Химический состав микробов сложный и разнообразный. В них содержатся белки, углеводы, липиды, витамины, ферменты и другие вещества.

Элементарной основой органических и минеральных веществ микробной клетки являются водород, кислород, азот. Важное значение имеют также железо, фосфор, калий, натрий, кальций, магний, марганец и другие элементы.

ВОДА

Составляет основную часть массы тела микробов. Количество ее в вегетативных клетках микробов 75–85%, в спорах — до 40%. Содержание воды в теле различных микроорганизмов неодинаково в зависимости от их вида, возраста, питания, состава среды обитания. В воде растворены все наиболее важные органические и минеральные вещества микробной клетки. В водной среде протекают основные биохимические процессы, вызываемые микробами.

БЕЛКИ

Основа жизненных функций микроорганизмов. Наличие в белках большого количества функциональных групп и своеобразие их строения определяют видовые и специфические признаки микробов. Белки входят в состав цитоплазмы, ядра, оболочек и других структур клетки. Как и белки других организмов, белки микробов построены из различных аминокислот. Аминокислоты, поступающие в процессе питания в клетки, в основном используются для синтеза белков самой клетки. Лишь в некоторых случаях белки и аминокислоты служат энергетическим материалом или откладываются впрок в виде волютиновых зерен.

Сухой остаток, т. е. то, что остается после высушивания клеток микробов, примерно на 80% состоит из белков. Различают простые и сложные белки; в состав последних входят и небелковые группы — углеводы, жиры, пигменты, нуклеиновые кислоты и другие вещества.

УГЛЕВОДЫ

Содержатся в клетках микроорганизмов в количестве 10–60% сухой массы. Больше всего их it плесневых грибах и дрожжах. Углеводы входят в состав оболочек и слизистых капсул, сложных клеточных белков. Поступающие из окружающей среды углеводы используются как энергетический материал, а также служат для синтеза жиров и белков. Могут откладываться в клетках в качестве запасных питательных веществ — в виде зерен гликогена.

В клетках микроорганизмов встречаются как простые углеводы — пентозы, гексозы, маннит, так и сложные — крахмал, гликоген, клетчатка.

ЖИРЫ И ЖИРОПОДОБНЫЕ ВЕЩЕСТВА

Содержатся в небольших количествах. Они входят в состав цитоплазмы, ядра, образуя сложные соединения с белками. Повышенное их количество находится в оболочках, особенно в оболочках спор. Жиры также служат энергетическим материалом. Многие микроорганизмы накапливают жиры в качестве запасных питательных веществ — от 2 до 40% сухой массы.

МИНЕРАЛЬНЫЕ ВЕЩЕСТВА

Играют важную роль в построении сложных белков, витаминов, ферментов, фосфорорганических и других веществ, входящих в состав микробных клеток. Растворы минеральных веществ поддерживают нормальный уровень внутриклеточного осмотического давления. В наиболее заметных количествах в теле микроорганизмов имеются фосфор, калий, натрий, железо, сера, магний. Их общее содержание от 3 до 15% сухой массы.

В связи со значительным содержанием белков, углеводов и минеральных веществ удельный вес микробов обычно превышает единицу и колеблется от 1,03 до 1,04. Это используется для отделения микробных клеток от жидких питательных сред путем центрифугирования.

ФЕРМЕНТЫ, ИЛИ ВЕЩЕСТВА, СПОСОБНЫЕ КАТАЛИТИЧЕСКИ ВЛИЯТЬ
НА СКОРОСТЬ БИОХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ

Играют важную роль в жизнедеятельности микроорганизмов. Открыты ферменты русским академиком К.С. Кирхгофом в 1814 г.

Как и другие катализаторы, ферменты в реакциях превращения веществ принимают участие лишь в качестве посредников. Количественно в реакциях они не расходуются.

Микробы содержат различные ферменты. Это связано с большим разнообразием условий, в которых они обитают. Различные микроорганизмы прошли неодинаковый эволюционный путь развития, чем и объясняется большое разнообразие их биохимической активности.

Разнообразные ферменты обеспечивают быстрое протекание в организме или вне его огромного количества реакций.

