ПИТАНИЕ МИКРООРГАНИЗМОВ

Обмен веществ у микроорганизмов заключается в поступле­нии питательных веществ из внешней среды в клетку и выделении во внешнюю среду продуктов их жизнедеятельности. Главными процессами обмена веществ является питание и дыхание.

Поступление и усвоение пищи (ассимиляция) — это процесс питания, в результате которого организм получает все материа­лы, необходимые для построения своего тела, размножения и по­лучения жизненной энергии. У микроорганизмов нет специальных органов для принятия пищи. Процесс питания, т. е. прохождение растворов питательных веществ через мельчайшие поры оболоч­ки клетки, обладающей избирательной способностью, осущест­вляется путем осмоса и диффузии. Вода с растворенными веще­ствами проникает в клетку, в которой создается довольно высокое осмотическое давление, достигающее 3—6 атм и обусловленное оастворенными в клеточном соке веществами (тургорное давле­ние). Протоплазма прижата к оболочке клетки, находящейся в напряжении, которое носит название тургор. Если осмотическое давление во внешней среде выше, чем в самой клетке, то вода выходит из клетки, тургор ее нарушается, протоплазма умень­шается в объеме и отходит от оболочки. Такое состояние носит название плазмолиз. Если во внешней среде очень низкое осмо­тическое давление, "т. е. низкая концентрация среды, то вода бы­
стро поступает в клетку, протоплазма разбухает, образуется вздутие, что может привести к разрыву оболочки. Такое явление носит название плазмоптис. Оба эти явления отрицательно дей­ствуют на клетку. Следовательно, на жизнедеятельность микроб­ной клетки большое влияние оказывает состав. и концентрация питательной среды. Способность различных веществ проникать в микробную клетку зависит от их химического строения. Соеди­нения, имеющие амино-, окси — или карбоксильную группы, про­никают в клетку гораздо труднее. Чем больше таких групп, тем меньше проницаемость. Например, шестиатомные спирты прак­тически не проникают в микробную клетку. Питательные веще­ства для микроорганизмов должны быть в ассимилируемом ими виде." Одним из важных условий нормального процесса питания микроорганизмов является присутствие в среде достаточного количества воды, необходимой для растворения питательных веществ. Некоторые соединения растворяются в липоидах. Но многие вещества, не растворяющиеся ни в воде, ни в липоидах, переходят в раствор при помощи внеклеточных ферментов, выде­ляемых микробной клеткой. Эти ферменты превращают нераст­воримые и неусвояемые вещества в растворимые и усвояемые, подвергая их гидролитическому расщеплению. Например, дрож­жи выделяют в содержащую сахарозу внешнюю среду фермент сахаразу, который превращает сахарозу в инвертный сахар, про­никающий в дрожжевую клетку. Таким образом, процессы диффузии и осмоса возможны только при условии растворения питательных веществ.

Питательные вещества, поступившие в микробную клетку, превращаются в сложные соединения протоплазмы вследствие различных синтетических и биохимических реакций, катализи­руемых внутриклеточными ферментами. Последние являются коллоидными веществами, не способными проникать из клетки во внешнюю среду. Микроорганизмы по-разному относятся к пи­тательной среде одинакового состава, что объясняется различи­ем ферментов, которые они вырабатывают.

Для питания микроорганизмов необходимы различные соеди­нения углерода, азота, кислорода, водорода и минеральных солей.

513

Отношение к различным источникам азота у микроорганизмов довольно специфично. Они могут использовать азот из самых различных источников. Так, бактерии способны усваивать азот из сложных белковых веществ, простых растворимых белков, из азотнокислых и аммиачных солей, а также потребляют аммиак и свободный азот атмосферы. Для дрожжей лучшим азотистым питанием является водный раствор аммиака и аммиачные соли, аминокислоты, амидокислоты и мочевина, хуже усваивается пептон. Источником кислорода и водорода является в основном вода. Азотистые вещества, поступающие в микробную клетку, с помощью различных синтетических реакций превращаются

33 А. К. Славянский

В сложные белковые вещества ее протоплазмы. Синтез белков у микроорганизмов, использующих различные источники азота, имеет много общего. Так, в качестве промежуточного продукта ассимиляции большинства азотистых соединений образуется ам­миак. Например, микроорганизмы, использующие азот из солей азотной и азотистой кислот, в процессе ассимиляции восстанав­ливают его до аммиака. Аммиак образуется также при ассими­ляции элементарного азота из воздуха. При использовании бел­ков и продуктов их расщепления белки и пептоны разлагаются До аминокислот, которые дезаминируются с образованием ам­миака.

Из аммиака путем присоединения его к кето — и оксикислотам синтезируются аминокислоты. Последние образуются при частич­ном окислении углеводов. Так, кетоянтарная кислота, присоеди— няя аммиак, дает глутаминовую аминокислоту:

Coo 1 — сн, — со —соон + Nh3 + 2Н->

Соон — сн2 — сн — Nh2 — соон + н2о.

