МИКРОБИОЛОГИЯ Учебное пособие - 2012
ГЛАВА 9. ФИЗИОЛОГИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ
Физиология микроорганизмов изучает жизненные функции, в основе которых лежит непрерывный обмен веществ — метаболизм, представляющий собой два взаимосвязанных процесса: ассимиляцию (анаболизм) и диссимиляцию (катаболизм). Анаболические превращения приводят к синтезу новых клеточных компонентов, в то время как в результате катаболических превращений образуются низкомолекулярные соединения. Некоторые из этих соединений служат предшественниками для биосинтеза компонентов клетки и включаются в анаболитические пути, другие не используются клеткой и выделяются во внешнюю среду.
Для осуществления процессов обмена веществ микроорганизмы нуждаются в источниках энергии и питательных веществах. Источниками энергии у микроорганизмов могут служить электромагнитная энергия света (физическая) и энергия окислительно-восстановительных реакций (химическая). Сущность окислительно-восстановительных реакции заключается в переносе электронов от соединении, способных окисляться (доноры электронов), к молекулам веществ, способных принимать электроны и таким образом восстанавливаться (акцепторы электронов). У прокариотов известны три способа получения энергии: брожение, дыхание и фотосинтез. В процессах брожения результатом некоторых окислительно-восстановительных реакций является образование веществ, фосфатная группа которых содержит много свободной энергии. Фосфатную группу соответствующий фермент переносит на АДФ, что приводит к образованию АТФ. Освобождение энергии в виде АТФ в определенных окислительно-восстановительных реакциях брожения получило название субстратного фосфорилирования.
Различные представители прокариотов могут получать энергию в процессе дыхания. При окислении органических веществ у них происходит перенос электронов в цепи дыхательных ферментов, что во многих случаях приводит к восстановлению молекулярного кислорода до Н2O и образованию АТФ. В этом случае освобождение энергии в виде молекул АТФ называется окислительным фосфорилированием. Образование АТФ в процессе фотосинтеза называется фотосинтетическим фосфорилированием.
Энергия, освобождающаяся в процессах дыхания и фотосинтеза, запасается мембранах в форме электрохимического трансмембранного потенциала ионов водорода (ΔμH+). В данном случае химическая энергия превращается в электрохимическую и может быть использована впоследствии для синтеза АТФ.
9.1. ФЕРМЕНТЫ МИКРООРГАНИЗМОВ
В бактериальных клетках процессы обмена веществ катализируются соответствующими ферментами. Микробная клетка, подобно клеткам высших организмов, оснащена достаточно активным ферментным аппаратом, представленным всеми шестью известными классами ферментов.
Несмотря на малые размеры бактериальной клетки, распределение в ней ферментов строго упорядочено. Ферменты энергетического обмена и транспорта питательных веществ локализованы в ЦПМ и ее производных. Ферменты белкового синтеза связаны с рибосомами. Многие ферменты не связаны с определенными структурами, а находятся в цитоплазме.
Некоторые ферменты, локализованные в цитоплазме, функционируют независимо друг от друга, другие тесно связаны между собой, обеспечивая протекание метаболических реакций в определенной последовательности. Внутриклеточные ферменты, объединенные структурно и функционально, составляют мультиферментные комплексы, например ферменты дыхания.
В бактериальной клетке присутствуют и литические ферменты. Они ответственны за деление и автолиз клетки и локализованы в клеточной стенке. Процессы лизиса и биосинтеза клеточной стенки происходят одновременно с ростом и развитием бактериальной клетки, и лишь на поздних стадиях развития осуществляется лизис клетки. Литические ферменты бактериальных спор активируются в период споруляции и при прорастании спор.
Ферменты бактерий подразделяются на экзо- и эндоферменты. Эндоферменты находятся только внутри клетки. Они катализируют реакции биосинтеза и энергетического обмена. Экзоферменты выделяются во внешнюю среду для внеклеточного переваривания. Их функцией является катализирование реакций гидролиза сложных органических соединений на более простые, доступные для потребления микробной клеткой. К ним относятся ферменты класса гидролаз. Некоторые экзоферменты выполняют защитные функции, например, пенициллиназа, выделяемая некоторыми бактериями, делает ее недосягаемой для этого антибиотика.
В зависимости от условий образования ферменты разделяют на конститутивные и индуцибельные.
Конститутивными называют ферменты, синтезируемые клеткой вне зависимости от субстрата, на котором размножаются бактерии. К ним, например, относятся ферменты гликолиза.
Индуцибельные ферменты синтезируются только в ответ на присутствие в среде необходимого для клетки субстрата — индуктора. Он взаимодействует с репрессором, инактивирует его, в результате чего включается генетический аппарат клетки и начинается синтез соответствующего фермента. Индуцибельный синтез фермента идет до тех пор, пока в среде присутствует индуктор. К индуцибельным ферментам относится большинство гидролитических ферментов.
Наряду с процессами, индуцирующими синтез ферментов, в клетке происходит и подавление образования ферментов — репрессия. В зависимости от природы репрессора различают два типа репрессии: репрессию конечным продуктом биосинтеза и репрессию продуктами распада — катаболитами. Кроме репрессии конечным продуктом описан другой тип репрессии, называемый катаболитной репрессией. Присутствие в среде глюкозы и некоторых других хорошо используемых клеткой источников углерода и энергии приводит к подавлению синтеза многих индуцибельных ферментов. В частности, глюкоза подавляет синтез β-галактозидазы, даже если индуктор этого фермента — лактоза — присутствует в среде. Катаболитную репрессию можно рассматривать как приспособление микробной клетки к использованию в первую очередь легко доступных источников энергии.
Патогенные бактерии наряду с ферментами обмена обладают так называемыми ферментами агрессии, являющимися факторами вирулентности. К ним относятся дезоксирибонуклеаза, нейрамидаза, коллагеназа, гиалуронидаза. Последняя расщепляет гиалуроновую кислоту — составную часть основного вещества соединительной ткани.
Микробные ферменты широко используются в пищевой и микробиологической промышленности, в медицине. Продуцентами ферментов могут быть бактерии, дрожжи, мицелиальные грибы. Протеолитические ферменты применяют при производстве творога, в сыроделии, пектолитические ферменты используют для ускорения процессов выделения соков из плодов и ягод и для осветления соков, амилолитические ферменты нашли широкое применение в пивоварении, спиртовой промышленности, хлебопечении. Ферменты микроорганизмов — рестриктазу и лигазу — используют в генетической инженерии.
Применение ферментов в различных отраслях пищевой промышленности позволяет значительно ускорить технологический процесс, повысить выход и качество готовой продукции.