Ферменты микроорганизмов и их классификация - ABCD42.RU

Ферменты микроорганизмов и их классификация

АГРОИНФормация

Агропортал — все для специалистов агропромышленного комплекса

Ферменты микроорганизмов

Более 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 микроорганизма. В настоящее время известно около двух тысяч ферментов.

Ферменты представляют собой белки с молекулярной массой от 10000 до нескольких миллионов. Название ферменту дается по веществу, на которое он действует с изменением окончания на «аза». Например, целлюлаза катализирует гидролиз целлюлозы до целлобиозы, уреаза катализирует гидролиз мочевины (urea) до аммиака и СО2 и т. п. Однако чаще фермент получает название, которое указывает на природу катализируемой, им химической реакции.

Современная классификация ферментов также строится с учетом природы катализируемых ими реакций. Согласно разработанной комиссией по ферментам Международного биохимического союза классификации, они подразделяются на шесть главных классов.

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

Трансферазы Катализируют перенос отдельных радикалов, частей молекул или целых атомных группировок от одних соединений к другим. Например, ацетилтрансферазы переносят остатки уксусной кислоты — СН3СО, а также молекул жирных кислот; фосфотрансферазы, или киназы, обусловливают перенос остатков фосфорной кислоты Н2Р032-. Известны многие другие трансферазы (аминотраисферазы, фосфорилазы и т. д.).

Гидролазы катализируют реакции расщепления и синтеза таких сложных соединений, как белки, жиры и углеводы, с участием воды. К этому классу относятся протеолитические ферменты (или пептидгидролазы), действующие на белки или пептиды; гидролазы глюкозидов, осуществляющие каталитическое расщепление углеводов и глюкозидов (в-фруктофуранозидаза, б — глюкозидаза, а — и в-амилаза, в-галактозидаза и др.); эстеразы, катализирующие расщепление и синтез сложных эфиров (липазы, фосфатазы).

Лиазы включают в себя ферменты, катализирующие отщепление от субстратов определенных химических групп с образованием двойных связей или присоединение отдельных групп или радикалов к двойным связям. Так, пируватдекарбоксилаза катализирует отщепление С02 от пировиноградной кислоты:

К лиазам относится также фермент альдолаза, расщепляющий шестиуглеродную молекулу фруктозо-1,6-дифосфата на два трехуглеродных соединения. Альдолаза имеет большое значение в процессе обмена веществ.

Изомеразы осуществляют превращение 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. Ферменты этой группы играют большую роль в ряде процессов метаболизма. К ним относятся триозофосфатизомераза, глюкозофосфатизомераза и др.

Лигазы катализируют синтез сложных органических соединений из простых. Например, аспарагинсинтетаза осуществляет синтез амида аспарагина из аспарагиновой кислоты и аммиака с обязательным участием аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ), дающей энергию для этой реакции:

Аспарагиновая кислота + NH3 + АТФ -• аспарагин + АДФ + Н3Р04

К группе лигаз относятся также карбоксилазы, катализирующие присоединение С02 к различным органическим кислотам. Например, фермент пируваткарбоксилаза катализирует синтез щавелевоуксусной кислоты из пировиноградной и С02.

В соответствии со строением ферменты делятся на два больших класса: 1) представляющие собой простые белки, 2) являющиеся сложными белками. К первому классу относятся гидролитические ферменты, ко второму, более многочисленному классу,— ферменты, осуществляющие функции окисления и участвующие в реакциях переноса различных химических групп. Ферменты второго класса, кроме белковой части, называемой апоферментом, имеют и небелковую группу, определяющую активность фермента, — кофактор. В отдельности эти части (белковая и небелковая) лишены ферментативной активности. Они приобретают характерные свойства ферментов только после соединения. Комплекс апофермента с кофактором называется холоферментом.

Кофакторами могут быть либо ионы металлов (Fe, Си, Со, Zn, Мо и др.), либо сложные органические соединения, называемые коферментами, либо те и другие. Коферменты обычно играют роль промежуточных переносчиков электронов, атомов, групп, которые в результате ферментативной реакции перемещаются с одного соединения на другое. Некоторые коферменты прочно связаны с ферментным белком; их называют простетической группой фермента. Многие коферменты или идентичны определенным витаминам группы В, или являются их производными.

К коферментам относятся, например, активные группы дегидрогеназ — никотинамидадениндинуклеотид (НАД) или никотинамидадениндинуклеотидфосфат (НАДФ). В эти коферменты входит никотиновая кислота — один из витаминов группы В. Витамины имеются в составе и других коферментов. Так, тиамин (витамин В1) входит в состав тиаминпирофосфокиназы, участвующей в обмене пировиноградной кислоты, пантотеновая кислота является составной частью кофермента А, а рибофлавин (витамин В2) представляет собой простетическую группу флавопротеиновых ферментов. Важное значение витаминов в питании живых организмов обусловлено именно тем, что они находятся в составе 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).

Главное свойство ферментов, отличающее их от других катализаторов, — это специфичность катализируемых ими ферментативных реакций. Каждый фермент катализирует только одну определенную реакцию.

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

Активность ферментов зависит от различных факторов: относительной концентрации фермента и субстрата температуры, pH и др. Для каждого фермента существует свой оптимум температуры и pH. Многие ферментативные реакции обратимы, хотя активность фермента редко бывает одинаковой в обоих направлениях.

