Ферменты микроорганизмов

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].

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

Действие экзо- и эндоферментов бактерий

---

^[3]

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].

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].