…в, деля­щиеся с разной скоростью и лимитированные любым желаемым фактором.

Процесс непрерывного культивирования может быть гомогенно-непрерывным и гетерогенно-непрерывным.

Способ проточного культивирования, при котором во всех точках ферментатора благодаря интенсив­ному перемешиванию сохраняются одинаковые параметры среды и содержание микробной биомассы в единице объема жидкости остается все время постоянным, называют гомогенно-не­прерывным. Применение такого способа обеспечивает по­стоянство состава среды в ферментаторе, и состояние микроб­ных клеток при этом остается все время одинаковым.

Когда культивирование производится в одном ферментаторе, непрерывность процесса создается благодаря подвижному рав­новесию между приростом микробной биомассы и уменьшением ее за счет разбавления культуры свежей средой.

В бродильных производствах распространен гетерогенно-непрерывный метод, при котором процесс ведется в батарее после­довательно соединенных ферментаторов. Состав жидкости, про­текающей через аппараты, постепенно  изменяется  согласно некоторому градиенту. Поэтому этот способ известен также как градиентно-непрерывный. Питательная среда посту­пает в первый ферментатор, а готовая культуральная жидкость вытекает из последнего ферментатора. Градиентно-непрерывный способ брожения широко применяется в производстве этилового спирта, а также при производстве пива и шампанских вин. За время прохождения через батарею бродильных аппаратов среда постепенно изменяется, а взвешенные в ней дрожжевые клетки стареют и даже отмирают.

При непрерывном культивировании микроорганизмов необ­ходимо отрегулировать такую скорость притока питательной среды и вытекания культуральной жидкости, при которой вымывание культуры из системы не происходило бы, т.е. концентрация клеток была бы постоянной.

 

 

 

 

Лекция 2

Основные закономерности размножения и роста дрожжей и других культур микроорганизмов

1  Влияние на жизнедеятельность микроорганизмов окислительно-востановительного потенциала.

2                          Взаимоотношение микроорганизмов.

 

1 Влияние на жизнедеятельность микроорганизмов окислительно-востановительного потенциала

Для развития, роста и размножения микроорганизмов необходима энергия. Способы добывания энергии у микроорганизмов различны. Большинство из них живет за счет окислившихся веществ кислородом. Микроорганизмы, не имеющие других способов добывания энергии, называют облигатными  аэробами.

Микроорганизмы, которые получают энергию без участия кислорода воздуха за счет сопряженного окисления-восстановления веществ субстрата называют облигатными  анаэробами.  Кислород подавляет их развитие.

Имеются и промежуточные формы микроорганизмов: факультативные аэробы и факультативные анаэробы. Факультативными аэробами называются микроорганизмы, обладающие лабильным обменом веществ, т.е. живущие за счет окисления кислородом воздуха и сопряженных окислительно-восстановительных реакций без участия кислорода воздуха.

При недостатке кислорода они могут переходить на анаэробный способ существования.

Факультативными анаэробами называют микроорганизмы, которые могут жить как при доступе воздуха, так и без него. Они живут за счет сопряженного окисления-восстановления без вовлечения кислорода.

Известны факультативные анаэробы (например, дрожжи), способные в зависимости от условий развития переключаться с анаэробного на аэробный тип получения энергии.

Анаэробные микроорганизмы необходимую для жизнедеятельности энергию получают в процессе брожения. К таким микроорганизмам принадлежат многие бактерии и некоторые дрожжи. Энергический процесс протекает путем сопряженного окисления-восстановления без участия в нем кислорода воздуха. Акцентром кислорода, отщепленного от окисляемого органического соедине­ния, взамен молекулярного кислорода служат промежуточные продукты распада того же органического вещества.

Примером такого типа получения энергии служит спиртовое брожение, осуществляемое многими дрожжами в анаэробных условиях. Без участия кислорода молочнокислые бактерии, являясь факульта­тивными анаэробами, осуществляют   молочнокислое   брожение, которое заключается  в превращении  молекулы  глюкозы в две молекулы молочной кислоты с выделением энергии:

С₆Н₁₂О₆ = 2СН₃СНОНСООН + 75 362 Дж.