Несмотря на незначительные размеры, каждая клетка микроорганизма может производить множество отличных друг от друга ферментов, обладающих различными функциями. Обычно ферменты, участвующие в метаболизме, содержатся в клетке организма и поэтому называются внутриклеточными ферментами, или эндоферментами. Некоторые ферменты выделяются клетками микроорганизмов в окружающую среду и называются внеклеточными ферментами, или экзоферментами. Как правило, во внешнюю среду выделяются гидролитические ферменты, разлагающие соединения с большой молекулярной массой, которые не могут проникнуть в клетку микроорганизма. Продукты же разложения легко поглощаются клеткой и используются ею в качестве питательных веществ.

Ферменты играют значительную роль в питании микроорганизмов. Большое число разнообразных ферментов, синтезируемых клетками микроорганизмов, позволяет им использовать для питания многочисленные соединения (углеводы, белки, жиры, воска, нефть, парафины и т. д.) путем их расщепления.

В этом заключается огромная роль микроорганизмов как участников круговорота веществ в природе.

Ферменты микроорганизмов

Ферменты микроорганизмов – специфические белки биологического происхождения, выполняющие роль катализаторов химических реакций, происходящих в микробных (бактериальных) клетках [4] .

Термин «фермент» произошел от латинского слова «fermentum», что значит – «закваска». Популярный в настоящее время синоним термина «фермент» – термин «энзим», происходит от греческого слова «enzyme», что в переводе на русский язык имеет значение «дрожжи» или «закваска» [4] .

Содержание:

  • Простые и сложные белки
  • Классификация ферментов
  • Функции ферментов
  • Оптимальные условия действия ферментов

Простые и сложные белки

Питание и дыхание всех микроорганизмов, в том числе бактерий, как физиолого-биохимические процессы осуществляются благодаря наличию в клетке различных ферментов. Микробные клетки, как и клетки высших организмов, оснащены достаточно активным ферментным аппаратом. Ферменты микроорганизмов обладают теми же свойствами и функциями, что и ферменты высших организмов [5] .

На основании строения ферменты подразделяются на два больших класса: простые белки и сложные белки [2] .

К простым белкам относятся гидролитические ферменты. Второй – более многочисленный класс, объединяет ферменты, управляющие окислением и катализирующие реакции переноса всевозможных химических групп [2] .

Характерным признаком сложных белков является присутствие в строении небелковой группы (кофактора), определяющего активность фермента. Белковая часть сложного белка носит название – апофермент [2] .

По отдельности белковая и небелковая часть таких соединений лишены ферментативной активности и приобретают ее только при соединении. Комплекс апофермента с кофактором носит название – «голофермент» [2] .

Действие экзо- и эндоферментов бактерий

Классификация ферментов

Название фермента образуется от названия вещества, на которое он оказывает действие или вещества, связанного с природой катализируемой им химической реакции, путем прибавления окончания «- аза». Второй вариант является основой современной классификации и номенклатуры ферментов [3] .

В настоящее время известно более двух тысяч ферментов. Они разделены на шесть классов, каждый из которых в свою очередь делится на соответствующие подклассы и подпод классы. Микроорганизмы, в том числе бактерии, располагают всем набором энзимов (ферментов). В микробной клетке одновременно могут находиться десятки различных ферментов [1] .

Выделяют следующие классы ферментов:

  1. Оксидоредуктазы – окислительно-восстановительные ферменты, переносящие электроны. К ним относят дегидрогиназы, оксидазы, пероксидазы, каталазы [4] .
  2. Трансферазы – переносят отдельные радикалы и атомы одних соединений к другим [4] .
  3. Гидролазы – отвечают за ускорение реакций гидролиза (расщепления веществ на более простые с присоединением молекул воды. К ним относятся фосфатазы, эстеразы, глюкозидазы [4] .
  4. Лиазы – катализаторы реакций присоединения групп по двойным связям и обратные реакции этих групп [4] .
  5. Изомеразы – ферменты с помощью которых химические вещества преобразуются в их изомеры. К ним относят рацемазы, эпимеразы, цис-транс-изомразы [4] .
  6. Лигазы (синтетазы) – катадизаторы реакций соединения двух молекул. К ним относятся глютаминсинтетаза, аспарагинсинтетаза [4] .

Согласно современной классификации каждому ферменту присваивается шифр из четырех цифр. Первая обозначает класс, вторая – подкласс, третья – подподкласс, четвертая – порядковый номер фермента в данном подподклассе [1] .

Читайте также  Русские национальные виды спорта и игры народов мира

В частности карбамидамидогидролазе (уреазе) присвоен шифр КФ 3.5.1.5., поскольку она относится к третьему главному классу – гидролазы [1] .

КоА синтетаза имеет шифр КФ 6.2.1.1, что обозначает, что данный фермент относится к шестому классу (лигазы, ко второму подклассу (образование С–связи) и к первому подподклассу (место образования связи в карбоксильной группе), последняя цифра – порядковый номер фермента [1] .

Кроме того, ферменты в зависимости от реакции на условия среды делят на:

  • конструктивные – концентрация в клетках микробов поддерживается независимо от условий среды на определенном уровне. К ним относятся ферменты гликолиза;
  • индуцибельные – концентрация значительно увеличивается при наличии соответствующего субстрата. При отсутствии субстрата такие ферменты содержаться в клетке в очень малых количествах. К таким ферментам относятся β-галатозидаза, β-лактамаза;
  • репресссибельные – энзимы, синтез которых блокируется конечным продуктом [4] .

