Ферменты и их роль превращении веществ микроорганизмами - Изучение морфологических, биохимических, паталогоанотомических свойств сальмонеллезного микроба и действия на микробов, нового лекарственного препарата "Биотон"

В каждом организме (животном, растительном или микробной клетке) все время происходят сложные процессы превращения веществ. Велика роль в этих процессах ферментов биологических катализаторов белковой природы. И не только белковой. Как установлено (1981-1986 г), свойствами ферментов обладают также РНК, они катализируют биологические процессы в клетке. РНК названы "рибозамами". Следовательно, РНК совмещает в себе функции носителя генетической информации и фермента (Томас Р. Чек, Колорадский университет, США, 1986 г). Ферменты микробов делят на эндо и экзоферменты. Эндоферменты прочно связаны с цитоплазмой, осуществляют дальнейшее разложение поступающих питательных веществ и превращение их в составные части клетки.

Экзоферменты выделяются в окружающую среду, где производят превращение питательных веществ до более простых соединений, которые затем проходят через оболочку микробной клетки и служат пластическим материалом. В 1898 г. ученик Л. Пастера Эмиль Дюкло предложил ферменты называть по веществу, на которое они действуют с добавлением окончания "аза", Например фермент, действующий на крахмал, называют амилаза, на жиры - липаза, на белки - протеиназа.

Свойства ферментов.

Все процессы, которые протекают в микробной клетке, полностью зависят от активности ферментов. Ферменты растворимы в воде, а также в растворах солей, кислот, щелочей. Они имеют большую молекулярную массу и имеют электрический заряд. Ферменты - это белковые комплексы, по форме кристаллы, которые могут выпадать из растворов. Существует две группы ферментов: однокомпонентные, в состав которых входят белок - носитель и так называемая простетическая, или активная группа.

Белковых носитель называется апоферментом, активная группа - коферментом. По отдельности белковая и простетическая группы не обладают ферментативной активностью и только после, соединения они приобретают свойства ферментов.

Специфичность действия - одно из наиболее характерных свойств ферментов. Они способны реагировать только с определенным химическим соединением или группой родственных соединений. Фермент лактоза расщепляет только молочный сахар, уреаза гидролизирует мочевину, каталаза разрушает перекись водорода и т. д.

Каталитическая активность проявляется в очень малых количествах. Один грамм амилаза может разложить 1 т крахмала, 1 г химозина может свернуть 12 т молока, 1 г пепсина способен расщепить 50 кг коагулированного белка, одна молекула каталазы при 400С в течение секунды разрушает 550 тыс. молекулы перекиси водорода. Существует большое несоответствие между количеством фермента и действием, которое он оказывает на вещество.

Ферменты термолабильны. Они легко инактивируются при нагревании. При 50-600С ферменты снижают свою активность, при 800С происходит инактивация большинства из них, а при 1000С наступает полное разрушение. Это объясняется прежде всего тем, что ферменты имеют белковую природу. Оптимальная температура их действия 30-500С, для ферментов же животного происхождения - 37- 400С.

Ферменты действуют при определенном рН. Реакция среды, в которой ферменты проявляет свою активность, разная. Пепсин действует в кислой среде (рН 1,5-2,5), трипсин - слабощелочной (рН 7,8-8,7), каталаза и уреаза - в нейтральной (рН 7).

Ферменты не изменяются к концу реакции, не входят в состав конечных продуктов. Они нетоксичны. Это важное свойство имеет большое значение для многих отраслей народного хозяйства. Если бы ферменты оказались ядовитыми, невозможно было бы использовать многие продукты ферментации особенно в пищевой промышленности в медицине.

Классификация ферментов. В настоящее время известно более 2000 ферментов, поэтому возникла необходимость в научно обоснованной их классификации. Все ферменты объединены в шесть классов: оксидоредуктазы, трансферазы, гидролозы, мазы, изомеразы, лигазы или синтетазы.