В результате действия протеолитических ферментов амино­кислоты образуют пептоны и полипептиды, которые превраща­ются в белки протоплазмы микробной клетки под влиянием про- теаз. По новейшим данным, аминокислоты могут усваиваться дрожжами и некоторыми другими микроорганизмами в неизмен­ном виде, не подвергаясь предварительному расщеплению до аммиака. Таковы пути построения белков в живой клетке.

Для питания микроорганизмов необходимы соединения. угле­рода, лучшим источником которого являются углеводы. Они ис­пользуются для синтеза белков и жиров, для образования кле­точных оболочек и как энергетический материал в дыхательных и других процессах, происходящих в микробных клетках. Из углеводов для питания, например, дрожжей используются глав­ным образом сахара. В качестве углеродистого питания применя­ются органические кислоты и их соли (молочная, уксусная, яб­лочная, янтарная), а также некоторые спирты (этиловый, ман — нит). В последнее время при помощи «меченых» атомов установ­лено, что дрожжи и бактерии для синтеза жиров могут использо­вать уксусную кислоту, которая превращается в жирные кислоты.

Для жизнедеятельности микроорганизмов необходимо нали­чие в питательной среде минеральных веществ. С их помощью регулируется осмотическое давление внутри клетки, они опреде­ляют скорость и направление биохимических реакций и коллоид­ные свойства живой протоплазмы. Из минеральных элементов важнейшую роль в питании микробов играет фосфор, необходи­мый для синтеза сложных фосфорсодержащих соединений с бел­ками. Лучшими источниками фосфора являются различные фос­форнокислые соли калия, натрия, аммония.

Для синтеза белковых веществ клетки необходима сера. Мик­робы получают ее из органических и неорганических сернистых

Соединений. Калий играет большую роль в построении живой протоплазмы, участвуя в синтезе белковых и углеводных соеди­нений. Калий и магний необходимы для лучшего сбраживания сахара. Ионы Mg являются активаторами многих ферментов, участвующих в обмене фосфора, а также фермента энолазы. При отсутствии калия в среде значительно снижается выход биомас­сы дрожжей, т. е. замедляется их размножение. Микроорганизмы поглощают его из фосфорнокислого калия и других солей.

■ Железо и марганец являются передатчиками кислорода в про­цессах дыхания и принимают участие в ферментативных реак­циях. Железо входит в состав дыхательного фермента. Соли кальция стимулируют развитие микроорганизмов, медь входит в состав ферментов. Кроме перечисленных элементов, для жиз­недеятельности микроорганизмов необходимы так называемые микроэлементы: цинк, бор, кобальт, никель, уран, телур и др. Они необходимы как стимуляторы развития и роста микробов, каталитически ускоряющие сложные физиологические процессы и действующие на физико-химические свойства коллоидов про­топлазмы, усваиваются они из веществ, входящих в состав есте­ственной питательной среды.

В состав питательной среды многих микроорганизмов должны входить витамины и витаминоподобные вещества, необходимые для построения ферментов; источником некоторых из витаминов являются экстракты из солодовых ростков, дрожжевой автоли — зат и др.

В обмене веществ микробной клетки наибольшее значение имеют белковые соединения. Они, являясь основой структуры протоплазмы и частью ферментов, регулируют направление, ско­рость и взаимосвязь реакций обмена веществ. Превращения ве­ществ в микробной клетке зависят от участия в них минеральных соединений, витаминов и тесно связаны с влиянием внешней среды.

Итак, питательные вещества имеют решающее значение для жизнедеятельности микроорганизмов. При изменении источников питания микроорганизмы приспосабливаются к новым условиям, приобретают новые свойства, которые передаются по наследству.

Витамины. Изучая значение различных веществ в питании, русский ученый Н. И. Лунин в 1880 г. отметил, что для жизнедея­тельности организмов необходимы в небольших количествах сое­динения, получившие название ростовых веществ или, по пред­ложению польского ученого Функа,— витаминов (Vitami’n — •амин жизни), так как первое соединение содержало аминогруп­пу. В 1904 г. было установлено, что плесневые грибы образуют какие-то органические вещества, которые усиливают рост вновь засеянных грибов, причем они не являются строительными или энергетическими материалами пищи.