По связи с бактериальной клеткой различают:

  • экзоферменты – ферменты не связанные со структурой протоплазмы, легко выделяющиеся в субстрат (гидролитические ферменты), растворимые в питательной среде и проходящие через бактериальные фильтры. Экзоферменты участвуют в процессе питания, расщепляя сложные высокомолекулярные соединения (крахмал, белки, клетчатку) подготавливая питательные вещества к усвоению микробной клеткой.
  • эндоферменты ферменты прочно связанные с бактериальной клеткой и действующие только внутриклеточно. Они осуществляют дальнейшее разложение питательных веществ и превращают их в составные части клетки. К таким ферментам относятся дегидрогеназы и оксидазы [1] .

Функции ферментов

В настоящее время установлено, что ферменты ускоряют химические реакции в организмах, путем понижения свободной энергии активации (количество энергии необходимое для перевода при данной температуре всех молекул одного моля вещества в активное состояние) [2] .

Все обменные процессы в клетках микроорганизмов идут с участием ферментов. Они являются биокатализаторами всех химических процессов бактериальной клетки. Данные соединения значительно ускоряют химические реакции. При этом они не расходуются и не входят в состав конечных продуктов [4] .

Ферменты в клетках бактерий присутствуют в незначительных концентрациях, но все они обладают высокими числами оборачиваемости, которые указывают на возможность молекулы фермента катализировать следующие одна за другой реакции тысяч молекул субстрата в минуту [4] .

Установлено, что каждый фермент катализирует только одну реакцию, что обусловливает его специфичность. Обменные процессы микробов протекают с помощью ферментов, набор которых генетически детерминирован и специфичен для каждого вида [4] .

В то же время количество того или иного фермента, содержащееся в бактериальной клетке изменчиво. Приспосабливаемость бактерий к изменяющимся условиям среды обитания сопровождается согласованными изменениями процессов анаболизма и катаболизма. Поскольку регуляция обменных процессов осуществляется с помощью ферментов, то и регуляторные (амфиболические) ферменты воспринимают разнообразные метаболические сигналы и в соответствии с ними изменяют свою каталитическую активность. Выделяют три уровня регуляции ферментативных реакций с учетом потребности клеток в энергии:

  • первый – изменение абсолютного количества фермента;
  • второй – изменение фона реагирующих веществ, исключая фермент;
  • третий – изменение каталитической активности фермента [4] .

Абсолютное количество определенного фермента определяется скоростью его синтеза (Ks) и скоростью распада (Kd) по схеме, приведенной на фото 2 [4] .

Количество фермента увеличивается за счет возрастания Ks или уменьшения Kd или уменьшается при соответствующем соотношении данных процессов [4] .

Изменение каталитической активности фермента вызывается:

  • ингибированием каталитической активности фермента по типу обратной связи (торможение активности фермента в начале биосинтетического пути конечным продуктом);
  • аллостерической активацией (конечный и промежуточный продукт активирует другой, включающий синтез нового вещества);
  • воздействием регуляторных белков, которые присоединяются к ферменту, изменяя (усиливая или ослабляя) его активность [4] .

Изменение ферментативной активности микроорганизмов, в том числе бактерий, положено в основу фенотипической идентификации (фенотипические критерии систематики). Для использования спектра ферментов у прокариот используются дифференциально-диагностические питательные среды [4] .

Ферменты микроорганизмов: способы образования, классификация и свойства

Ферменты — это биокатализаторы, играющие важную роль на всех этапах обмена веществ и биохимических реакций. Они представляют особый интерес и используются в качестве органических катализаторов в многочисленных процессах в промышленном масштабе. В этой статье дается обзор ферментов микроорганизмов и их классификация.

Введение

Различные биопромышленности нуждаются в ферментах, обладающих особыми характеристиками для их применения при обработке субстратов и сырья. Ферменты микроорганизмов действуют как биокатализаторы для осуществления реакций в биологических процессах экономичным и экологически чистым способом по сравнению с использованием химических катализаторов. Их особые характеристики используются для коммерческого интереса и промышленного применения. Ферменты очень специфичны, они катализируют около 4000 биохимических реакций. Нобелевский лауреат Эмиль Фишер предположил, что это происходит потому, что и фермент, и субстрат обладают специфическими комплементарными геометрическими формами, которые точно вписываются друг в друга.

Вам будет интересно: Что такое рать? Толкование и синонимы

Определение

Вам будет интересно: Всегда ли изящество — это достоинство?

Ферменты — это крупные биологические молекулы, ответственные за все те важные химические взаимопревращения, которые необходимы для поддержания жизни. Они являются высокоселективными катализаторами, которые могут значительно ускорить как скорость, так и специфичность метаболических реакций, которые варьируются от переваривания пищи до синтеза ДНК. От того, какие ферменты образуются в клетках микроорганизмов, зависят все метаболические процессы, происходящие в них.

История

В 1877 году Вильгельм Фридрих Кюне, профессор физиологии в Гейдельбергском университете, впервые использовал термин «фермент», который происходит от латинского слова fermentum, означающего «в закваске». Получение ферментов микроорганизмов началось в Древней Греции. Они использовались для сохранения еды и напитков.

В 1783 году известный итальянский католический священник Лаззаро Спалланцани впервые упомянул важность этой биомолекулы в своей работе по биогенезу.

