных органических соединений на более простые. Гидролазы катализируют реакции по типовому уравнению RR' + H—OH^R-OH + H-R'.

Группа гидролаз очень обширна и может быть разде­лена на несколько подгрупп, объединяющих каждая не­сколько ферментов.

Эстеразы катализируют реакции расщепления и син­теза сложных эфиров по уравнению

R.CO — О — R' + H₂O** R-COOH + R'-OH,

где R — остаток кислоты, a R' — остаток спирта или фенола.

К эстеразам относятся ферменты, катализирующие гидролитическое расщепление различных соединений. Среди эстераз большое значение имеют липазы и фос-фатазы.

Липазы - ферменты, катализирующие расщепле­ние и синтез жиров. Действие этих ферментов направле­но на сложноэфирную связь между глицерином и высо­комолекулярными жирными кислотами. Липазы различ­ного происхождения различаются между собой но свой­ствам и характеру действия.

В растениях и микроорганизмах липаза содержится в двух формах — нерастворимой и растворимой. Нераст­воримая липаза тесно связана с белковыми веществами и очень активна. Растворимая липаза вырабатывается микроорганизмами. При повышенной влажности и тем­пературе она быстро расщепляет глицериды с образова­нием свободных жирных кислот. В результате кислот­ность муки или крупы при хранении увеличивается и они прогоркают. К числу эстераз кроме липазы относятся танназа, хлорофиллаза, пектаза, а также ферменты, ко­торые расщепляют сложные эфиры неорганических кис­лот: сульфатазы и фосфатазы.

Фосфатазы, гидролизующие сложные эфиры фосфорной кислоты, чрезвычайно широко распростране­ны в природе, в том числе и в микроорганизмах. Разли­чают три группы фосфатаз:

монофосфатазы, гидролизующие моноэфиры фосфор­ной кислоты;

дифосфатазы, гидролизующие диэфиры фосфорной кислоты;

фитаза - фермент, отщепляющий остатки фосфорной кислоты от инозитфосфорной кислоты.

Фосфатазы являются важнейшими ферментами, ка­тализирующими отдельные этапы процессов дыхания и ферментативных превращений углеводов при спирто­вом брожении. Важными фосфатазами являются фер­менты, катализирующие гидролиз нуклеиновых кислот.

Карбогидразы катализируют реакции типа

R - О - R' + Н₂О ч± ROH + HOR',

где R - остаток моно-, ди- или полисахарида, a R ' - может быть также моно- ди- или полисахаридом или же веществом не­углеводной природы.

Карбогидразы катализируют гидролиз и синтез глю-козидов, ди-, три- и полисахаридов. Действие карбогид-раз направлено на связь С - О - С. Карбогидразы раз­деляются на олигазы и полиазы.

К олигазам относится ряд ферментов: мальтаза, сахараза (инвертаза) и др. Мальтаза содержится в тка­нях растений, в дрожжах, бактериях, в плесневых гри­бах и вызывает гидролиз мальтозы. Сахароза катализи­рует расщепление сахарозы на глюкозу и фруктозу и активна в дрожжах, из которых фермент может быть по­лучен в чистом виде.

Среди по л и аз наибольшее значение имеют амила­зы— ферменты, вызывающие гидролиз крахмала с обра­зованием декстринов и мальтозы.

Открытый К- С. Кирхгофом в 1814 г. фермент амила­за (раньше назывался диастазом) содержится в боль­шом количестве в солоде, слюне, в соке поджелудочной железы. При гидролизе крахмала образуются декстрины различной молекулярной массы и мальтоза как конеч­ный продукт расщепления крахмала.

Ферментативное расщепление крахмала амилазами является сложным процессом и состоит в основном из трех стадий:

разжижение крахмального клейстера;

декстринизация крахмала, т. е. превращение его в продукты распада, не дающие синей реакции с йодом;

осахаривание, т. е. превращение в сахара (мальтозу) всего крахмала и продуктов его декстринизации.