В последующие годы было доказано, что для нормального развития микроорганизмов необходимы дополнительные факторы роста, ростовые вещества, или витамины. В настоящее время установлено, что витамины являются сравнительно низкомоле­кулярными органическими соединениями разнообразного хими­ческого строения, которые принадлежат к числу основных ком­понентов пищи, причем присутствуют в ней в очень малых коли­чествах по сравнению с основными ее компонентами. Некоторые микроорганизмы сами синтезируют витамины, например: плесне­вой гриб Aspergillus ni’ger — витамин D, пропионовокислые бак­терии — витамин В12, а для других — введение витаминов в пита­тельный субстрат является обязательным. Ростовые вещества ускоряют развитие микроорганизмов во много раз. Для жизне­деятельности, особенно размножения дрожжей, ростовые вещест­ва, получившие название биос, имеют большое значение. Иссле­дования последнего времени показали, что биос — сложное вещество, состоящее из трех фракций:

1) биос I — инозит (шестиатомный циклический спирт);

2) биос II — витамин Н (биотин);

3) биос III — пантотеновая «вездесущая» кислота.

Некоторые дикие дрожжи сами могут синтезировать биос.

Культурные дрожжи требуют прибавления биоса извне. Для различных плесневых грибов и бактерий нужны разные ростовые вещества. Особенно важны ростовые вещества для микроорга­низмов, ослабленных каким-нибудь неблагоприятным воздейст­вием, например высокой температурой, недостатком питания, присутствием ядовитых веществ.

Как показали советские исследователи М. Н. Мейсель и Е. Н. Одинцова на примере дрожжей, действие ростовых веществ микроорганизмов очень многообразно. Влияние ростовых веществ распространяется не только на рост (откуда они в свое время и получили название), но и на строение клетки, на процессы ее обмена, на ее жизнеспособность. Поэтому более целесообразно эти вещества называть витаминами или витаминоподобными ве­ществами. Витамины играют определенную роль в биохимических процессах микробной клетки. Еще в начале XX в. В. В. Пашутин высказал предположение, что между витаминами и ферментами Имеется определенная связь. Н. Д. Зелинский считал, что вита­мины входят в состав ферментов и поэтому влияют на развитие микроорганизмов. Так, в 1922 г. он указал на то, что «связь между ферментами и витаминами, возможно, и выражается в том, что последние необходимы как строительный материал для первых».

В результате исследований последних лет была установлена химическая природа витаминов и выяснено, что витамины, посту­пающие с питательными веществами, служат для построения коферментов: например, витамин РР входит в состав козимазы. Если микроорганизм не может синтезировать эти витамины И в питательной среде они отсутствуют, то не происходят опре­деленные ферментативные реакции, следовательно, нарушается обмен веществ клетки. Кроме того, витамины необходимы микро­организмам для синтеза нуклеопротеидов. Если они отсутствуют, то в клетке также нарушается обмен веществ, ее развитие, раз­множение и рост.

Несмотря на то, что витамины довольно широко распростра­нены, в живых организмах они присутствуют в очень небольших количествах. В связи с этим выделить ростовые вещества в сво­бодном виде довольно трудно.

Витамины обычно делят на две большие группы: 1) раство­римые в жирах и 2) растворимые в воде. Их обозначают первы­ми буквами латинского алфавита. К первой группе относятся: витамин А — стимулирующий рост организмов; является произ­водным каротина — желтого пигмента; он найден в некоторых дрожжеподобных грибках (Rhodotorulaceae); витамин D — анти — рахитный; во многих микроорганизмах встречается эргостерин, который при облучении ультрафиолетовыми лучами превращает­ся в витамин D2. Это превращение связано, очевидно, с перемеще­нием двойных связей; витамин Е — витамин размножения; вита­мин К — влияет на свертываемость крови, нужен для роста ряда микробов. Ко второй группе относится комплекс витамина В: ви­тамин В! (антиневритный), или тиамин, представляющий собой производное пиримидина и тиазола, им богаты дрожжи, дрожже — подобные грибки, бактерии и плесени; витамин В2 — или рибо­флавин, содержится во многих микроорганизмах; дрожжеподоб — ный грибок Torulopsis utilis содержит его в значительных коли­чествах; витамин В3—или пантотеновая кислота, содержится в большом количестве в дрожжах; другие витамины группы В до витамина В]2. К этой же группе относится витамин С — проти­воцинготный, по химической природе являющийся аскорбиновой кислотой; витамин РР — (никотиновая кислота) содержится в большом количестве в дрожжах и дрожжеподобных грибках (Torulopsis utilis); витамин Н (биотин)—является активным стимулятором роста и размножения многих микроорганизмов, в том числе дрожжей; фолиевая кислота — стимулирует рост микроорганизмов, встречается в дрожжах в значительных коли­чествах, и другие витамины.

Отсутствие витаминов в пище вызывает болезни, получившие название авитаминоза. Многие микроорганизмы синтезируют различные витамины в большом количестве и поэтому являются ценным пищевым и кормовым продуктом, например белковые кормовые дрожжи, содержащие витамины группы В, А, Е, эрго­стерин. В настоящее время для быстрого количественного опре­деления витаминов применяют радиоактивные изотопы, напри­мер изотоп фосфора (Р32). Поглощение фосфора микробами связано с последующим их размножением, а оно зависит от содержания в среде необходимых для данного микроорганизма витаминов.