В 1812 году Готтлиб Сигизмунд Кирхгоф исследовал процедуру превращения крахмала в глюкозу. В своем эксперименте он освещает применение ферментов в качестве катализатора.

Вам будет интересно: Упрекнуть — это колкое слово: толкование и синонимы

В 1833 году французский химик Ансельм Пайен открыл первый фермент, диастазу.

Несколько десятилетий спустя, в 1862 году, при изучении ферментации сахара до спирта Луи Пастер пришел к выводу, что она была катализирована жизненной силой, содержащейся в клетках дрожжей.

Найденные в природе биомолекулы широко использовались с древних времен при производстве таких изделий, как лен, кожа и индиго. Все эти процессы были вызваны микроорганизмами — продуцентами ферментов.

Значение

Для облегчения химических реакций необходимы ферменты. Их роль в жизнедеятельности микроорганизмов очень важна. Она заключается в обеспечении метаболических процессов, дыхания, пищеварения и других видов жизнедеятельности. Когда ферменты функционируют должным образом, гомеостаз сохраняется. Еще одна роль ферментов в микроорганизмах — это ускорение обмена веществ.

Особые характеристики

Свойства ферментов микроорганизмов включают в себя:

  • термоустойчивость;
  • термофильную природу;
  • толерантность к изменяющемуся диапазону РН;
  • стабильность активности при изменении температур и РН;
  • другие жесткие условия реакции.

Они подразделяются на термофильные, ацидофильные или алкалофильные. Микроорганизмы с системами термостабильных ферментов уменьшают возможность микробного загрязнения в крупномасштабных промышленных реакциях длительной продолжительности. Ферменты микроорганизмов помогают в увеличении массообмена и снижении вязкости субстрата во время процесса гидролиза сырья.

Классификация

Из-за широкого спектра активностей, основанных на природе их реакции, ферменты классифицируются в соответствии с катализом:

  • Оксидоредуктазы. Реакции окисления включают перенос электронов от одной молекулы к другой. В биологических системах — это удаление водорода из субстрата.
  • Трансферазы. Этот класс ферментов катализирует перенос групп атомов из одной молекулы в другую. Аминотрансферазы или трансаминазы способствуют переносу аминогруппы из аминокислоты в альфа-оксокислоту.
  • Гидролазы. Катализируют гидролиз, расщепление субстратов водой. Реакции включают расщепление пептидных связей в белках, гликозидных связей в углеводах и сложноэфирных связей в липидах. Как правило, более крупные молекулы распадаются на более мелкие фрагменты.
  • Лиазы. Катализируют добавление групп к двойным связям или образование вторых посредством удаления первых. Например, пектат-лиазы расщепляют гликозидные связи путем бета-элиминации.
  • Изомеразы. Катализируют перенос групп из одного положения в другое в одной и той же молекуле. Изменяют структуру субстрата, перестраивая его атомы.
  • Лигазы. Соединяют молекулы вместе с ковалентными связями. Участвуют в биосинтетических реакциях, где образуются новые группы связей. Такие реакции требуют ввода энергии в виде кофакторов.

    Вам будет интересно: Стремление доказать, или Что значит «вопреки»?

    Применение

    Ферментация применяется при приготовлении многих пищевых продуктов. Использование ферментов микроорганизмов в пищевой промышленности — это давний процесс. Широкое применение нашли следующие виды:

    • Амилаза. Разжижение крахмала, улучшение качества хлеба, осветление фруктовых соков.
    • Глюкоамилазы. Производство пива и сиропов с высоким содержанием глюкозы и фруктозы.
    • Протеаза. Тендеризация мяса, коагуляция молока.
    • Лактаза. Снижение непереносимости лактозы у людей, пребиотические пищевые добавки.
    • Липаза. Производство сыра чеддер.
    • Фосфолипазы. Производство липолизированного молочного жира.
    • Эстеразам. Улучшение вкуса и аромата во фруктовом соке. Деэтерификация пищевых волокон. Производство короткоцепных сложных эфиров.
    • Целлюлазы. Корма для животных.
    • Глюкозооксидаза. Улучшение срока годности продуктов питания.
    • Лакказы. Удаление полифенолов из вина.
    • Каталазы. Пищевая консервация. Удаление перекиси водорода из молока до производства сыра.
    • Пероксидаза. Развитие вкуса, цвета и качества пищи.

    Протеаза

    Протеазы, полученные из микробных систем, бывают трех типов: кислые, нейтральные и щелочные. Щелочные сериновые протеазы имеют наибольшее применение в биоиндустрии. Они обладают высокой активностью и стабильностью в аномальных условиях экстремальных физиологических параметров. Щелочные протеазы обладают свойством высокой стабильности ферментативной активности при использовании в моющих средствах. Они нашли широкое применение в биоиндустрии:

    • производство стиральных порошков;
    • пищевая промышленность;
    • обработка кожи;
    • фармацевтика;
    • исследования в области молекулярной биологии и синтеза пептидов.
    Читайте также  Оценка финансовой устойчивости коммерческого банка

    Амилаза

    Это фермент микроорганизмов, катализирующий расщепление крахмала на сахара. Он был обнаружен и выделен Ансельмом Пейеном в 1833 году. Все амилазы являются гликозидгидролазами. Они широко используются в промышленности и занимают почти 25% рынка ферментов. Применяются в таких отраслях, как:

    • пищевая;
    • хлебопекарная;
    • бумажная и текстильная;
    • подсластители и фруктовые соки;
    • глюкозные и фруктозные сиропы;
    • моющие средства;
    • топливный этанол из крахмалов;
    • алкогольные напитки;
    • пищеварительная помощь;
    • пятновыводитель в химчистке.

