Ферменты - биологические катализаторы

В клетке микробов происходят два противоположных и вместе с тем единых процесса: ассимиляция (усвоение питательных веществ) и диссимиляция (разрушение органических веществ). Обмен веществ и другие химические процессы, протекающие в микробной клетке, совершаются при участии ферментов. Ферменты (энзимы), вырабатываемые живыми клетками, обладают свойствами биологических катализаторов, которые способны резко повышать интенсивность химических реакций, но сами не входят в состав конечных продуктов этих реакций и после их завершения обнаруживаются в свободном состоянии.

Для них характерно:

• • большое несоответствие между количеством действующего фермента и самим действием. Например, 1 г фермента амилазы может превратить в сахар 1 т крахмала;
• • один и тот же фермент в зависимости от условий может участвовать и в расщеплении, и в синтезе веществ. Наилучшая температура для действия ферментов - 30...40 °С, а для некоторых - даже 50 °С. При 80 °С почти все ферменты разрушаются. На ход энзиматических процессов сильно влияют различные химические вещества. Например, ЫаС1, витамины, двухвалентные катионы (Са, Мп, Т^) способны активизировать ферменты (активаторы). Соли тяжелых металлов, особенно серебра, ртути, меди, свинца, а также кислоты и щелочи снижают активность ферментов или полностью парализуют их действия (ингибиторы). Влияет на активность ферментов и реакция среды. Для одних хорошей является кислая среда, для друг их - нейтральная, а для некоторых - слабощелочная.

Ферменты в основном белковые вещества, однако в ряд ферментов кроме белка входят и другие соединения. По химическому составу все микробные ферменты можно разделить на три группы: 1) ферменты, состоящие только из сложных белковых веществ; 2) ферменты, содержащие кроме белковой молекулы ионы какого-либо металла (медь, цинк, железо и др.); ионы указанных металлов повышают их активность; 3) ферменты, имеющие наряду с белковыми соединениями обособленную молекулу органического вещества, без которой белковая часть в процессах превращения остается инертной. Эти активные соединения (коферменты, или простатические группы) без белкового носителя не могут выполнять каталитической реакции. В образовании некоторых коферментов участвуют витамины.

Каждый из ферментов действует на определенное вещество. Микробные клетки обладают значительным набором ферментов. Например, плесневый гриб аспергилл содержит до 20-ти различных ферментов.

Принято различать экзоферменты (экзоэнзимы) и эндоферменты (эндоэнзимы). Первые, выделяясь клеткой в окружающую среду, растворяют питательные вещества и подготавливают их к усвоению клеткой. Эндоферменты прочно связаны с цитоплазмой и проявляют деятельность внутри микробной клетки. Поступившие в клетку питательные вещества превращаются эндоферментами в ее составные части.

По характеру действия ферменты разделены на шесть основных групп.

• 1. Гидролазы - ферменты, расщепляющие органические вещества (белки, углеводы и жиры) на более простые путем присоединения воды и отщепления ее элементов; синтезируют сложные молекулы. К гидролазам относят:
  • • карбогидразы - ферменты, катализирующие гидролиз и синтез различных углеводов. В эту группу входят: а) амилаза, превращающая крахмал в сахар - мальтозу; б) целлюлаза -гидролизующая целлюлозу (клетчатку) до глюкозы; в) пекти-назы - комплекс ферментов, катализирующих распад пектиновых веществ на более простые; г) мальтаза - расщепляет мальтозу на две части глюкозы; д) сахараза - расщепляет сахарозу на глюкозу и фруктозу; е) лактаза - расщепляет молочный сахар (лактозу) на две гексозы (галактозу и глюкозу);
  • • протеазы - ферменты, катализирующие гидролиз белков, пептонов, полипептидов и аминокислот. К ним принадлежат: а) протеиназы - расщепляют белки на полипептиды и дипептиды; б) пептидазы - расщепляют политептиды на дипептиды и аминокислоты; в) дезаминазы и амидазы - расщепляют аминокислоты и амиды до аммиака;
  • • эстеразы - ферменты, вызывающие превращения сложных эфиров. К эстеразам относят: а) липазы - расщепляют жиры на глицерин и свободные жирные кислоты; б) фосфатазы -расщепляют сложные эфиры, фосфорсодержащие соединения с освобождением фосфорной кислоты; в) фосфорилазы - возбуждают ферментативные реакции наподобие реакции гидролиза, где вместо воды активную роль шрает фосфорная кислота. Эти превращения именуются реакциями фосфоролиза.
• 2. Траисферазы (феразы) - ферменты переноса групп атомов между различными соединениями. К ним относят:
  • • фосфоферазы - переносят фосфатный остаток с аденоз-интрифосфата (АТФ) на глюкозу; аденозинтрифосфат превращается в аденозиндифосфат (АДФ) или аденозинмонофосфат (АМФ);
  • • аминоферазы - переносят аминогруппы с аминокислоты на кетокислоту. Например, переаминиронание глютаминовой кислоты с пировиноградной. Эти ферменты играют большую роль в обмене веществ.
• 3. Оксидоредуктазы - ферменты окисления и восстановления. В названную группу входят ферменты, которые ускоряют окислительно-восстановительные процессы, обусловливающие ферментацию и дыхание. Среди них различают:
  • • дегидразы - переносят водород от одной молекулы органического вещества к другой. Вещество, отдающее водород, называют донатором водорода, а вещество, которое получает этот элемент,- акцептором водорода;
  • • оксидазы - аэробные дегидрогеназы, переносят активированный водород от окисляемого субстрата на кислород, в результате образуется вода или перекись водорода;
  • • пероксидаза - окисляет органические соединения за счет активного атомарного кислорода, отщепляемого ею от органических перекисей.
• 4. Лиазы - ферменты расщепления. Разрывая связь между углеродными атомами, отщепляя воду, аммиак и углекислый газ, они вызывают глубокий распад веществ.

Карбоксилаза расщепляет пировиноградную кислоту до уксусного альдегида с выделением углекислого газа. Каталазы под действием этого фермента разлагают перекись водорода на воду и молекулярный кислород.

• 5. Изомеразы - ферменты изомеризации. Они участвуют при расщеплении углеводов на первых стадиях их окисления. Например, фермент изомераза фосфотриоз катализирует превращение фосфодиоксиацетона и 3-фосфоглицеринового альдегида.
• 6. Лигазы (синтетазы) - ферменты, катализирующие расщепление белков, жиров, углеводов, а также синтез этих веществ. К этой группе относят около 30 различных ферментов. Характерным примером синтеза является действие фермента пируваткарбоксилазы, который переводит пировиноградную кислоту в щавелевоуксусную при участии АТФ.

Своеобразием и активностью ферментов определяются все жизненные проявления микроорганизмов и их роль в круговороте веществ в природе, повышении плодородия почвы, гниении, производстве кормов при силосовании и т. д. Ферментативные особенности микробов широко применяют в бродильной промышленности, обработке льна, шкур, земледелии и консервировании многих пищевых продуктов.

Возможность быстрого получения больших количеств микроорганизмов в искусственных условиях позволила использовать их для изготовления ферментных препаратов. Так, аммилолитические препараты, выделенные из некоторых видов грибов, применяют в пивоварении, хлебопечении, производстве спирта.

Знание ферментативной способности различных бактерий и грибов помогло использовать их в виноделии, пивоварении, силосовании, для приготовления уксусной, молочной, щавелевой, лимонной кислот и молочных продуктов (сыра, ацидофилина, кумыса и пр.).