Номенклатура и классификация ферментов

Номенклатура и классификация ферментов складывались по мере их открытия и изучения. Первым выделенным ферментам часто давались произвольные эмпирические названия. Так, фермент, вызывающий гидролиз крахмала, был назван диастазом (от греческого diastasis - разъединение). Ферменты желудочного сока и поджелудочной железы получили название пепсин (от греческого pepsis - пищеварение) и трипсин (от греческого thripsis - разжижение).

В конце XIX в., по предложению Дюкло, была введена рациональная терминология. Название ферментов стали составлять из корня того слова, которым обозначается расщепляемый субстрат или протекающая ферментативная реакция, и суффикса аза. Согласно этому диастаз стали называть амилаза, фермент, расщепляющий мальтозу, - мальтаза, действующий на лактозу - лактаза. Фермент, вызывающий инверсию тростникового сахара, получил название сахаразы или инвертазы (инверсия - инвертаза). Позднее ферменты, вызывающие процессы гидролиза, стали называть гидролазами (или гидролитическими ферментами), расщепляющие жиры - липазами (или липолитическими ферментами), воздействующие на белки - протеиназами (или протеолитическими ферментами) и т.д.

Однако в некоторых случаях укоренившиеся старые названия ферментов сохранились, хотя это и создает неудобства в их номенклатуре и классификации (трипсин, пепсин, хемозин, диастаз и пр.). В настоящее время для более точного обозначения фермента указывают источник его происхождения: солодовая амилаза, дрожжевая инвертаза и пр. В основу классификации ферментов положена их специфичность. В жизнедеятельности микроорганизмов наиболее важное значение имеют следующие группы ферментов.

Ферменты расщепления - гидролазы

Большинство гидролаз получено в кристаллическом виде. Это типичные кристаллические белки. Большая часть гидролаз - это однокомпонентные ферменты. Гидролазы катализируют как процессы расщепления, так и процессы синтеза вещества по типу гидролитических реакций с присоединением или отнятием воды. Они осуществляют гидролиз очень многих веществ - углеводов, глюкозидов, жиров, белков. Выделяемые клеткой в окружающий субстрат, эти ферменты гидролизуют сложные питательные вещества, подготовляя их к усвоению микробной клеткой. Таким образом, гидролазы связаны в основном с процессом питания.

Гидролазы принято подразделять на три подгруппы.

Карбогидразы - ферменты полисахаридов и дисахаридов. Многие полисахариды составляют основу растительных клеток (например, клетчатка, лигнин). Крахмал накапливается растительными клетками в виде запасного питательного вещества. Ежегодно в большом количестве полисахариды попадают в почву. Их превращения под действием микроорганизмов начинаются с гидролиза до моно- и дисахаридов. Так, крахмал расщепляется до мальтозы, целлюлоза (клетчатка) - до глюкозы, пектиновые вещества - до галактозы, арабинозы, ксилозы, уксусной кислоты, метилового спирта. Гидролиз крахмала (а также и гликогена) катализирует амилаза, гидролиз целлюлозы возбуждает целлюлаза (или цитаза), гидролиз пектиновых веществ - пектиназа. Эти ферменты содержатся в клетках многих плесневых грибов, дрожжей, различных бактерий. Наиболее энергичными продуцентами амилазы являются сенная палочка, картофельная палочка, асперигилловые плесени и некоторые другие микроорганизмы. Целлюлоза в большом количестве образуется в клетках целлюлозоразлагающих бактерий.

Дисахариды при гидролизе распадаются до гексоз. Так, мальтоза распадается на две молекулы глюкозы под действием фермента мальтазы. Мальтаза содержится в клетках почти всех микроорганизмов. Сахароза гидролизуется до глюкозы и фруктозы. Эту реакцию катализирует фермент сахараза (или инвертаза), постоянно встречающийся у дрожжей, плесневых грибов и многих бактерий. Лактоза ферментом лактазой расщепляется на глюкозу и галактозу. Лактазу легко обнаружить у молочнокислых бактерий.

Протеазы - ферменты белковых веществ. Они катализируют гидролитическое расщепление белков. Протеиназы, расщепляющие натуральные белки до пептонов, встречаются у многих гнилостных микробов. Полипептидазы, катализирующие расщепление пептонов на дипептиды и аминокислоты, встречаются, вероятно, в каждой живой клетке. Дипептидазы, расщепляющие дипептиды до аминокислот, входят в ферментативный комплекс всех бактерий, плесневых грибов, дрожжей. Очень специфичным является фермент уреаза. Он расщепляет только мочевину и содержится в клетках уробактерий.

Эстеразы - ферменты сложных эфиров, в том числе и жиров. Эти ферменты вызывают каталитическое расщепление сложных эфиров на свободные кислоты и спирты. Липазы, расщепляющие жиры (от греческого lipos - жир), широко распространены у грибов и бактерий.