    Также используются в клинической, медицинской и аналитической химии.

    Ксиланаза

    Гемицеллюлоза является одной из основных составляющих сельскохозяйственных остатков наряду с целлюлозой, лигнином и пектином. Ксилан является основным ее компонентом. Важность ксиланазы значительно возросла благодаря ее биотехнологическим применениям для производства пентозы, очищения фруктовых соков, улучшения пищеварения и биоконверсии лигноцеллюлозных сельскохозяйственных отходов в топливо и химические вещества. Она нашла свое применение в пищевой, текстильной и целлюлозно-бумажной промышленности, утилизации отходов сельского хозяйства, производства этанола и кормов для животных.

    Лакказа

    Лигинолитические ферменты применимы в гидролизе лигноцеллюлозных сельскохозяйственных остатков, особенно для деградации сложного и неперекачивающего составляющего лигнина. Они очень универсальны по своей природе и могут быть использованы в ряде промышленных процессов. Лигнолитическая ферментная система используется в биообесцвечивании целлюлозы, и в других отраслях, таких как стабилизация винных и фруктовых соков, стирка денима, косметическая промышленность и биосенсоры.

    Липаза

    Это фермент микроорганизмов, катализирующий расщепление и гидролиз жиров. Липазы — это подкласс эстераз. Они играют значительную роль в пищеварении, транспорте и переработке жиров. Большая часть липаз задействованы в определенном положении на глицериновом остове жирового субстрата, особенно в тонкой кишке. Некоторые из них экспрессируются при помощи секретируемых патогенных организмов во время инфекционного заболевания. Липазы считаются основной группой биотехнологически ценных ферментов, главным образом благодаря универсальности их применяемых свойств и легкости массового производства.

    Применение липазы

    Эти ферменты участвуют в разнообразных биологических процессах, начиная от рутинного метаболизма триглицеридов в рационе питания до передачи сигналов и воспаления клеток. Некоторые липазные активности ограничены определенными компартментами внутри клеток, тогда как другие работают во внеклеточных пространствах:

    • Липазы поджелудочной железы секретируются во внеклеточные пространства, где они служат для переработки пищевых липидов в более простые формы, которые переносятся по всему организму.
    • Облегчают поглощение питательных веществ из внешней среды.
    • Повышенная активность липазы заменяет традиционные катализаторы при переработке биодизеля.
    • Используется в таких областях, как выпечка, моющие средства для стирки, в качестве биокатализаторов.
    • В текстильной промышленности применяется для увеличения впитывающей способности ткани и ровности при крашении.
    • Для модификации пищевого вкуса путем синтеза сложных эфиров короткоцепочечных жирных кислот и спиртов.
    • Наличие или высокий уровень липаз может указывать на определенную инфекцию или заболевание и может использоваться в качестве диагностического инструмента.
    • Оказывают бактерицидное действие. Могут быть использованы при лечении злокачественных опухолей.
    • Имеют большое коммерческое значение в косметике и фармацевтике (средства по уходу за кожей, препараты для завивки волос).

    Ферменты микроорганизмов

    ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ МИКРОБНОГО МЕТАБОЛИЗМА

    Основу жизнедеятельности микроорганизмов, как и всех живых существ, составляет обмен веществ – метаболизм. Метаболизм – это совокупность химических превращений в клетке. В результате ассимиляции питательных веществ из простых веществ питательной среды строятся сложные органические вещества микробной клетки. Совокупность реакций синтеза метаболитов в микробной клетке составляет конструктивный (строительный) метаболизм, или анаболизм (греч. anabolέ – подъем). Другая система реакций обеспечивает расщепление (диссимиляцию) сложных веществ на простые с выделением энергии и составляет энергетический метаболизм, или катаболизм (греч. katabole — разрушение). У микроорганизмов часто очень трудно различить энергетический и конструктивный процессы. В большинстве случаев питательные вещества, потребляемые микроорганизмами, одновременно служат источником питания и источником энергии.

    Ферменты (лат. fermentare – бродить), или энзимы (греч. en – в, внутри, между + zymέ — закваска) – биологические катализаторы белковой природы, обладающие специфичностью и играющие важную роль в обмене веществ микроорганизмов. Различаются ферменты однокомпонентные, представляющие собой простые белки (протеины) и двухкомпонентные, представляющие собой сложные белки (протеиды). Двухкомпонентные белки состоят из белковой части (апофермента) и небелковой части (кофактора).

    Характерной особенностью ферментов является специфичность их действия – один и тот же фермент действует не только на определенное вещество. Специфические свойства фермента определяет белковая часть. Узнавание субстрата ферментом происходит в процессе связывания. Субстрат присоединяется в совершенно определенном участке молекулы фермента – каталитическом центре. Субстрат и фермент подходят друг к другу, как ключ к замку. Небелковая группа определяет каталитическую активность. В качестве активной группы выступает либо коферменты, либо простетическая группа. Коферментылегко отделяются от белковой части и способны к самостоятельному существованию, простетическая группа прочно связана с белковой частью и не отделяется от нее. Апофермент усиливает каталитическую активность кофакторов.