Ферменты микроорганизмов. Ферментами, или энзимами, на­зываются специфические белки с высоким молекулярным весом, входящие в состав клеток и тканей живых организмов и значи­тельно ускоряющие биохимические реакции. Поэтому они полу­чили название органических или биологических катализаторов. Ферменты находятся везде, где только проявляется органическая жизнь. Их вырабатывают живые клетки, но осуществлять свое действие они могут и вне клеток. Очень велико значение фермен­тов в процессах обмена веществ внутри микробной клетки и меж­ду микроорганизмом и внешней средой, так как они ускоряют различные реакции, а следовательно, и весь обмен веществ. Фер­менты были открыты в начале XIX в. В 1814 г. русский химик К — С. Кирхгоф обнаружил, что под действием вытяжки из про­росших зерен крахмал превращается в сахар. Так был открыт первый фермент диастаз, или амилаза. В настоящее время от­крыт целый ряд ферментов, которые катализируют многочислен­ные реакции в живых организмах и, в частности, в микроорга­низмах. Химические реакции могут происходить и без ферментов, но при более высокой температуре и в присутствии кислот или щелочей.

Свойства ферментов

1. Ферменты производят превращение различных веществ при обыкновенной или слабоповышенной температуре (оптимальная температура 40—50°) и прекращают свое действие при кипяче­нии (они очень термолабильны). После охлаждения способность эта не восстанавливается. Низкие температуры не оказывают отрицательного влияния на ферменты: при температурах ниже нуля они не проявляют никакой деятельности, но не погибают.

2. Особенностью ферментативных реакций является очень малое количество фермента по сравнению с большим количест­вом веществ, на которые он действует.

3. В ходе ферментативной реакции ферменты не изменяются и не входят в состав конечных продуктов реакции, но действие их не бесконечно.

Тормозом в ферментативных реакциях является накопление больших количеств конечных продуктов реакции. После удаления последних ферменты опять начинают действовать.

4. Действие ферментов специфично. В настоящее время спе­цифичность большинства ферментов понимаЕот более широко, Т. е. считают, что одни ферменты действуют на определенную группу близких друг к другу химических веществ, но не дейст­вуют на другую, они ускоряют реакции только одного типа. Например, ферменты, расщепляющие белки, не оказывают влия­ния на углеводы. Некоторые ферменты специфично действуют на определенное химическое соединение (ферменты-индивидуу­мы). Они специфично относятся и к стереохимической конфигу- ^ции веществ. Расщепляя одни изомеры, они не действуют на другие. Ферменты действуют также на определенный тип хими­ческой связи в молекуле.

5. Ферменты растворяются в воде, в водных растворах ней­тральных солей, в глицерине. Легко осаждаются спиртом, аце­тоном. ■

6. Активная кислотность играет большую роль при действии ферментов. Для каждого фермента есть определенная оптималь­ная кислотность или оптимальная концентрация водородных ионов (рН), при которой каталитическая активность проявляет­ся наиболее полно.

Фермент

РН

Сахараза (дрожжевая)………………………………………………………………………….

4,6-5,0

Мальтаза…………………………………………………………………………………………………

6,6

Зимаза………………………………………………………………………………………………………

4,5-6,5

Амилаза (из солода)…………………………………………………………………………….

5,2

Карбоксилаза………………………………………………………………………………………..

4,8

Каталаза…………………………………………………………………

7.0

7. Ферменты только ускоряют течение реакций, но не способ­ны вызывать их и изменять направление.

8. Ферменты катализируют не только реакции распада, но и реакции синтеза органических соединений. А. Я. Данилевским впервые было доказано в 1886 г., что в зависимости от условий реакции один и тот же фермент ускоряет процесс или синтеза, или расщепления.

9. Под влиянием измененных внешних условий в живом орга­низме может измениться соотношение между ферментами, неко­торые из ферментов могут исчезнуть, а также образоваться новые.

10. Каталитическая активность биокатализаторов (фермен­тов) превосходит активность неорганических катализаторов. Различие между ними заключается и в степени специфичности и избирательности их действия.

Химическая природа ферментов. На основе многочисленных исследований химическая природа ферментов в настоящее время установлена. Определив химический состав ряда ферментов, исследователи синтезировали некоторые из них. Но полученные вещества не имели каталитических свойств. Поскольку в препа­рате фермента был обнаружен белок, который при добавлении метилового спирта отделялся и выпадал в свернутом виде, то можно было считать, что фермент состоит из двух компонентов. Вторым компонентом оказалась часть, имеющая белковую природу и получившая название коллоидного носителя. Присое­динив коллоидный носитель к синтезированному ферменту, полу­чили активно действующий фермент. Таким образом, было дока­зано, что некоторые ферменты имеют двухкомпонентное строе­ние. В качестве первого небелкового компонента, получившего название активной или простетической группы, могут служить различные химические группировки и отдельные атомы. Было об­наружено, что простетическими группами многих ферментов являются витамины. Вторым компонентом — коллоидным носи­телем — являются специфические белки. Источником простетиче — ских групп служат, по-видимому, нуклеиновые вещества клетки. Источником специфических белков является протоплазма клетки.

Белковый компонент обусловливает главным образом катали­тическую способность фермента, простетическая группа — его специфичность. Но это разграничение условно; каталитическая активность фермента и специфичность его представляют собой единство. Таким образом, в настоящее время считают, что обе составные части фермента одинаково важны и определяют его характер.

Примером двухкомпонентного фермента является карбокси — лаза, катализирующая расщепление пировиноградной кислоты на уксусный альдегид и углекислоту. Простетической группой ее является витамин В[ в соединении с двумя молекулами фос­форной кислоты. Коллоидным носителем — специфический белок.

В дальнейшем удалось установить, что ряд ферментов пред­ставляет собой кристаллы октаэдрической (уреаза), дегексаго — нальной (пепсин) и других форм.

На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что все ферменты по своей химической природе делятся на две груп­пы: 1) однокомпонентные ферменты — протеины, представляю­щие собой простые кристаллические белки; к ним относится большинство гидролитических ферментов; 2) двухкомпонентные ферменты — протеиды, состоящие из активной группы и специ­фического коллоидного носителя; к этой группе принадлежат в основном ферменты, катализирующие окислительно-восстано­вительные процессы.

Выделять ферменты в чистом виде довольно трудно. Известно несколько методов выделения ферментов, основанных на экстра­гировании их из микроорганизмов водой или глицерином, на извлечении путем изменения рН среды под влиянием растворов нейтральных солей (метод высаливания), на осаждении различ­ными органическими растворителями (ацетон, спирт) и др.

Для извлечения ферментов из дрожжей чаще используют процесс автолиза (саморазложение и растворение клеток), про­исходящий под влиянием ферментов. Процесс автолиза характе­ризуется тем, что дрожжевая клетка теряет внутриклеточную воду и нарушается тургор. Под действием ферментов происходит Ф

Распад белка протоплазмы. Дрожжи приобретают жидкую кон­систенцию и погибают. Автолизу подвергаются лишь отмершие или ослабленные клетки. Образующиеся при автолизе кислоты нейтрализуют, так как они разрушают ферменты.

Для получения чистых ферментов пользуются методом диали­за и электродиализа, при помощи которых удаляются посторон­ние примеси и загрязнения.

Активаторы, парализаторы и коферменты. Было замечено, что для активной деятельности ряда ферментов необходимо присут­ствие некоторых веществ. Такие вещества получили название активаторов. Например, животная амилаза может расщеплять крахмал до декстринов и мальтозы только в присутствии хлори­стого натрия, так как для своего действия она нуждается в ионах хлора. Активаторами ферментов являются и некоторые органиче­ские соединения, выделенные из живых организмов. Они получи­ли название киназ. Современные исследователи показали, что в состав некоторых ферментных систем обязательно входят так­же ионы кальция, магния, калия, хлора, фосфорной кислоты и др. В ряде случаев для действия фермента необходимо присут­ствие специальных химических соединений, которые были назва­ны коферментами. Таким образом, активный фермент представ­ляет комплекс, состоящий из собственно фермента и кофермента. Последние имеют свойства, отличные от свойств ферментов.

Ферменты термолабильны, т. е. при нагревании теряют свою активность. Большинство ферментов не выдерживает температу­ру выше 50—60°. Коферменты термостабильны, они выдержива­ют температуру кипения воды. Добавляя прокипяченный кофер — мент к ферменту, который потерял свою активность — вследствие ■отделения кофермента, можно опять восстановить активность фермента.

Установлено, что роль коферментов во многих случаях выпол­няют различные витамины. В настоящее время прежнее резкое разграничение между ферментами, коферментами и активными группами постепенно стирается.

Известны химические соединения, которые задерживают дей­ствие ферментов, снижают их активность. Такие соединения полу­чили название парализаторов. В больших количествах они оста­навливают действие ферментов, в небольших — действуют угне­тающим образом. Если действие парализатора продолжительно, то активность фермента не восстанавливается. Известны следую­щие парализаторы ферментов: соли тяжелых металлов — меди, свинца, ртути; кислоты и соли синильной и пирофосфорной кис­лот, а также сернистый водород, фтористый натрий; сильные окислители—хлор, бром, йод; органические основания — ани­лин; алкалоидные соединения; продукты ферментативной реак­ции. Последние являются сильными парализаторами ферментов. Если удалить их из сферы реакции, то ферменты возобновляют свою деятельность. Но механизм действия парализаторов не выяснен в достаточной степени. Они связывают какие-то ак­тивные группировки ферментов или соединяются с их простетиче — скими группами. Следовательно, одни вещества активируют деятельность ферментов, а другие останавливают, парализуют ее.