По свойствам, распространению в природе и по спо­собу действия на крахмал различают две амилазы. а-Амилаза, иначе называемая гликогеназой, содер­жится в слюне, в пищеварительном соке, в плесневых грибах, проросшем зерне злаков. При действии ее на крахмал образуются главным образом декстрины и не­которое количество мальтозы. Фермент термостабилен и при температуре 70° С разрушается слабо, но чувстви­телен к кислой реакции среды. В ячмене сс-амилаза поч­ти не содержится и накапливается в нем при прораста­нии (например, при соложении). р-Амилаза всегда содержится в ячмене, а при прорастании зерна актив­ность ее возрастает мало. Она расщепляет крахмал с преимущественным образованием мальтозы. Фермент термолабилен и при температуре 70° С полностью инак-тивируется за 15 мин, но в кислой среде более устойчив.

В отдельности ни а-, ни р-амилаза не могут полно­стью гидролизовать крахмал или гликоген с образова­нием мальтозы, но при одновременном их действии крах­мал гидролизуется на 95%.

Кроме амилаз известны еще и другие ферменты, гид-ролизующие расщепление сложных углеводов; так, цел-лулаза вызывает превращение клетчатки с образовани­ем целлобиозы, инулаза — инулина с образованием фруктозы, пектиназа — пектиновых веществ и т. д. Пек-тиназы применяют для осветления фруктовых соков, пло­довых и виноградных ёин, содержащих обычно большое количество пектина.

Амидазы. К этой группе ферментов принадлежат те, которые гидролизуют амиды и аминокислоты: аспара-гин, глютамин, аргинин. Действие уреазы очень специ­фично, так как она гидролизует только мочевину. Ами­дазы имеются в растениях, плесневых грибах, бактериях и дрожжах. Аспарагиназа и глютаминаза играют суще­ственную роль в азотном обмене, катализируя превращения важных промежуточных продуктов обмена веществ. Протеазы. Сюда относятся ферменты, катализирую­щие гидролитическое расщепление белков и полипепти­дов по уравнению

R-CO —NH-R' + HOH ** RCO-OH + H₂NR'.

Из этого уравнения видно, что протеазы катализиру­ют расщепление пептидной связи—СО—NH—. Обычно протеазы разделяют на пептидазы и протеиназы.

Пептидазы осуществляют гидролиз пептидов и обладают большой специфичностью.

Протеиназы гидролизуют белок, причем образу­ются пептоны, полипептиды и свободные аминокислоты. Среди протеиназ особенно важны пепсин, трипсин и др. Пепсин выделяется слизистой оболочкой желудка и гид-ролизует самые разнообразные белки, включая кератин, из которого состоят рога, ногти и перья.

Трипсин в числе других ферментов вырабатывается поджелудочной железой; он гидролизует белки и пеп­тиды.

Из желудка теленка выделен сычужный фермент, вы­зывающий створаживание молока.

Особую группу ферментов составляют протеиназы, содержащиеся в микроорганизмах и в млечном соке рас­тений. Представителем этой группы ферментов является папаин.

ЛИАЗЫ

К этому классу относятся те ферменты, которые от­щепляют от субстрата негидролитическим путем опреде­ленную группу, в результате чего образуется двойная связь. Некоторые из них катализируют отщепление во­ды, другие - СО₂ или NH₃.

В процессе спиртового брожения важную роль играет фермент фосфопируватгидратаза, катализирующий пре­вращение 2-фосфоглицериновой кислоты в фосфоэнолпи-ровиноградную.

Примером лиаз, катализирующих отщепление СО₂, является карбонатгидролиаза, которая расщепляет угольную кислоту на СОа и воду; Н₂СО₃зё^СО2+Н₂О.

Процесс отщепления СО₂— декарбоксилирование — происходит и с более сложными соединениями, например с органическими кислотами:

Щавелевоуксусная кислота ->- Пировиноградная кислота

Ферменты, отщепляющие СО₂, играют важнейшую роль в процессе фотосинтеза. Ферментативному декар-боксилированию подвергаются также аминокислоты. Та­кие ферменты найдены у животных,

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: