Общая микробиология - Шлегель Г. 1987

Разложение природных веществ
Крахмал и другие глюканы

Крахмал - это главное запасное вещество растений. Обычно он откладывается в виде зерен шарообразной, чечевицеобразной или яйцевидной формы. Для крахмальных зерен характерна отчетливая слоистая структура. Растительный крахмал состоит из двух глюканов - амилозы (15-27%) и амилопектина. Амилоза растворяется в горячей воде без набухания; именно она ответственна за появление характерной синей окраски при взаимодействии крахмала с иодом. Неразветвленные винтообразно закрученные цепи амилозы состоят из остатков D-глюкозы, соединенных а-гликозидными связями между углеродными атомами 1 и 4. Степень полимеризации варьирует в пределах от 200 до 5000. Амилопектин в воде набухает и при нагревании образует крахмальный клейстер, а иодом окрашивается в пурпурный или коричневый цвет.

Амилопектин тоже представляет собой поли-а-1,4-D-глюкозу, но его молекула, подобно молекуле гликогена, разветвлена благодаря наличию 1,6-связей. Амилопектин содержит, кроме того, остатки фосфорной кислоты, а также ионы магния и кальция. Крахмалы разного происхождения значительно различаются по разветвленности цепей, степени полимеризации и некоторым другим свойствам.

При кислотном гидролизе или под действием ферментов крахмал расщепляется до глюкозы. Известны три типа ферментативного расщепления глюканов: 1) фосфоролиз, 2) гидролиз и 3) трансгликозилирование.

Фосфоролиз. Превращение крахмала, гликогена и аналогичных полисахаридов в глюкозо-1-фосфат катализируют а-1,4-глюканфосфорилазы (называемые также просто фосфорилазами). Хотя эта реакция обратима, она, видимо, происходит только при внутриклеточном распаде полисахаридов, но не при их синтезе. Фосфоролиз начинается со свободного нередуцирующего конца цепи амилозы, причем при разрыве каждой связи освобождается одна молекула глюкозо-1-фосфата. В молекуле амилопектина фосфоролиз останавливается в точках ветвления (1,6-связи) и может продолжаться только после воздействия амило-1,6-глюкозидазы. Фосфорилазы играют решающую роль при мобилизации накопленных в клетках полисахаридов (глюканов):

Гидролиз. Вне клетки крахмал подвергается гидролитическому расщеплению амилазами. а-Амилаза имеется у растений, животных и многих микроорганизмов. Она очень быстро разжижает крахмал, воздействуя одновременно на многие а-1,4-связи во всех частях молекулы (поэтому ее называют также «эндоамилазой»). Продуктами расщепления оказываются, помимо мальтозы, также олигомеры, содержащие от 3 до 7 остатков глюкозы. Вследствие быстрого разрушения макромолекулярной структуры крахмала быстро уменьшается и вязкость раствора, и окрашиваемость иодом; постепенно появляются сбраживаемые сахара (глюкоза, мальтоза, мальтотриоза). Если совместно с а-амилазой воздействует амило-1,6-глюкозидаза (амилодекстриназа), то расщепляются и декстрины (рис. 14.2).

Рис. 14.2. Места воздействия ферментов, участвующих в разложении амилозы и амилопектина. (Windish W. W., Adv. appl. Microbiol., 7 [1965], 273.)

ß-Амилазы встречаются только у растений (ячменя, пшеницы и др.). В отличие от а-амилаз они не воздействуют на внутренние участки молекулы (это только «экзоамилазы»), а расщепляют ее, начиная с нередуцирующего свободного конца - отделяют мальтозу с редуцирующей группой. При воздействии ß-амилазы крахмал долгое время сохраняет способность окрашиваться иодом, но быстро осахаривается. Гидролиз приостанавливается лишь после того, как будет расщеплена примерно половина амилопектина. Образовавшийся остаток называют ß-концевым декстрином. Если амило-1,6-глюкозидаза со своей стороны обеспечивает разрыв цепей в точках ветвления молекулы, то происходит полное расщепление полисахарида до мальтозы. Мальтоза может гидролизоваться вне клетки под действием мальтазы. При наличии соответствующих пермеаз мальтоза и низшие олигомеры поступают в клетку и подвергаются здесь фосфоролитическому расщеплению.

Трансгликозилирование. В содержащих крахмал средах, на которых выращивали Bacillus macerans, Шардингер обнаружил кристаллические вещества. Оказалось, что это замкнутые в кольцо цепи, состоящие из остатков глюкозы, соединенных а-1,4-гликозидными связями. Эти a-, ß- или у-циклодекстрины, содержащие по 6, 7 или 8 остатков глюкозы в кольце, образуются из крахмала под действием трансгликозилаз.

Грибы и бактерии синтезируют а-амилазы. Способность к расщеплению крахмала при помощи амилолитических экзоферментов распространена у микроорганизмов очень широко; поэтому не приходится говорить о существовании специфических микробов, расщепляющих крахмал. Многие почвенные грибы - активные продуценты амилазы. Для получения промышленных препаратов амилазы используют Aspergillus oryzae, A. niger и A. wentii. Например, така-амилаза, или така-диастаза, - это коммерческий препарат, получаемый из культур A. oryzae, который расщепляет крахмал до глюкозы. Среди бактерий к активным продуцентам амилаз относятся некоторые бациллы (Bacillus macerans, В. polymyxa, В. subtilis), псевдомонады и различные виды стрептомицетов. Фермент, выделяемый из культуры В. stearothermophilus, не утрачивает своей активности даже при кратковременном нагревании до 100°С. Поскольку дрожжи, используемые для получения спирта, не выделяют амилаз, для осахаривания крахмала приходится применять амилазы солода или Aspergillus oryzae.

В анаэробных условиях в насыщенной водой почве, удобренной углеводами, крахмал разлагают в основном сахаролитические клостридии. Поскольку они связывают молекулярный азот, это анаэробное разложение растительных остатков, богатых полисахаридами, может вести к значительному обогащению почвы азотом.

Другие глюканы. Бактерии и грибы содержат большое число глюканов, из которых одни выполняют опорную функцию, другие же представляют собой запасные вещества. К глюканам следует отнести также многие из слизей, выделяемых микроорганизмами. Наиболее известен среди глюканов декстран, образуемый, например, в большом количестве бактериями Leuconostoc mesenteroides и L. dextranicum с помощью экзофермента декстрансахаразы при росте на средах, содержащих сахарозу (разд. 2.2.4).

Опорный скелет клеточной стенки дрожжей содержит ß-1,6-глкжан. Точное строение этой нерастворимой опорной структуры, скрепленной ß-1,3-связями, пока еще не известно. Подобно многим другим глюканам, материал клеточной стенки дрожжей разлагается пищеварительным соком, который выделяет гепагопанкреас улитки. Этот сок содержит не менее 30 различных ферментов, в том числе целлюлазу, манназу, глюканазу, хитиназу и липазу. Его можно использовать для получения протопластов из дрожжевых клеток, а также из клеток других грибов и водорослей.

Дрожжеподобный гриб PuUularia (Dematium) pullulans в процессе роста на средах, содержащих глюкозу или сахарозу, выделяет пуллулан. Этот глюкан состоит из остатков мальтотриозы, соединенных а-1,6-гликозидными связями (поли-а-1,6-мальтотриоза). Пуллулан не расщепляется амилазами, поэтому на нем можно было бы получать накопительные культуры бактерий, выделяющих специфически действующий гидролитический фермент. Полисахарид нигеран накапливается в значительных количествах (до 40% сухой биомассы) в мицелиях некоторых видов Aspergillus и Penicillium; его можно экстрагировать горячей водой. По-видимому, это неразветвленный глюкан с чередующимися а-1,3- и а-1,4-связями.