Академик И.П. Павлов оценивал роль ферментов как истинных двигателей всех жизненных процессов.

В процессе питания микробы, как правило, используют вещества, находящиеся в виде водных растворов. Перевод нерастворимых веществ пищи в растворимые и подготовленные для усвоения осуществляется с помощью ферментов, вырабатываемых микроорганизмами и выделяемых ими в окружающую среду. Ферменты участвуют в синтезе веществ, в окислительно– восстановительных реакциях и других процессах.

По химической природе ферменты бывают одно– компонентными, состоящими только из белка, и двухкомпонентными, состоящими из белковой части и небелковой. Небелковая часть (простетическая группа) у ряда ферментов представлена тем или иным витамином.

Ферменты, как и белки, имеют громадный молекулярный вес. Так, молекулярный вес фермента пепсина 36 000, каталазы 248 000. Молекулярная активность, или так называемое «число оборотов», т.е. число молекул субстрата, подвергаемых превращению в течение минуты одной молекулой фермента, неодинакова у разных ферментов, но у всех чрезвычайно велика. Например, фермент, катализирующий превращение при спиртовом брожении уксусного альдегида в спирт (алкогольдегидрогеназа), имеет молекулярную активность 4700, катализирующий перенос остатков фосфорной кислоты (фосфорилаза) —40 000, катализирующий взаимные превращения фосфодиоксиацетона и трифосфороглицеринового альдегида при спиртовом брожении (изомераза) —500 000.

Ферменты характеризуются исключительно высокой каталитической активностью, превышающей во много раз активность минеральных катализаторов. Так, одна часть сычужного фермента химозина может вызвать свертывание 12 миллионов частей молока, грамм фермента амилазы при благоприятных условиях может превратить в сахар тонну крахмала.

Ионы железа каталитически ускоряют разложение перекиси водорода на кислород и воду. Каталитическое действие железа многократно возрастает, если оно входит в состав ферментов. Так, 1 мг железа в составе фермента каталазы эквивалентен по каталитическому действию 10 т неорганического железа.

Каждый из ферментов обладает строгой специфичностью действия, т. е. способен влиять только на какие–либо определенные связи в сложных молекулах или лишь на определенные вещества. Например, мальтаза расщепляет только мальтозу, лактаза — только лактозу, а амилаза способна вызвать распад только крахмала.

Ферменты неустойчивы к действию физико–химических факторов — высокой и низкой температур, существенному подкислению или подщелачиванию и др. Это свойство обусловлено белковой природой ферментов.

При повышении температуры до 40–50° С скорость ферментативных реакций возрастает примерно в 2–3 раза на каждые 10° С. При дальнейшем повышении температуры многие ферменты начинают разрушаться и теряют в связи с этим свою активность (инактивируются). Чем выше температура, тем быстрее происходит инактивирование фермента. Однако многие ферменты сохраняют активность и при 70° С. При температуре выше 80° С практически все ферменты инактивируются необратимо. Сухие ферменты более устойчивы: некоторые переносят нагрев до 100° С в течение нескольких часов.

Температура, при которой практическая скорость реакции наибольшая, называется оптимальной. Для большинства ферментов она 30–40° С. Понижение температуры ниже оптимальной приводит к замедлению действия ферментов. Особенно заметно это сказывается при охлаждении ниже 0° С, хотя при этом разрушения ферментов не происходит.

Существенно влияет на ферментативные процессы активная реакция среды. Для одних ферментов наилучшей является кислая среда, для других — нейтральная или слабощелочная.

Изменение реакции среды за пределы оптимального значения приводит к существенному снижению скорости катализируемого процесса и в конечном счете к полной потере активности фермента. Установлено, что изменение кислотности среды приводит к потере электрического заряда белковыми компонентами ферментов, в связи с чем они теряют растворимость и осаждаются. При этом исчезает возможность контакта ферментов с субстратом, и ферментативные реакции прекращаются. Происходит это в так называемой изоэлектрической точке. Для каталазы изоэлектрическая точка совпадает со значением кислотности, равным 5,0 единицам рН, для трипсина 7,0–8,0.