1. Оксидоредуктазы - окислительно-восстановительные ферменты. Они ускоряют процессы восстановления и окисления различных веществ, играют большую роль в процессах дыхания микробов. Эта группа многочисленна, она включает более 200 ферментов. Вот некоторые из них. Дегидрогеназы - ферменты, которые ведут процесс биологического окисления путем отнятия водорода от субстрата донора и переноса его на кислород или другой акцептор. Различают аэробные и анаэробные догидрогеназы. Аэробные дегидрогеназы переносят водород как непосредственно на молекулярный кислород, так как на другие системы, они получили название оксидаз. Анаэробные дигидрогеназы вступают во взаимодействие с субстратом, отнимают у него водород и передают акцептору, но не кислороду воздуха. Цитохрамоксидозы - ферменты, переносящие электроны. Цитохрамоксидозы активирует молекулярный кислород и с его помощью окисляет восстановительный цитохром, активной группой которой является гемин. Каталаза содержится (группой (которого является) в клетках аэробных клетках аэробных микробов и относится к группе иминовых ферментов, содержащих в своей молекуле трехвалентное железо, способно теряет электроны (окисляться). При действии каталазы на перекись водорода происходит ее восстановление, образуются вода и молекулярный кислород. Пероксидаза содержится в некоторый микробах, она активирует кислород перекиси водорода и ускоряет окисление различных органических соединений.

Трансферазы - Ферменты переноса. Этот класс объединяет около 1000 - ферментов. Они переносят отдельные группы, радикалы и атомы как между отдельными молекулами, так и внутри них (метильные, карбоксильные и другие группы; группы, содержащие азот, фосфор, серу, альдегидные или кетонные остатки и т. д. Представители этого класса - аминотрансферазы, фосфотаттрансферазы и др.

Гидролазы - Ферменты, ускоряющие реакции гидролиза, то есть процесса расщепления сложных веществ на более простые с присоединением молекулы воды. Они имеются у многих микроорганизмов. Гидролазы объединяют более 200 ферментов. В это группу входят: эстеразы, расщепляющие сложны эфиры, образованные органическими кислотами и спиртами; фосфотазы, гидролизующие сложные эфиры, образованные спиртами и фосфорной кислотой, глюкозидазы, расщепляющие глюкозидные связи в углеродах и их производных; пептидазы; ускоряющие гидролиз пепдитных связей в белках; амидазы, ускорящие гидролиз амидов, аминокислот и других соединений.

Лиазы - Ферменты, отщеплящие от субстратов негидролитическим путем ту или иную группу. Этот класс объединяет около 90 ферментов. Наиболее важное значение в обмене веществ. К этой группе относятся фосфогексоизомераза, триозофосфотизомераза и т. др.

Изомеразы - Ферменты ускоряющие перемещение внутри молекул водорода, фосфора и двойных связей, что имеет важное значение в обмен веществ.

Лигазы - Или синтезы - ферменты ускоряющие синтез сложных соединений из более простых за счет распада пирофосфорных связей. Лигазы играют большую роль в синтезе белков, нуклеиновых кислот, жирных кислот и других соединений. В этот класс входит около 100 ферментов.

Рост и размножение микробов. В результате поступления питательных веществ и синтеза из них сложных органических рост - увеличение массы микробной стадии роста и зрелости, клетка начинает размножаться - увеличивает количество особей. Большинство бактерий размножается путем простого (бинарное) деления клетки пополам (вегетативное размножение), реже путем почкования. Грибы размножаются при помощи спор, половым путем и почкованием (дрожки).

Скорость размножения микробных клеток зависит от вида микроба, возраста культуры, состава питательной среды, температуры, наличия или отсутствия кислорода воздуха и других факторов. Большинство клеток делится через 20-30 мин. У кишечной палочке новое поколение образуется через 15-30 мин, у нитрифицирующих бактерией - через 5-10 ч, а возбудителя туберкулеза только через 18-24 ч. Чем оптимальное условия, тем быстрее происходит деление микробной клетки. У кишечной палочки на пептонной воде деление происходит через 33 мин, а на мясопептонном бульоне - на 10 мин быстрее. На скорость деления влияет температура. У патогенных микробов, которые адаптировались к организму животного или человека, размножение при быстрее, чем при комнатной температуре.