Примером облигатных анаэробов являются маслянокислые бактерии, которые получают энергию в процессе маслянокислого брожения:

                             С₆Н₁₂О₆ = С₃Н₇СООН + 2СО₂ + 2Н₂ + 62 802 Дж.

            Аэробам требуется много кислорода. Для окисления 1 г глю­козы до СО₂ и Н₂О требуется приблизительно 1 г кислорода, что видно из следующего уравнения:

                                               С₆Н₁₂О₆ + 6О₂ = 6СО₂ + 6Н₂О.

                                                                180 г             192 г     264 г         108 г

             Однако требуемый кислород не может быть дан микробу в большой концентрации, так как он является сильным окислите­лем, особенно при наличии катализаторов – ферментов. Может произойти нежелательное окисление в клетке. В результате цеп­ных окислительных реакций в клетках разрушаются биологиче­ские мембраны, накапливаются перекиси и другие ядовитые продукты. В интенсификации цепного окисления и есть, по гипо­тезе Р. Гершман, причина токсичности высоких концентраций кислорода. Микроорганизмы не переносят кислорода в значи­тельных концентрациях. Растворимость кислорода в воде при ее контакте с воздухом достигает 10 мг/дм³. Эта концентрация пере­носится микроорганизмами. Если насытить воду чистым кисло­родом, то в ней растворяется кислорода до 40 мг/дм³. Эту концен­трацию кислорода уже не переносит ни один микроорганизм.

При огромной потребности в кислороде микроорганизмы очень быстро используют ничтожное количество растворенного кислорода, и их рост зависит от скорости поступления в раствор все новых и новых порций  О₂.

Если микроорганизм выращивается на поверхности жидкой или твердой фазы, то он не испытывает особых затруднений в получении кислорода, так как черпает его непосредственно из воздуха. При так называемом глубинном культивировании, т.е. когда микроорганизм растет в толще среды, он может пользо­ваться только кислородом, растворенным в среде.

Окисление и восстановление – основа жизненных процессов. Степень окисления и восстановления среды характеризуется ве­личиной гН₂. Символ гН₂ аналогичен рН. Но рН выражает сте­пень кислотности и щелочности, а гН₂ –  окислительную и вос­становительную способность среды. Если для определения рН необходимо знать только концентрацию ионов Н⁺, то для опре­деления гН₂ необходимо знать как рН данного раствора, так и окислительно-восстановительный потенциал Eh.

Окислительно-восстановительный потенциал Eh показывает разность потенциалов (в милливольтах), возникающих в растворе между платиновым и нормальным водородным электродами, составляющими гальванический элемент.

В микробиологии окислительно-восстановительный потенциал выражают через гН₂. Связь между гН₂, Eh и рН выражается следующей формулой:

гН₂ = Eh : 0,029 + 2рН.

Величины гН₂ от 0 до 41 характеризуют все степени насыще­ния водного раствора водородом и кислородом, т. е. любую сте­пень аэробности среды.

Чем меньше гН₂, тем больше восстановительная способность раствора. Наибольшая восстановительная способность водного раствора соответствует гН₂ = 0 (выделение водорода), а наи­большая окислительная способность соответствует гН₂ пример­но около 41 (выделение кислорода). Необходимо учитывать, что гН₂ далеко не всегда характеризуется давлением реального во­дорода. В аэробных условиях при гН₂ = 25-30 никакого реаль­ного водорода в растворе нет. Нo в этом случае в равновесии с кислородом находятся другие окислительно-восстановительные пары, имеющие реальные концентрации.

Облигатные анаэробы могут существовать при гН₂ не выше 18-20, а размножаться при гН₂ не выше 3-5. Факультативно-аэробные и факультативно-анаэробные формы живут в средах при гН₂ от 0 до 30, но высокие значения гН₂ для них неблаго­приятны.