Ферменты расщепления - фосфорилазы

Фосфорилазы принимают участие в различных реакциях углеводного обмена организмов, протекающих с участием фосфорной кислоты. В этих реакциях вместо воды активную роль играет фосфорная кислота. Фосфорилазы широко распространены в клетках растений, животных, микроорганизмов. В отличие от гидролаз фосфорилазы - ферменты, участвующие в обменных процессах, связанных с дыханием и брожением. Они обеспечивают аккумулирование (накопление) энергии в органических фосфатных связях особого типа, существующих в аденозин-трифосфорной кислоте (АТФ). Эта энергия используется организмом для удовлетворения энергетических потребностей, связанных с жизнедеятельностью клетки.

Ферменты окисления и восстановления

Окислительно-восстановительные ферменты возбуждают окислительно-восстановительные реакции, связанные с процессами дыхания и брожения, способствуя переносу водорода и кислорода. К этим ферментам отнесены:

а) дегидразы (или дегидрогеназы), осуществляющие дегидрирование - отнятие водорода от молекул органических соединений и передачу его молекулам других веществ;

б) оксигеназы, которые активируют молекулярный кислород, делают его способным соединяться с окисляемым субстратом;

в) пероксидазы, катализирующие перенос кислорода от перекисей на субстрат. Обычно пероксидазы катализируют окисление полифенолов в присутствии органических перекисей или перекиси водорода, окисляют многие фенолы и некоторые ароматические амины.

Дегидразы в свою очередь разделены на аэробные дегидразы и анаэробные дегидразы. Аэробные дегидразы (их называют также оксидазами) осуществляют дегидрирование органических соединений и в конце концов передают водород непосредственно кислороду воздуха. При этом образуется вода или перекись водорода. Анаэробные дегидразы, вступая во взаимодействие с субстратом и отнимая у него водород, не могут, однако, передавать водород непосредственно кислороду воздуха. Они передают водород иным акцепторам - иным веществам, чаще всего другим дегидразам, поэтому окислительно-восстановительный процесс в этом случае идет ступенчато. Активность анаэробных дегидраз проявляется в отсутствие кислорода воздуха. К анаэробным дегидразам относятся козимаза и кодегидраза, широко распространенные в клетках как у высших растений и животных, так и у микроорганизмов.

Очень близко к оксидазам стоит фермент, получивший название каталазы. Каталаза, хотя непосредственно и не участвует в окислительных реакциях, тем не менее возбуждает процесс, теснейшим образом связанный с аэробным дыханием. Это и сближает ее с окислительно-восстановительными ферментами. К тому же химическое строение каталазы оказывается сходным со строением оксидаз. Каталаза возбуждает разложение перекиси водорода на воду и кислород. Перекись водорода образуется в процессе аэробного дыхания при восстановлении молекулярного кислорода. Так как перекись водорода является ядовитым для клеток веществом, то реакция разложения перекиси водорода на воду и кислород является, таким образом, для организмов жизненно необходимой.

К группе окислительно-восстановительных ферментов причислены также и десмолазы - ферменты, катализирующие не основные, а частные реакции превращения отдельных веществ, приводящие к расщеплению углеводов на более простые соединения. Это как бы «вспомогательные ферменты» дыхательных и бродильных процессов.

Десмолазы катализируют разрыв связей между атомами углерода в молекулах органических веществ, что приводит к глубокому распаду последних. Десмолазы встречаются в клетках всех живых организмов. Это и альдолаза, способствующая расщеплению гексоз до триоз, икарбоксилаза, вызывающая распад пировиноградной кислоты на уксусный альдегид и углекислый газ, и тирозин аза (фенолоксидаза), катализирующая образование в продуктах темноокрашенных веществ, называемых меланинами (меланоидинами).

Микроорганизмы обладают большим разнообразием ферментов. Ферменты являются основой их аналитической и синтетической деятельности. В процессе эволюционного развития у различных микроорганизмов возникли свои специфические ферментные системы, в связи с чем ферментативная активность микробов колеблется в очень широких пределах. Каждый микроорганизм обычно обладает своим определенным комплексом ферментов, а поэтому и возбуждает лишь одни определенные биохимические реакции. Так, в смеси дисахаридов микробом могут быть использованы лишь некоторые из них, например лактоза, и совершенно не тронуты мальтоза или сахароза. Точно так же разложение белков будет осуществляться с выделением строго определенных для данного микроба продуктов реакции. У другого микроорганизма конечные продукты разложения белков будут иными. Одни микроорганизмы оказываются особенно активными в отношении углеводов, другие - в отношении белков или жиров.

Так как в микробной клетке содержится целая серия ферментов, то один и тот же микроорганизм может осуществлять целый ряд различных реакций. Например, плесневый гриб Aspergillus niger выделяет до 20 различных ферментов. Ферментативные свойства микробов используются в бактериологической практике для физиологической классификации микробных видов. Изучение микробиальных ферментов важно потому, что активная ферментативная деятельность микроорганизмов широко используется людьми в их повседневной жизни - в промышленности, в сельском хозяйстве, в быту.