Шаровидные формы микробов делятся в разных плоскостях, в результате чего образуются одиночные, парные клетки или расположенные в виде гроздьев, тюков и т. д. Палочковидные клетки делятся поперек. Сначала появляется перетяжка, а затем происходит разъединение образовавшихся дочерних клеток. Грибы размножаются в основном при помощи спор, дрожжи - почкованием. Споры при попадание в благоприятную среду прорастают и дают начало новой вегетативной клетке. На поверхности дрожжевых клеток обычно появляется выпячивание (почка), к которое переходит часть цитоплазмы, и ядра, после его отделения образуется дочерняя клетка и т. д. Деление микробов может быть изоморфное, когда размеры, и гетероморфное, когда одна из них больше другой. Вместе с цитоплазмой в дочерние клетки переходит и нуклеоид, к котором заключена ДНК, имеющая двуспиральное строение. После разрыва водородных связей образуются две нити ДНК, каждая из них включается в состав новой клетки, где затем происходит их репликация (удвоение). Вместе с нуклеиновой кислотой передаются и наследственные признаки.

Размножение микробов происходит хотя в быстро, но небеспредельное. По расчетам G. Stent (1965), одна кишечная полочка в экспоненциальной фазе роста за 24 ч. Культивирования при делении клеток через 20 мин дала бы 227 потомков, масса которых составила бы окала 10 тыс. т. Имеется много факторов, которые нарушают оптимальные условия роста и размножения. К ним относятся: истощение среды, неблагоприятная температура, свет, продукты жизнедеятельности и т. д. Процесс размножения культуры микробов на несменяемой среде протекает неравномерно.

Культирование микроорганизмов.

Культирование (выращивание) микробов проводят на питательных средах, которые могут быть естественным и искусственными. Естественные среды, такие как молоко, пивное сусло, сенной отвар, морковный сок и другие могут иметь разное соотношение входящих в их состав компонентов. Искусственные среды составляют по рецептам, где количество и соотношение веществ строго определенное. Питательные среды должны содержать все необходимое для роста и развития микробов: азот, углерод, неорганические соединения в виде солей, витамины, микроэлементы и другие вещества. Среда считается оптимальной, если она имеет определенные показатели рН, окислительное - восстановительного потенциала, осмотического давления и т. д.

По консистенции различают плотные, полужидкие и жидкие питательные среды. Для получения плотных сред к жидким питательным средам (растворам) дабавляют 2-3% агар-агара, 10-15% желатина и другие вещества. По составу питательные среды. Могут быть простыми и сложными. Простые среды (МПБ, МПА) имеют наибольшее распространение и используются для выращивания многих микробов, для первичного выделения их из разных субстратов. В состав сложенных сред входят дополнительные компоненты: сыворотка крови, сахара и т. д. Сложные среды используются для дифференциальной диагностики. Гемолитическую способность определяют на кровяном агаре: сахаролитические свойства - на средах Гиса, Эндо, Плоскирева; протеолитические - на мясопептонном желатине и т. д.

Для выращивания определенных видов микробов применяют элективные (избирательные) среды, которые были введены на практику русским микробиологии С. Н.Виноградским при изучении процесс нитрификации. Такие среды не содержат органических соединений и были избирательными для нитрифицирующих бактерий. Элективной средой для молочнокислых бактерий служит молоко, для азотобактера - маннитный агар и т. д.

Температура культивирования зависит от вида микроба. Оптимальная температура для плесневых грибов 15-250 С, для большинства сапрофитов - 25-300, а для патгенных - 35-370. Температурный оптимум, как видно, определяется условиями жизни микроба. В лабораториях необходимую температуру создают в термостатах.

У большинства микробов (кишечная палочка, сенная, картофельная, капустная бациллы) рост наблюдается в течение суток. У некоторых (трихофитоны) колонии грибов появляются через 5-10 суток. Через 15-20 дней бывает виден рост у возбудителя туберкулеза, а бруцеллы в первичных культурах иногда растут 90 месяцев. Скорость роста культур микробов зависит также от аэрации (для эеробов), содержания в атмосфере углерода диоксида (до 10% для возбудителя бруцеллеза) и других факторов. Анаэробы выращивают без доступа кислорода воздуха. Такие условия создаются физическими, химическими и биологическими методами. Анаэробов выращивают также на жидкой среде Китта-Тороциимясопептоном бульоне с кусочками печени, залитом сверху слоем индифферентного вазелинового масла.

Похожие статьи