Как анаэробы, так и аэробы могут сами в определенной сте­пени изменять гН₂ питательной среды, на которой они растут, доводя его до наиболее подходящего для их роста значения по­средством выделения восстановителей. Так, при росте облигатных аэробов за счет сахара в среде накапливается диоксиацетон, легко энолизирующийся в редуктон – сильный восстановитель, легко самоокисляющийся кислородом воздуха, который мож­но рассматривать как защитный барьер клетки против чрезмер­ного окислительного действия кислорода:

СН₂ОНСОСН₂ОН → СН₂ОНСОНСНОН  → СН₂ОНСОСОН

                                        Диоксиацетон                                               Редуктон                                Дикетон –

                                                                                                              продукт самоокисления

                                                                                                              редуктона

В основе размножения микроорганизмов лежит совокупность последовательно протекающих ферментативных реакций. И мик­роорганизмы начинают размножаться лишь после того, как гН₂ питательной среды приобретет требуемое для протекания этих реакций значение. Отсюда ясно, какое важное значение имеет определение окислительно-восстановительного потенциала в тех­нологии продуктов брожения.

 

2 Взаимоотношения микроорганизмов

В природных условиях обитания микроорганизмы образуют сложный биоценоз – такие сообщества, в которых они находят­ся в определенных взаимоотношениях. В этих сложных сооб­ществах каждый вид микроорганизма находится под постоян­ным стимулирующим или угнетающим влиянием со стороны ок­ружающих его других видов.

В производственных условиях при сбраживании культуральных сред в них наряду с микроорганизмами, являющимися про­дуцентами желательных для них веществ, также находятся те или иные сопутствующие им микроорганизмы. Взаимоотноше­ния между живущими в одних и тех же условиях разными мик­роорганизмами могут быть самыми различными. В основном эти взаимоотношения сводятся к симбиозу, метабиозу и антаго­низму.

Симбиоз характеризует такие взаимоотношения микроор­ганизмов, при которых оба симбионта (сожителя) получают взаимную пользу, развиваясь совместно даже лучше, чем каждый в отдельности. Симбиотические взаимоотношения существуют между некоторыми молочнокислыми бактериями и дрожжами. Молочнокислые бактерии, продуцируя молочную кислоту, соз­дают благоприятные условия (оптимальный рН) для роста дрожжей, которые, обогащая в свою очередь, среду обитания аминокислотами и витаминами, стимулируют развитие  молочнокислых бактерий. Квас, кефир, кумыс  являются продуктами сим­биоза этих двух микроорганизмов.

Метабиоз означает такое взаимоотношение микроорганизмов, при котором продукты обмена одного вида микроорганиз­мов служат питательным материалом для другого. Так, дрожжи, развиваясь в сахаристых субстратах, превращают сахар в эти­ловый спирт. После этого в культуральной среде, содержащей спирт, могут развиваться уксуснокислые бактерии, окисляющие спирт в уксусную кислоту, а уксусная кислота в свою очередь используется плесенями, которые превращают ее в углекислый газ и воду.

Маслянокислые бактерии сбраживают углеводы с образова­нием масляной кислоты. Но при маслянокислом брожении кро­ме масляной кислоты накапливаются побочные продукты: бути­ловый и этиловый спирты и такие кислоты, как уксусная, капро­новая, каприловая. Метановые бактерии сбраживают кислоты и спирты с образованием метана и СО₂ Метан-окисляющие бак­терии окисляют метан до СО₂ и воды. Таким образом, при мета­биозе один вид микробов в процессе своей жизнедеятельности создает благоприятные условия для развития другого вида. По­этому метабиоз является основой круговорота веществ в природе, обусловливая этапность процессов и смену одних форм мик­роорганизмов другими.

Антагонизм – противоположность метабиоза. Это такая форма конкурентных взаимоотношений, при которой один микроорганизм угнетает или даже вызывает полную гибель другого. В борьбе за существование у микробов выработались различные антагонистические отношения.

Причины возникновения антагонизма и средства борьбы со своими конкурентами у микроорганизмов весьма различны. Од­ни виды вытесняют другие путем обильного и очень быстрого размножения. Другие виды выделяют такие продукты метабо­лизма, которые подавляют рост многих микроорганизмов.

Различают пассивный и активный антагонизм. Пассивный антагонизм обусловлен более быстрым использованием  питательных веществ среды и использованием в качестве питания клеток своего конкурента (насильственный антагонизм).

При ограниченном количестве субстрата, пригодного для двух различных микроорганизмов, преимущество остается за тем из них, который обладает более высокой биологической актив­ностью. Так, при определенном высеве в среду бактерий и актиномицетов, бактерии, как наиболее быстро развивающиеся мик­робы, подавляют развитие актиномицетов.