На скорости ферментативных процессов отражаются концентрация субстрата, на который действует фермент, и концентрация самого фермента. При малых концентрациях субстрата, когда фермент оказывается в избытке, скорость ферментативной реакции относительно снижается; скорость реакции уменьшается и при избытке субстрата.

Химические вещества могут оказывать на ферменты как активизирующее, так и инактивирующее действие. Например, соли тяжелых металлов (меди, никеля, серебра, свинца, ртути) даже в малых дозах инактивируют действие ферментов, а в более значительных разрушают их. Соли же некоторых щелочеземельных металлов в малых дозах активизируют действие ферментов. Тимол и хлороформ, убивающие микроорганизмы, оказывают парализующее действие и на ферменты. Сами ферменты могут иногда подвергаться разрушительному действию других ферментов. Необратимо инактивируются ферменты при действии больших доз ультрафиолетового или радиоактивного облучения.

Ферменты, выделяемые живыми клетками наружу и служащие для внеклеточной переработки пищи, называют экзоферментами. Ферменты, не выделяющиеся при жизни клетки в окружающую среду, а участвующие только во внутриклеточных процессах, называют эндоферментами.

Микробы, попадая в необычные условия обитания, сравнительно легко к ним приспосабливаются. При этом изменяется потребность в ферментах, и микробы в некоторых случаях оказываются способными продуцировать необходимые именно в этих условиях ферменты. Их называют адаптивными в отличие от конститутивных, которые всегда имеются в клетках данного организма.

В настоящее время выделено около 1000 ферментов. По общности или близости каталитических свойств в соответствии с новой классификацией, предложенной специальной комиссией Международного биохимического союза в 1961 г., ферменты делят на 6 классов: оксидоредуктазы, трансферазы, гидролазы, лиазы, изомеразы, лигазы (синтетазы). Каждый класс подразделяют на группы, а группы на подгруппы.

Каждый класс, группа и подгруппа имеют свой шифр — номер, а каждый фермент в подгруппе — свой порядковый номер. Таким образом, наименование каждого фермента и его свойства могут быть выражены цифровым шифром. Словесное наименование конкретных ферментов слагается из названия субстрата, на который действует фермент, и типа вызываемой реакции. Если же фермент переносит какие–либо химические группы к другому субстрату, то в наименование включается и название этого субстрата. Так, фермент уреаза, ускоряющий реакцию расщепления мочевины на углекислый газ и аммиак, по новой номенклатуре должен называться карбамидамидогидролазой в связи с катализируемой реакцией

Наименование этого –же фермента в виде шифра 3.5.1.5 (класс 3, группа 5, подгруппа 1 и порядковый номер 5).

В связи со сложностью построения наименований ферментов по новой классификации допускаются наряду с новыми старые наименования, учитывающие лишь некоторые свойства ферментов (пепсин — в переводе с греческого — пищеварение, трипсин — разжижение, папаин — от названия дынного дерева, из которого фермент получен). Старые наименования некоторых ферментов состоят из слова, обозначающего субстрат, и окончания «аза»: амилаза (действует на крахмал), протеаза (действует на белки), липаза (действует на жиры) и т. д.

Применение микроорганизмов в промышленных процессах, по существу, является использованием ферментов, продуцируемых ими. Это относится к процессам получения кисломолочных продуктов, пива, кваса, сыров и др.

В ряде случаев микроорганизмы используются для непосредственного получения ферментных препаратов. Это дешевле и удобнее, чем получение ферментов из животного и растительного сырья. Широкое применение имеет грибная амилаза в производстве печеного хлеба, солода. Ферменты, разрушающие пектиновые вещества, используются при обработке (осветлении) фруктовых соков. Разрушение пектина повышает выход соков, ускоряет этот процесс и улучшает качество соков. Разрабатываются методы обработки мяса препаратами микробных ферментов для ускорения созревания и придания ему нежности.

Особенности процессов питания, дыхания и других проявлений жизнедеятельности полностью зависят от набора ферментов, имеющегося в клетках микроорганизмов.