3.3. Ферменты микроорганизмов и их роль в обмене веществ

Метаболизм у микробов осуществляется посредством многочисленных биохимических превращений (реакций), обусловленных биологическими катализаторами-ферментами клетки.

Каждый вид микроорганизмов имеет свой набор ферментов, которые обусловливают его физиологические свойства, что учитывают при идентификации микробов.

Ферменты, определяющие генотипические признаки клетки, называют конститутивными; ферменты, при участии которых проявляются признаки фенотипа, называют адаптивными или индуктивными.

Конститутивные ферменты постоянно находятся в клетке независимо от условий ее существования и наличия катализируемого субстрата. К ним относятся основные ферменты клеточного обмена (липазы, карбогидразы, протеиназы, оксидазы и др.).

Индуктивные ферменты синтезируются только тогда, когда в них возникает потребность. Они появляются в присутствии соответствующего субстрата (щелочная фосфатаза, аминокислотная декарбоксилаза, пенициллиназа и др.) и способствуют адаптации (приспособлению) клетки к новым условиям обитания.

Различают также экзоферменты и эндоферменты.

Экзоферменты выделяются клеткой в окружающую среду. Они обеспечивают предварительное расщепление питательных веществ путем внешнего переваривания, т.е. внеклеточного пищеварения.

Эндоферменты находятся внутри клетки, они участвуют во внутриклеточных процессах метаболизма и могут освобождаться только после ее разрушения. После отмирания микроорганизмов их эндоферменты некоторое время остаются активными и могут вызвать автолиз, т. е. саморастворение клетки. Автолиз молочнокислых бактерий и освобождение эндоферментов имеет положительное значение при созревании сыров и производстве других молочных продуктов.

Ферменты, являясь белковыми веществами, весьма чувствительны к действию факторов внешней среды. Они начинают разрушаться и инактивироваться при 45-50 °С, а термоустойчивые (термостабильные) -при 70 °С. При температуре 80-90 °С практически все ферменты разрушаются. Минусовые температуры не разрушают ферменты, но при температурах, близких к нулю и ниже, ферментативные реакции резко замедляются, а некоторые полностью прекращаются. Разрушают ферменты ультрафиолетовые лучи и радиоактивные излучения.

На активность ферментов влияют различные химические вещества. Активаторами ферментов могут быть некоторые соли (NaCl), катионы двухвалентных металлов - кальция, марганца, никеля, магния; некоторые органические вещества (витамины). Ингибиторами ферментов являются соли тяжелых металлов, антибиотики и другие вещества.

По характеру вызываемых превращений ферменты разделены на шесть классов: гидролазы, оксидоредуктазы, трансферазы, лиазы, изомеразы, лигазы.

Гидролазы- ферменты гидролитического расщепления. Они катализируют распад белков, углеводов, липидов путем присоединения молекулы воды. В зависимости от веществ, на которые действуют гидролазы, их подразделяют на протеазы, карбогидразы, эстеразы.

Протеазы (протеолитические ферменты) катализируют гидролиз белков и продуктов их гидролитического распада - пептонов и полипептидов. К протеазам относятся протеиназы - ферменты, катализирующие гидролиз натуральных белков; пептидазы, расщепляющие полипептиды до дипептидов и аминокислот; дипептидазы, расщепляющие дипептиды до аминокислот.

Протеолитические ферменты в больших количествах выделяются гнилостными бактериями и плесенями. Они вызывают гнилостную порчу продуктов.

Карбогидразы (глюкозидазы) катализируют гидролиз углеводов. Распад крахмала катализирует фермент амилаза, мальтозу расщепляет мальтаза, сахарозу - сахараза, лактозу - лактаза.

Эстеразы катализируют гидролиз сложных эфиров. К ним относятся ферменты липазы, расщепляющие жиры на глицерин и высокомолекулярные жирные кислоты, и фосфатазы, гидролизирующие эфироподобные фосфорорганические соединения.

Оксидоредуктазы катализируют окислительно-восстановительные реакции. К ним относятся дегидрогеназы, каталаза и пероксидазы.

Дегидрогеназы катализируют реакции окисления, при которых происходит отщепление водорода (дегидрогенирование) от органических веществ. Отнятый водород передается какому-либо другому веществу, которое называется акцептором водорода, а вещества, отдающие водород, называются донорами водорода. Эти ферменты являются специфичными по отношению к донору и акцептору. Их подразделяют на аэробные и анаэробные дегидрогеназы.

Аэробные (вторичные) дегидрогеназы могут передавать водород от донора непосредственно кислороду воздуха либо через промежуточных переносчиков водорода. Эти ферменты имеются только у аэробных микроорганизмов. Аэробные дегидрогеназы, которые передают водород от субстрата непосредственно кислороду воздуха, называют оксидазами.

Анаэробные (первичные) дегидрогеназы катализируют отщепление водорода от донора и передачу его молекулам каких-либо органических веществ. Они имеются как у анаэробных, так и у аэробных микробов.

Каталаза в окислительных реакциях не участвует, она разлагает пероксид водорода (Н₂Ог) на воду и кислород. Пероксид образуется при аэробном дыхании и является ядовитым соединением для клетки.

Пероксидазы катализируют окисление органических соединений кислородом, появляющимся при распаде пероксида водорода.

Трансферазы — ферменты, катализирующие перенос групп атомов от одного соединения к другому. Среди этого класса ферментов основными являются фосфоферазы и аминоферазы.

Фосфоферазы (фосфокиназы) катализируют перенос остатков фосфорной кислоты. Реакции протекают с участием аденозинтрифосфата (АТФ) и аденозиндифосфата (АДФ), и таким образом осуществляется перенос энергии с одной системы на другую.

Аминоферазы катализируют реакции переаминирования, т. е. осуществляют перенос аминогруппы (-NH₂) с аминокислот на кетокислоты (например, пировиноградную кислоту).

Лиазы - ферменты, катализирующие реакции негидролитического расщепления веществ, при которых происходит разрыв химических связей между атомами углерода, а также углерода и кислорода. К лиазам относятся декарбоксилазы.

Декарбоксилазы катализируют отщепление от органических кислот СО₂, т. е. их декарбоксилирование. Например, при декарбоксилировании пировиноградной кислоты образуется уксусный альдегид.

Декарбоксилированию подвергаются и аминокислоты, при этом реакции катализируются декарбоксилазами аминокислот гнилостных бактерий.

Изомеразы катализируют изомеризацию органических соединений, т. е. распад полимерных соединений на их изомеры. Изомеразы участвуют в расщеплении углеводов на первой стадии аэробного и анаэробного дыхания.

Лигазы (синтетазы)- ферменты, катализирующие реакции соединения молекул. Они отвечают за синтез вещества, который протекает с использованием энергии, освобождающейся при расщеплении АТФ.

Ферменты микробного происхождения нашли широкое применение в сельском хозяйстве, медицине, некоторых отраслях промышленности. Они постепенно вытесняют ферментные препараты, получаемые из высших растений и животных. В последнее время изучается вопрос получения ферментных препаратов молочнокислых бактерий и использования их в молочной промышленности, особенно при производстве сыров.