Сущность насильственного антагонизма состоит в том, что
при недостатке в среде питательных веществ бактерии–антаго­нисты для растворения клеток конкурента выделяют протеолитические ферменты и затем всасывают образовавшиеся продукты ферментативного распада. Активный антагонизм связан с образованием продуктов об­мена (спиртов, кислот) и обусловлен образованием антибиоти­ческих веществ. Многие микроорганизмы в процессе метаболизма выделяют органические кислоты, которые настолько изменя­ют активную кислотность среды, что тем самым подавляют раз­витие микроорганизмов других видов. Так, молочнокислые бак­терии, продуцируя молочную кислоту, полностью подавляют развитие гнилостных бактерий в молоке. Дрожжи образуют спирт, который подавляет развитие других микроорганизмов. Некоторые плесневые грибы способны образовывать из сахара лимонную кислоту, что также способствует подавлению быстроразвивающихся конкурентных бактерий.

Антагонистические взаимоотношения между молочнокислы­ми и гнилостными бактериями используют при изготовлении сыров, производстве кисломолочных продуктов и квашении ово­щей.

Существуют микроорганизмы, продукты обмена которых чрезвычайно сильно угнетают рост и размножение других видов и даже губительно действуют на них. Такие специфические био­логически активные химические вещества, выделяемые в среду микробами–антагонистами, называются антибиотиками («анти» – против, «биос» – жизнь; против жизни микробов). Антибиотики в отличие от антисептиков действуют избиратель­но, подавляя только определенные виды микробов, или, иначе говоря, каждый антибиотик характеризуется своим специфиче­ским антимикробным спектром действия. Имеются антибиотики, которые активно действуют только на грибы, другие –  на бак­терии, а некоторые из них подавляют развитие как грибов, так и бактерий. Одни из антибиотиков приостанавливают рост бакте­рий, т.е. обладают бактериостатическим действием, а другие вызывают гибель микроорганизмов, оказывая на них бактери­цидное действие; третьи вызывают не только гибель, но и лизис клеток микроорганизмов.

Механизм губительного действия антибиотиков, по мнению исследователей, заключается в повреждении ферментных систем того или иного микроорганизма, что приводит к подавлению в нем процессов дыхания, питания, размножения и т. д.

 

3 Производственная инфекция и дезинфекция

Под производственной инфекцией понимают попадание в по­лупродукты и продукты того или иного производства посторон­них микроорганизмов. Эти микроорганизмы, развиваясь на раз­личных стадиях производства, понижают выход основного про­дукта (например, спирта) или приводят к порче таких продук­тов, как пиво и вино.

 К внешним источни­кам производственной инфекции относятся воздух, вода, зернопродукты, производственные дрожжи.

Наружный воздух, так же как и воздух производственных помещений, всегда содержит некоторое количество микроорганизмов. И там, где воздух непосредственно соприка­сается с суслом, пивом или вином, он может быть источником инфекции. Производственная вода также может содержать                   за­родыши микроорганизмов. Большое число микроорганизмов (бактерий, дрожжевых грибов и плесеней) находится на поверх­ности (оболочках) зернопродуктов.

Источники инфекции встречаются и в самом производстве. Они возникают в различных, особенно труднодоступных для чистки местах в производственном оборудовании, в которых за­держиваются остатки производственных жидкостей, являющихся питательной средой для микроорганизмов. При соприкосновении с ними производственные жидкости инфицируются и сами ста­новятся источниками инфекции.

Активным средством уничтожения и подавления развития в производстве вредных и посторонних микроорганизмов является дезинфекция. На каждом предприятии проводят профилактиче­ские меры борьбы с инфекцией, своевременно удаляют отходы и отбросы, поддерживают чистоту в помещениях, следят за лич­ной гигиеной обслуживающего персонала. Наряду с профилак­тическими мерами применяют и активные меры борьбы с инфек­цией, которые по характеру действующего средства делятся на физические и химические. К физическим методам обеззаражи­вания относятся различные способы стерилизации: автоклавирование, применение горячего воздуха, насыщенного водяного пара, кипящей воды, а также обеспложивающая фильтрация, бактерицидное облучение и ультразвук.