    В настоящее время известно более 2000 ферментов. По типу катализируемой реакции ферменты классифицируют на 6 классов. В клетках микроорганизмов обнаружены ферменты всех классов. Название многих ферментов образуется путем добавления окончания «аза» к названию субстрата (соединения, на которое воздействует данный фермент).

    Оксидоредуктазы. Эти ферменты катализируют окислительно-восстановительные процессы, к ним относятся дегидрогеназы, цитохромы, оксидазы, пероксидаза, каталаза.

    Дегидрогеназы катализируют реакции отрыва водорода от молекулы субстрата (окисление) и перенос его на другое вещество (восстановление). Первичные (анаэробные) дегидрогеназы содержат в качестве коферментов пиридиновые производные (НАД – никотинамидадениндинуклеотид, НАДФ). Они передают оторванный от субстрата водород не на кислород, а на другие ферменты или переносчики. Вторичные (аэробные) дегидрогеназысодержат в качестве активных группировок флавиновые производные (ФАД – флавинадениндинуклеотид, ФМН — флавинаденинмононуклеотид), Они переносят водород от субстратов или пиридиновых дегидрогеназ непосредственно на молекулярный кислород или к цитохромам. Цитохромы содержат атомы железа и обеспечивают протекание окислительно-восстановительных реакций в результате перехода железа из двухвалентного состояния в трехвалентное, т.н.являются переносчиками электронов. Непосредственно от цитохрома к кислороду передает электроны цитохромоксидаза. В случае, когда водород от окисляемого субстрата непосредственно передается на молекулярный кислород, в клетке образуется пероксид водорода. Нейтрализацию этого ядовитого соединения в клетках аэробных микроорганизмов осуществляют ферменты каталаза и пероксидаза. Каталаза катализирует расщепление пероксида водорода до воды и молекулярного кислорода. Пероксидаза катализирует также окисление пероксидом водорода органических веществ клетки. В обоих случаях происходит расщепление перекиси водорода.

    Трансферазы. В эту группу объединены ферменты, катализирующие перенос группировок с одной молекулы на другую. Гексокиназы переносят фосфорные группировки, что обеспечивает фосфорилирование сахаров – пусковые реакции утилизации углеводов. Трансаминазы катализируют реакции переноса аминогрупп от аминокислот к кетокислотам, обеспечивая синтез необходимых клетке аминокислот. Исключительно важную роль в процессах переноса играет кофермент А. Назван он так потому, что впервые был идентифицирован как переносчик ацильного (уксусного) радикала СН3СО — . Известно, что большая часть углеродных атомов углеводов, жирных кислот и аминокислот подвергается превращениям с помощью кофермента А. Активной группой кофермента А является конечная тиоловая группа SH тиоэтаноламина. Поэтому обычно этот кофермент обозначается КоА-SH. Благодаря наличию конечных тиоловых групп кофермент А может вступать в реакцию с конечными карбоксильными группами органических кислот:

    Гидролазы.Ферменты этого класса обеспечивают расщепление сложных соединений с одновременным присоединением воды. В зависимости от того, какие связи при этом разрываются, гидролазы делятся на подклассы. Пептидгидролазы – многочисленные протеолитические ферменты, обеспечивающие разложение микроорганизмами белков различного происхождения. Эстеразы – гидролазы, разрушающие сложноэфирные связи. Сюда входят липазы, катализирующие гидролиз жиров до глицерина и жирных кислот, пектинэстеразы, катализирующие расщепление пектиновых субстратов. Гидролиз полисахаридов осуществляют в основном амилазы и целлюлазы. Благодаря их активности расщепляются такие соединения, как крахмал и целлюлоза.

    Лиазы. Эти ферменты катализируют негидролитическое отщепление атомных группировок с образованием двойных связей или присоединение группировок по месту этих двойных связей. У микроорганизмов активны декарбоксилазы, отщепляющие карбоксильную группу от аминокислот. Эти ферменты характерны для гнилостных микроорганизмов. В углеводном обмене важную роль играет альдолаза, обеспечивающая центральную реакцию превращения углеводов – расщепление гексозы на две триозы.

    Изомеразы. Эти ферменты катализируют внутримолекулярные превращения, например, превращения одного изомера в другой. Триозофосфатизомераза обеспечивает взаимопревращения триоз, образующиеся при расщеплении гексоз. Галактозофосфатизомераза катализирует превращение галактозы в глюкозу.

    Лигазы (синтетазы). Они обеспечивают реакции синтеза, сопровождаемые отщеплением остатков фосфорной кислоты от трифосфатов, например, АТФ. Благодаря этим ферментам синтезируются аминокислоты, ацетил-КоА, происходит карбоксилирование органических кислот.

    Микроорганизмы обладают определенным набором ферментов. Это наследственно закрепленный генетический признак, что имеет большое значение при идентификации микроорганизмов. Ферменты локализуются в микробной клетке в различных структурных элементах (рибосомах, мезосомах, ЦПМ и др.), действие их происходит строго согласованно. В микробной клетке ферменты могут функционировать независимо друг от друга или же могут структурно объединяться в полиферментные комплексы. В этих комплексах ферменты тесно связаны друг с другом и вне его теряют значительную часть своей активности.

    Конститутивные ферменты с постоянной скоростью синтезируются в клетке независимо от наличия в среде субстрата, на который распространяется их действие. Таким ферментам принадлежит основная роль в клеточном обмене. Индуцибельные (адаптивные) ферменты– это такие, которые активно синтезируются только в том случае, когда имеется субстрат, превращение которого они катализирую.