Механизм ферментативного катализа. Существует ряд тео рий, которые объясняют механизм действия ферментов, но во Всех теориях признается, что ферменты являются биологически­ми катализаторами. В настоящее время большинство исследова­телей считает, что ферменты вступают в промежуточное соеди­нение с субстратом, на который они каталитически действуют. Но разногласия возникают по вопросу, какой характер имеет это соединение: физический, химический или адсорбционный. Оче­видно, между этими типами соединений нет существенной разни­цы. Благодаря этому соединению фермент активирует субстрат, молекулы последнего становятся химически активнее, легче гид — ролизуются, восстанавливаются, окисляются и подвергаются дру­гим химическим превращениям. Но природа внутримолекулярных изменений, происходящих при активировании, точно не установ­лена. Остановимся на двух теориях ферментативного катализа.

1. Адсорбционная теория. Согласно теории гетерогенного ка­тализа (катализ на поверхности), скорость химической реакции увеличивается, если молекулы реагирующих веществ адсорбиро­ваны на измельченных частицах катализатора, в результате чего повышается концентрация этих молекул. Благодаря адсорбции создаются условия для лучшего взаимодействия молекул друг с другом на поверхности катализатора. Возможно также, что при гетерогенном катализе большое значение имеет силовое поле ка­тализатора, под влиянием которого электронная структура ад­сорбированных молекул нарушается, что способствует более легкому химическому взаимодействию их с молекулами другого соединения. Так как ферменты находятся в клеточном соке в ви­де мельчайших коллоидных частиц, т. е. образуют с водой гете­рогенные системы, то указанные выше представления о механиз­ме гетерогенного катализа могут быть применены и к фермента­тивным процессам.

2. Теория промежуточных соединений. Согласно этой теории катализатор со вступающими в реакцию веществами образует нестойкие промежуточные соединения А + В + К ^ АК+В ^ АВ + К,, где К — катализатор (фермент), А + В— реагирую­щие вещества. Таким образом, каталитическое действие фермен­тов складывается из двух стадий. Во-первых, фермент соединяет­ся с реагирующим веществом в силу определенного сродства между ними. Затем образовавшееся нестойкое промежуточное соединение при каталитическом действии фермента распадается с образованием конечных продуктов ферментативной реакции, причем катализатор непрерывно регенерируется, и количество его с течением времени не изменяется. Согласно представлениям П. В. Афанасьева вначале образуется неактивное промежуточное соединение фермент — субстрат, оно присоединяет вторую моле­кулу фермента и дает активное промежуточное соединение (фер­мент) 2 — субстрат. Затем этот активный комплекс распадается на свободный фермент и продукты распада субстрата. Образование некоторых нестойких промежуточных соединений было показано экспериментально. В настоящее время считается, что адсорбцион­ная теория катализа и теория промежуточных соединений допол­няют друг друга, так как не всегда можно провести четкую гра­ницу между химическим соединением молекул при помощи глав­ных валентностей и адсорбцией их на поверхности коллоидных частиц посредством других видов связи.

Действие ферментов в живой клетке. Протоплаз­ма живой клетки вырабатывает ферменты, следовательно, они являются продуктами ее жизнедеятельности и с нею связаны. ■Ферменты могут проявлять свою деятельность внутри клетки, где они находятся, в этом случае их называют внутриклеточными, или эндоферментами. Они катализируют процессы синтеза ве­ществ протоплазмы, дыхания и брожения. Ферменты могут так­же выделиться во внешнюю среду и там оказывать соответствую­щее действие (расщепление сложных веществ — белков, жиров). Это так называемые внеклеточные, или экзоферменты. Но рез­кой грани между этими двумя группами провести нельзя.

При изучении реакций и процессов, происходящих в живой клетке, не всегда можно использовать результаты исследований, полученные при работе с очищенными ферментами. Длительное время оставалось неясным, каким образом в живой клетке нахо­дятся в близком соседстве, не приходя во взаимодействие, фер­менты и вещества, на которые они могут действовать. Очевидно, в клетке имеется какое-то пространственное разделение фермен­тов и веществ, поэтому они не взаимодействуют друг с другом. Академик А. И. Опарин в 1934 г. дал объяснение этому явлению. По его мнению, ферменты в живых клетках могут адсорбировать­ся на поверхностях макрогетерогенных систем, например на бел­ковых веществах протоплазмы клетки, теряя при этом свою гидролитическую способность. Но она может возвратиться в том •случае, если ферменты опять перейдут в раствор. Подтвержде­нием правильности этой теории является наличие большого фак­тического материала. Можно привести следующий пример: А. И. Опарин и А. Л. Курсанов показали, что при адсорбции фер­ментов на дубильных веществах теряется их гидролитическая активность, но это связано не с изменением самих ферментов, а только лишь с переходом их из раствора в осадок. Если такие ферменты перевести опять в раствор, то активность их восста­навливается.