Большинство неспорообразующих бактерий и дрожжей поги­бают при нагревании до температуры 60-70°С в течение 5-20 минут. Такие бактерии, как пивная сарцина, термобактерии и слизеобразующие, более устойчивы и не всегда погибают даже при нагре­вании до 80-90°С. Споры микроорганизмов еще более устойчи­вы к действию высокой температуры. Пропаривание трубопро­водов острым паром убивает вегетативные и споровые формы. Устойчивость бактериальных спор к нагреванию и химическим дезинфицирующим веществам, вероятно, обусловлена либо сте­пенью гидратации их протоплазмы, либо тем, что вода в прото­плазме эндоспор находится в связанном состоянии. Во всяком случае, вода, содержащаяся в спорах, по-видимому, не обладает свойствами свободной водной фазы.

Химические методы дезинфекции

К химическим методам обеззараживания относится применение различных дезинфици­рующих и моющих веществ: растворов гидроксида    натрия (NaOH), карбоната  натрия (Na₂СО₃), хлорной извести,  антиформина (смесь растворов хлорной извести, гидроксида натрия, карбоната натрия), формалина, четвертичных аммонийных со­единений, известкового молока.

Ряд химических веществ тормозит или полностью подавляет рост бактерий. Если то или иное вещество подавляет рост бак­терий, а после удаления этого вещества их рост вновь возобнов­ляется, то говорят о бактериостазе и бактериостатическом действии. Вещества или условия, которые хотя и не вызывают немедленной гибели микроорганизмов, но подав­ляют их размножение так, что численность микроорганизмов не ­возрастает и они погибают в различные сроки, называют микробостатическими  (бактериостатическими).

Любое вещество или воздействие, убивающее бактерии, назы­вается бактерицидным. Бактерицидные вещества вызыва­ют гибель клеток, т. е. клетки утрачивают способность к росту и размножению.

К дезинфицирующим веществам весьма близки антисеп­тики – вещества, которые убивают или подавляют рост микро­организмов, находящихся в непосредственном контакте с микро­организмом. Дезинфицирующее вещество часто используют в качестве антисептика и наоборот. Поэтому термин «дезинфици­рующее вещество» часто используют как синоним термина «ан­тисептик».

Под действием высоких температур и многих химических дезинфицирующих веществ нарушается физико-химическая структура бактериальных клеток, коагулируются белки прото­плазмы. Так, этанол в достаточно высокой концентрации (70%) вызывает коагуляцию белков и оказывает бактерицидное дейст­вие.

Четвертичные соединения аммония обладают бактерицидной, а в больших разведениях и бактериостатической активностью, низкой токсичностью и слабым раздражающим действием, от­сутствием запаха и вкуса, хорошей растворимостью, высокой' поверхностной активностью и поэтому хорошей смачивающей способностью. Благодаря тенденции накапливаться на поверхно­стях они способны «обволакивать» клетку и лишать ее возмож­ности взаимодействовать с окружающей средой. Другая особен­ность этих соединений заключается в способности вызывать ли­зис (растворение) бактерий разных видов. Поскольку эти веще­ства обладают широким спектром антимикробного действия, их обычно применяют как средства для дезинфекции различных по­верхностей.

Дезинфекция оборудования состоит из механического удале­ния микроорганизмов, термической и химической обработки его. Перед использованием дезинфицирующих растворов проводят тщательную механическую чистку аппаратуры при помощи ще­ток, ершей и холодной, а затем горячей воды.

Физические методы дезинфекции

Полное освобождение како­го-нибудь материала или жидкой среды от всех возможных жи­вых микроорганизмов или от их покоящихся форм называют стерилизацией (обеспложиванием). Обычно применяемыми методами стерилизации являются автоклавирование, тиндализация (дробная стерилизация), кипячение.

Автоклавирование осуществляют в автоклаве – аппарате, работающем под давлением выше атмосферного. Назначение ав­токлава – прогревание объектов стерилизации паром под высо­ким давлением. Следует помнить, что стерилизует именно пар под давлением, а не сжатый воздух (сухой и обычно не такой горячий, как пар).

Например, температура чистого пара под давлением 0,1 МПа достигает 120^оС. Если пар смешать с равным количеством воздуха, то при том же давлении температура смеси будет равна 110°С, а при большем количестве воздуха – значительно ниже. Поэтому при автоклавировании, перед тем как повысить давление, через специальный клапан вытесняют из автоклава паром весь воздух.