    По действию ферменты подразделяются на эндо- и экзоферменты. Эндоферменты прочно связаны с клеточными структурами и функционируют только внутри клетки. Они катализируют реакции биосинтеза и энергетического обмена. Большинство ферментов являются эндоферментами. Эти ферменты и после гибели микробной клетки временно остаются в активном состоянии. В результате их действия происходит самопереваривание, или автолиз клетки. При разрушении клетки ферменты поступают в окружающую среду. Экзоферментысвободно выделяются в окружающую среду. К ним относятся ферменты, катализирующие расщепление сложных органических веществ на более простые. Таим образом обеспечивается внеклеточное переваривание, т.е. превращение экзогенного субстрата в усвояемую форму. Кроме того, экзоферменты могут быть средством, с помощью которого микроб-паразит внедряется в тело хозяина; могут иметь защитное значение, инактивируя в среде вредные для клетки вещества.

    Читайте также  Регулирование рынка жилья

    Активность ферментов. Ферменты обладают высокой активностью. Ничтожные количества фермента обеспечивают значительную скорость реакции и вызывают превращения больших количеств реагирующих веществ.

    Белковая природа ферментов обуславливает их лабильность – потерю активности под влиянием некоторых факторов, важнейшими из которых являются температура и реакция среды. Максимальная активность достигается в области оптимальной для микроорганизма температуры, после сего начинается падение активности, связанное с денатурацией белковой части фермента. Почти все ферменты необратимо разрушаются при 80 0 С. В условиях близких к 0 0 С и ниже ферментативная активность замедляется ив большинстве случаев приостанавливается. Большинство ферментов имеют максимальную активность в нейтральной среде, но для некоторых оптимум рН может находиться в кислой или щелочной области значений. Лучистая энергия разрушает ферменты. На активность ферментов влияет присутствие в среде различных химических соединений. Одни из них повышают активность ферментов (активаторы), другие – снижают (ингибиторы). Активаторами выступают витамины, двухвалентные катионы, ингибиторами – соли тяжелых металлов, антибиотики.

    Различают обратимое и необратимое ингибирование. При необратимом ингибировании фермент полностью или частично теряет активность в результате необратимого разрушения или модификации его функциональных групп. Обратимое ингибирование может быть конкурентным и неконкурентным. При конкурентном ингибировании ингибитор по структуре молекулы напоминает субстрат и может взаимодействовать с активным центром фермента, т.е. конкурировать за него с субстратом. В основе неконкурентного ингибирования лежит способность ингибитора взаимодействовать с какой-либо группой молекулы субстрата, существенно влияющей на его активность, но не входящей в активный центр.

    Кинетика ферментативных реакций. Основным уравнением стационарной кинетики ферментативных реакций является уравнение Михаэлиса-Ментен:

    где v – скорость реакции; Eо общая концентрация фермента в системе; S — концентрация субстрата;

    где Km – константа Михаэлиса-Ментен; K+1 и K-1 — константы скоростей прямой реакции образования ферментно-субстратного комплекса ЕS и обратной реакции его диссоциации; K+2 – константа скорости образования конечного продукта. Максимальная скорость реакции достигается при такой концентрации субстрата, когда весь фермент связан в ферментно-субстратный комплекс.

    Для чего нужны ферменты бактериям, их польза и вред для человека

    Выявление учеными XIX века ферментов в клетках бактерий стало не просто прорывом в науке. Эти крошечные организмы буквально ворвались во все сферы деятельности человека. И стали для человечества незаменимыми помощниками. Ароматный окорок, нежная ветчина, благоухающие сырокопченые колбасы, увесистые головки сыра, дурманящий букет вина. Сразу возникает резонный вопрос: а какое отношение ко всей этой вкуснятине имеют бактерии? Да самое что ни на есть прямое. Именно ферменты бактерий позволяют человеку побаловать себя всевозможными яствами.

    Что же о них известно?

    Ферменты – это вещества, которые ускоряют биохимические реакции. Они непосредственно принимают участие в механизме жизнедеятельности микроорганизмов. При этом количественный состав катализаторов не меняется, проще говоря, они не расходуются.

    Ферменты у бактерий имеют белковую природу. Согласно классификации, они бывают:

    • однокомпонентные – в состав входит только белковая часть;
    • двухкомпонентные – содержат в своем составе как белковую, так и небелковую часть.

    На активность катализаторов большое влияние оказывает температура окружающей среды. Идеальной для всех бактериальных клеток является температура в пределах 37-40ºC. При уменьшении температурного режима активность веществ сильно падает. А вот при увеличении, наоборот, каталитическая функция значительно усиливается.

    Температура свыше 80ºC считается критической, потому что при таких условиях ферменты бактерий безвозвратно деактивируются, дыхание замедляется. Соответственно, механизм жизнедеятельности бактериальной клетки нарушается.

    Механизм действия катализаторов довольно специфичен. Связано это с тем, что каждый фермент имеет каталитическое влияние только на конкретные вещества, которые участвуют в схожих химических реакциях. Например, в процессе дыхания или размножения.

    В состав микроорганизмов входит определенное количество ферментов, которые называются конститутивными. Они синтезируются в бактериальной клетке непрерывно. Провести идентификацию микроорганизмов помогают именно конститутивные ферменты.

    Примечательно, что попадая в питательную среду (например, субстрат с добавлением лактозы), бактерии синтезируют ферменты, которые у них раньше не присутствовали. Их называют индуцибельные. Они помогают бактериальным клеткам приспособиться к изменениям условий обитания.