Таким образом, основным фактором, определяющим гидроли­тическую активность ферментов в живых клетках, является гете­рогенность (неоднородность) протоплазмы, что обусловливает переход фермента в адсорбированное состояние. В этом случае ферменты не могут вести гидролитические процессы. Но при пе­реходе фермента в гомогенный раствор его гидролитическая активность восстанавливается.

Наряду с процессами распада, гидролитическими процессами в живой клетке всегда происходят и процессы синтеза. Следо­вательно, можно предполагать, что в клетке имеются, кроме гид­ролитических ферментов, и ферменты синтетические. Но они найдены не были. В дальнейшем, когда был изучен механизм ферментативного катализа, оказалось, что в определенных усло­виях один и тот же фермент может катализировать или процессы синтеза, или процессы гидролиза. Это отвечает требованиям тер­модинамики, иначе ферменты могли бы смещать химическое равновесие. Таким образом, состояние фермента внутри клетки определяет направленность его действия.■ Исследования школы академика А. Н. Баха показали, что ферменты, участвующие в процессах синтеза, более тесно связаны с протоплазмой клетки, чем гидролизующие.

На основании своих исследований академик А. И. Опарин делает вывод, что фермент приобретает способность к синтези­рующему действию, будучи адсорбирован на структурных по­верхностях протоплазмы. В гомогенном растворе тот же фермент обладает гидролизующим действием. Следовательно, гидролити­ческий процесс в клетке пространственно разобщен от синтети­ческого процесса. Для нахождения благоприятных условий в клетке, при которых ферменты могли бы производить синтези­рующее действие, было применено уравнение Вант-Гоффа, на котором был теоретически обоснован принцип обратимого дейст­вия ферментов.

Применительно к сахарозе это уравнение будет иметь такой вид:

[сахароза + Н30] ^ [глюкоза] F— [фруктоза],


Т. е. сахароза, соединяясь с водой, превращается в молекулу глюкозы и молекулу фруктозы: между правой и левой частями уравнения устанавливается подвижное равновесие. Но его можно — изменить. Например, если увеличить количество продуктов рас­пада, т. е. глюкозы и фруктозы, то ферментативная реакция пой­дет в сторону синтеза сахарозы и равновесие будет восстанов­лено. Увеличение левой части уравнения, т. е. сахарозы и воды, направит процесс в обратную сторону, т. е. в сторону гидролиза. Из приведенного уравнения можно также сделать вывод, что уменьшение количества воды в растворе, т. е. компонента, нахо­дящегося в левой части уравнения, способствует синтетическому процессу, так как он будет уменьшать сумму составных частей левой части уравнения. Благоприятным для синтетического про­цесса является постоянное удаление продуктов синтеза из сферы реакции. По мнению А. И. Опарина, ферменты, адсорбированные на структурных образованиях клетки, приобретают способность к синтезирующему действию, так как в этом случае создается и безводная среда и большая концентрация избирательно адсор­бированного продукта, а также, по-видимому, и удаление синте­зируемого продукта, т. е. имеются все те условия, которые, со­гласно уравнению Вант-Гоффа, необходимы для синтеза.

Таким образом, протоплазма живой клетки является регуля­тором синтезирующего или гидролизующего действия фермен­тов, причем разные ферменты, очевидно, адсорбируются на раз­личных структурных образованиях клетки.

Для процессов ферментативного синтеза необходима энергия, которая используется ферментами из своих окислительно-восста — новительных систем.

Номенклатура и классификация ферментов. Случайные названия, которые раньше давали ферментам, стали неудобны, когда количество открытых ферментов возросло. Было принято правило (Дюкло) название фермента составлять из кор­ня слова, обозначающего соединение (субстрат), на которое дан­ный фермент действует, с добавлением к нему суффикса — аза (например, ферменты, действующие на сахара — мальтозу, лак­тозу, называются мальтаза, лактаза и т. д.). Только ферментам, вызывающим глубокий распад органических веществ, даются названия по характеру их действия: например, дегидраза, окси — даза. Однако сохранились и произвольные названия ферментов, как трипсин, пепсин. В настоящее время известно около 600 раз­личных ферментов. Принято классифицировать ферменты по их действию, причем принимается во внимание также и их химиче­ская структура. Все ферменты делятся на несколько больших групп, каждая из которых распадается на ряд подгрупп. Ниже приведена сокращенная классификация, включающая в основном ферменты, которые чаще всего встречаются у микроорганизмов и имеют для них наиболее важное значение.

I. Гидролазы и фосфорилазы. А. Гидролазы—ферменты, ка­тализирующие процессы расщепления и синтеза веществ по типу гидролитических реакций с присоединением элементов воды; они разрывают связь —С—О— между углеродом и кислородом (в сложных углеводах, эфирах) или связь —С—N— (в белках), но на связь —С—С— в органических молекулах гидролазы не Действуют. Они делятся на следующие подгруппы:

1. Карбогидразы — гидролизуют различные углеводы и глю- козиды по схеме:

Ror+ нон roh + r‘oh.


Они делятся на две большие подгруппы: а) глюкозидазы, дей­ствующие на сравнительно небольшие молекулы ди- и трисаха — ридов, а также глюкозидов. К этой подгруппе относятся следую­щие ферменты: сахараза, расщепляющая сахарозу на е?-глюкозу и d-фруктозу; лактаза, расщепляющая молочный сахар на глюкозу и d-галактозу, и б) ферменты полисахаридов (полисаха — разы), катализирующие реакции расщепления высокомолекуляр­ных полисахаридов. Например, амилаза (диастаз) расщепляет крахмал до мальтозы и декстринов; гликогеназа расщепляет гли­коген на d-глюкозу. Внутриклеточное расщепление полисахари­дов является процессом фосфоролиза, а не гидролиза, в этом случае глюкозидные связи расщепляются не элементами воды (НО—Н), а присоединением остатков фосфорной кислоты (НО—Р, где Р = Р03Нг). Продуктом расщепления является d-глюкоза-1-фосфат.

2. Эстеразы — катализируют гидролиз сложных эфиров на спирт и кислоту. К ним относятся: липаза (от греч. lypos — жир), расщепляющая жиры на глицерин и жирные кислоты; фосфата — зы, расщепляющие сложные эфиры фосфорной кислоты при био­логических процессах.

3. Протеазы — катализируют реакцию гидролиза белков и продуктов их распада. В эту подгруппу входят протеиназы, расщепляющие натуральные белки до пептонов; дезаминазы — гидролизуют аминокислоты до аммиака и соответствующей окси — кислоты.

Б. Фосфорилазы. Недавно была открыта группа ферментов, получившая название фосфорилазы. Они катализируют реакции расщепления, где активную роль, как указывалось, играет фос­форная кислота, а не вода. Этот процесс, носящий название фос — форолиз, осуществляется введением в расщепляемую молекулу остатка фосфорной кислоты.

II. Десмолазы, или ферменты расщепления (от греч. desmos— связь); они катализируют реакции типа R—R’, в резуль­тате которых происходит глубокий распад органического веще­ства и разрыв связи между углеродными атомами молекул. К ним относятся в основном все ферменты брожения, расщепляющие углеводы на более простые соединения. Например, зимаза — ком­плекс ферментов, катализирующих реакции, происходящие при спиртовом брожении; карбоксилаза — катализирует реакцию декарбоксилирования; карболигаза — синтезирует две альдегид­ные группы; каталаза — разлагает перекись водорода на моле­кулярный кислород и воду, тем самым защищая клетку от нако­пления ядовитой перекиси водорода, возникающей как побочный продукт при процессах активации кислорода.

III. Ферменты переноса, называемые феразами, катализируют. межмолекулярное перемещение некоторых атомных групп, или радикалов: остатков фосфорной кислоты, групп МН2, СНз. Напри­мер, фосфофераза участвует в переносе остатков фосфорной кис­лоты во время брожения с одного органического соединения на Другое.

IV. Окислительно-восстановительные ферменты — катализи­руют биологические окислительные и восстановительные процес­сы (перенос атомов, водорода и электронов), происходящие при дыхании и брожении. Среди них необходимо отметить: а) дегид — разы, катализирующие реакции дегидрирования, переносят водо­род на те или иные акцепторы (обычно какие-либо окислители); коферментом некоторых дегидраз является козимаза или кодегидраза-1 (дифосфопиридиннуклеотид); б) оксидазы (аэроб­ные дегидразы) активируют молекулярный кислород или ката­лизируют перенос его от одной молекулы к другой; оксидазы могут непосредственно использовать молекулярный кислород В качестве акцептора водорода; в) пероксидаза — катализирует окисление перекисью водорода различных полифенолов и арома­тических аминов.

V. Изомеразы и мутазы — ферменты, катализирующие внутри­молекулярные превращения. К ним относится, например, фермент фосфоглицеромутаза, катализирующая изомеризацию 3-фосфо- глицериновой кислоты в процессах спиртового брожения.

Такова краткая классификация ферментов.

Вы можете оставить комментарий, или ссылку на Ваш сайт.

Оставить отзыв