Стерилизацию проводят также пропуском через жидкие сре­ды пара. Но при пропуске пара температура жидкости не мо­жет превышать температуру 100°С и маловероятно, чтобы однократное про­пускание пара привело к гибели всех микроорганизмов, суспен­дированных в жидкостях, особенно нейтральных.

Применением тиндализации, разработанной в 1877г английским ученым Тиндалем, достигают стерилизации и ней­тральных жидкостей. По этому методу температуру жидкости доводят текучим паром до 100°С и продолжают нагревать при этой температуре в течение 10 минут. За это время все вегетатив­ные клетки погибают, а жизнеспособными остаются только спо­ры. Затем жидкость охлаждают до температуры, благоприятной для прорастания спор (30°С), и через несколько часов снова пропускают пар. Двух–трех подобных циклов бывает до­статочно, чтобы все содержащиеся в исходной жидкости споры успели прорасти и погибнуть при последующем нагревании. Эф­фективность этого способа особенно велика, потому что нагрева­ние обычно приводит к активации спор.

Тиндализация не достигает цели, если споры находятся в культуральной среде, непригодной для роста или содержащей ингибиторы, или если жидкость в промежутках между нагрева­нием выдерживают при температуре, неблагоприятной для про­растания спор.

Недостаток метода состоит в большой затрате времени, а преимущество –  в том, что не требуется специальной аппара­туры. Кипячением как средством стерилизации пользуются лишь изредка, так как маловероятно, чтобы с помощью кипячения можно было убить споры, суспендированные в нейтральных рас­творах.

От стерилизации следует отличать пастеризацию (час­тичное обеспложивание), которая обеспечивает лишь уничтоже­ние вегетативных форм микроорганизмов. Такой эффект достига­ется посредством различных вариантов пастеризации: выдержи­вания в течение 5, 10 или 30 минут при температуре 75^о или 80°С. При  этом погибают все вегетативные клетки бактерий.

Пастеризации подвергают пиво, молоко, сливки, плодовые и фруктово-ягодные соки, нагревание которых до более высоких температур приводит к нежелательным изменениям вкуса и за­паха.

Жидкости, которые нельзя простерилизовать рассмотренны­ми способами, стерилизуют фильтрованием через мембранные фильтры, которые представляют собой тонкие мембраны толщи­ной примерно 100 мкм из коллодия, ацетата целлюлозы и других аналогичных материалов. Мембранные фильтры различаются как по диаметру, так и по размерам пор (от 5 до 10 нм). Их можно разделить на две главные группы: фильтры, предназначен­ные для фильтрования воздуха, и фильтры, предназначенные для фильтрования жидкостей.  Обычно эти фильтры представляют собой диск диаметром 50 мм и толщиной 0,1 мм. Такой диск пронизан множеством мельчайших цилиндрических отверстий, соединяющих верхнюю поверхность фильтра с ниж­ней. Можно приготовить фильтры достаточно мелкими для того, чтобы задержать даже мелкие вирусы.

При использовании мембранных фильтров можно все микро­организмы, содержащиеся в относительно большом объеме жид­кости, собрать на маленький диск и непосредственно исследо­вать под микроскопом.

Для полной или частичной стерилизации применяют ультра­фиолетовые лучи. В излучении большинства ультрафиолетовых ламп преобладают лучи наибольшего бактерицидного дей­ствия с длиной волны около 260 нм, которые поглощаются преимущественно важнейшими веществами клетки – нуклеино­выми кислотами и вызывают их химические изменения. При длительном воздействии эти лучи вызывают гибель всех бакте­рий. Бактерицидное действие ультрафиолетовых лучей распро­страняется как на вегетативные, так и на споровые формы бак­терий. Но чтобы убить споры, потребуется в 4–5 раз больше энергии. УФ-облучение применяют для частичной стерилизации помещений. При этом бактерии погибают очень быстро, а споры грибов (гораздо менее чувствительные к ультрафиолетовым лучам) – значительно медленнее.

 

Лекция 4

Ферменты микроорганизмов и зерновых культур

 

1 Характеристика ферментов, их свойства и классификация.

2 Пространственное строение и действие активных циклов.

3 Каталитическая активность ферментов. Основные факторы,

   влияющие на скорость ферментативных реакций.

 

1 Характеристика ферментов, их свойства и классификация

 

Характерной особенностью ферментов, отличающихся от всех других катализаторов, является чрезвычайно высокая ак­тивность. Одна молекула фермента «обрабатывает» в одну ми­нуту огромное число молекул субстрата, т.е. она делает громад­ное число оборотов, которое для большинства ферментов равно приблизительно 1000, а в некоторых случаях превышает 10⁶.

Круг реакций, катализируемых ферментами, необычайно ши­рок. Они катализируют реакции гидролиза, поликонденсации, окисления-восстановления, дегидрирования, альдольной конден­сации, переноса различных групп и многие другие.

Ферменты обладают высокой специфичностью, т. е. действие каждого фермента строго ограничено одним или несколькими сходными по структуре субстратами. Специфичность ферментов обеспечивает непрерывную цепь превращений. Каждый фермент вызывает определенные изменения в структуре молекулы данного вещества, прежде чем она подвергнется действию следующего фермента. Если бы ферменты не обладали высокой специфич­ностью, то не происходило бы упорядоченного обмена веществ в живом организме, что привело бы к его гибели. Специфичность их действия обусловлена структурными особенностями молекул субстрата и фермента.

Избирательность действия различных ферментов позволила разделить их на несколько групп как по характеру объектов, к которым они проявляют наибольшее сродство, так и по характе­ру выполняемой ими функции. По типу катализируемой реакции все ферменты разделены на шесть основных классов: оксидоредуктазы, трансферазы, гидролазы, лиазы, изомеразы, лигазы (синтетазы). Классы в свою очередь делятся на подклассы. Каждому ферменту присваивается свой номер, состоящий из четырех цифр: первая указывает основной класс, вторая и третья обозна­чают подклассы, которые точнее определяют тип катализиру­емой реакции; четвертая является порядковым номером фермента в данном подклассе. У каждого фермента имеются два назва­ния – систематическое и тривиальное, или рабочее; систематиче­ское определяет его каталитическое действие.

Так, фермент с тривиальным названием α-амилаза гидролизует                                    α-1,4-глюкановые связи в полисахаридах, содержащих три и более остатков                      D-глюкозы, соединенных α-1,4-связями; он имеет систематическое название                       α-1,4-глюкан-4-глюканогидролаза и шифр 3.2.1.1.

Одну из наиболее многочисленных и весьма распространен­ных групп ферментов составляют гидролазы, т. е. ферменты, ускоряющие реакцию гидролиза – расщепления сложных орга­нических соединений с участием воды. К ним относятся протеолитические ферменты – протеиназы и пептидазы, вызы­вающие расщепление белков (протеинов) и полипептидов по амидным связям с присоединением молекулы воды.

С помощью некоторых гидролаз осуществляется и расщепле­ние углеводов (полисахаридов) на более простые вещества – сахара. Эти гидролазы называют гликозидазами, так как они участвуют в расщеплении гликозидных связей полисахари­дов. Например, гликозидаза амилаза, содержащаяся в солоде, катализирует распад крахмала на более простые углеводы – мальтозу, глюкозу и декстрины.

К группе гидролаз относятся эстеразы – ферменты, ката­лизирующие гидролитическое расщепление разнообразных слож­ных эфиров. Под действием некоторых эстераз, известных под названием липаз, происходит распад жиров (липидов) на глице­рин и свободные жирные кислоты.

Большая группа ферментов, катализирующая разнообразные реакции биологического окисления и восстановления и, следова­тельно, связанная с процессами дыхания и брожения, известна под названием оксидоредуктаз. К ним относятся различ­ные дегидрогеназы (процесс дегидрирования – отщепле­ния молекулы водорода), оксидазы (окисление), перокси­дазы (окисление с участием перекиси водорода), гидроксилазы (введение в органические соединения гидроксильных группировок). К этой группе ферментов относят и каталазу – фермент, катализирующий распад перекиси водорода на воду и кислород.

Некоторые ферменты катализируют в биологических систе­мах перенос различных группировок с одного вещества на дру­гое в процессе разнообразных трансформац… Продолжение »