    Они везде: внутри и снаружи

    В микробиологии применяется классификация ферментов по месту локализации в бактериальной клетке.

    • Экзоферменты выделяются клеткой в окружающую среду. Действие их заключается в том, что они расщепляют питательные вещества на низкомолекулярные фрагменты. Это значительно облегчает их транспортировку вглубь клетки. Экзоферменты играют важную роль в механизме защиты – дезактивируют антибактериальные вещества.
    • Эндоферменты размещаются в цитоплазме бактериальной клетки. Их действие не выходит за пределы клетки. Они участвуют в процессе дальнейшего расщепления питательных веществ.

    Современная наука провела идентификацию более 1000 бактериальных катализаторов. Для облегчения дальнейших действий ученые разработали их классификацию:

    • оксидоредуктазы — принимают непосредственное участие в процессе дыхания микроорганизмов;
    • трансферазы — катализируют биохимические реакции при транспортировке групп атомов между соединениями;
    • гидролазы — участвуют в расщеплении сложных жиров, белков, углеводов при непременном присутствии воды;
    • лиазы — отщепляют от субстрата либо присоединяют к нему конкретную категорию атомов без помощи воды;
    • изомеразы — оказывают действие непосредственно на органические соединения;
    • лигазы — незаменимы в механизме углеводного и азотного обмена веществ, синтезируя сложные органические комбинации из более простых.

    Агрессивны и очень опасны

    Возбудителями инфекционных заболеваний являются болезнетворные микроорганизмы. Патогенность обусловлена на их генетическом уровне и является видовым признаком. Микробы ведут паразитический образ жизни в организме человека и животных. Очень часто они попадают внутрь через органы дыхания или пищеварительную систему.

    Действие болезнетворных микробов активизируется при определенных условиях. Многие выбирают себе для существования конкретные органы и ткани.

    Патогенность бактерий объясняется тем, что в процессе жизнедеятельности они вырабатывают ядовитые вещества. Выработка и действие токсинов прекращаются только после полного разрушения болезнетворной бактериальной клетки.

    Микроорганизмы облегчают себе работу по внедрению в живые клетки, выделяя ферменты агрессии. Ослабляя защитные свойства организмов, они получают возможность беспрепятственно в них размножаться.

    Медики выделяют бактерии, которые имеют условную патогенность. Они не вызывают заболеваний у человека с высоким иммунитетом. А вот попав внутрь ослабленного организма, могут привести даже к летальному исходу.

    Микроорганизмы прочно обосновались в народном хозяйстве

    Человечество научилось извлекать пользу от соседства с бактериями. Множество ферментов встало на службу человеку и исправно выполняет свою миссию. В каких же сферах они используются? И каков механизм их действия?

    • Протеазы используют в кожевенном производстве для обработки сырьевого материала. Кроме того, они замечательно выводят стойкие белковые пятна от крови, соусов, молока.
    • Целлюлаза при добавлении в стиральный порошок замечательно удаляет катышки с одежды. Характерной особенностью таких средств является то, что все действия (стирку, замачивание) можно проводить только в теплой воде. Потому что высокие температуры для целлюлазы губительны.
    • Амилазы незаменимы в хлебопечении. Именно благодаря их воздействию на тесто происходит его разбухание и поднятие. Ароматные мягкие булочки и душистый хлеб «дарят» нам именно ферменты, и бактерии щедро делятся ими с человеком.
    • Ферменты у дрожжевых бактерий применяются при изготовлении пива. Используя комплексные сочетания ферментов бактерий, производители получают самые разнообразные виды напитка. Кроме того, во избежание образования осадка в спиртных напитках в них добавляют папаин или пепсин, которые оказывают действие на белковые структуры, растворяя их.

    Отдельное внимание стоит уделить каталитическим веществам, которые используются медициной. Ведь их способность затягивать раны рассасывать тромбы, бороться с инфекциями поистине нельзя переоценить.

    Ферменты помогают провести идентификацию виновников заболеваний при лабораторных исследованиях. Определить наличие сахара в крови или моче помогает глюкозооксидаза. Даже выявить присутствие в человеческом организме алкоголя помогают невидимые глазу малыши.

    Мясной разносол: пальчики оближешь

    Ученые научились выделять ферменты бактерий, а практики применять их в повседневной жизни. Например, при переработке мясного сырья. В зависимости от механизма обработки мяса меняются вкусовые качества продукции, и бактерии играют тут не последнюю роль.

    Особенное значение имеет помощь микроорганизмов в изготовлении ветчины и окороков. Именно качественный рассол способствует тому, что мясная продукция приобретает ветчинный вкус и аромат, а также розовую окраску. Закваски для приготовления рассолов выращивают в лабораторных или промышленных условиях.

    Мясо имеет неоднородную структуру. Оно состоит из мышечной и соединительной ткани. Используя знания по микробиологии, промышленные технологи научились использовать бактериальные вещества для размягчения грубых волокон. Это значительно улучшает вкус готовой продукции.

    Ферментные препараты безвредны для человеческого организма. Они имеют белковую структуру, а значит теряют активность при тепловой обработке.

    Образование высшее филологическое. В копирайтинге с 2012 г., также занимаюсь редактированием/размещением статей. Увлечения — психология и кулинария.

  • Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
    Добавить комментарий

    ;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: