Г.А. Заварзин - Лекции по природоведческой микробиологии (1125587), страница 64
Текст из файла (страница 64)
Примером такого способа деградации служит процесс разложения лигнина экзоферментами, использующими как источник активного кислород НзОп образующуюся при дыхании клетки, он носит общее название соокисления труднодоступных субстратов. Очевидно, что этот спа. соб деградации доступен только аэробам. Он распространен преимущественно у грибов. Разложение негидролизуемого полимерного вещества анаэробами происходит медленно и в водных экосистемах часто требует участия сообщества микроорганизмов с сульфатрецу. кторами как терминальной группировкой. В наземных условия сульфндогенез ограничен, и основным путем разложения в анокся.
ческой обстановке служит метаногенез. Суммарный процесс разложения целлюлозы в почве оцеиивае1- ся апплнкационным методом по И. Вострову: в почвенный профиль закладывается ткань и после инкубации выявляется область разрй щения, связанная с определенным слоем почвы. 1 7.5.2. Разложение целлюлозы Эффективный гидролиз целлюлозы требует взаимодействия нескольких гидролаз, и поэтому организмы секретируют разные эндоглюканазы и экзоглюканазы (цсллобиогидролазы). Целлюлазнац система целлюлолитических организмов всегда ассоциирована с другими гидролазами полисахаридов, особенно ксиланазами. Целлюлазы содержат два домена: каталитический и связывающий.
Такой принцип организации свойственен и другим гидролаззя полисахаридов. Связывающие домены могут входить в Б-слой бах. терий. Целлюлазы и ксиланазы секвенированы для многих органвь мов, и у бактерий их строение широко варьирует. Для каждого св мейства ферментов классификация, основанная на их последовь 266 тельности, находится в противоречии с принятой филогенией бактерий, снова подтверждая, что эти гены распространялись путем интенсивного латерального переноса.
Это особенно свойственно семействам ферментов, содержащих гены и из грамотрицательных и вз грамположительных организмов: например, сходны целлюлазы у Егвпиа и Се!!и!ольолаз. Вместе с тем активный центр каталитического домена гидролаз отличается стереоспецифичностью и консервативностью. Он включает в разных типах реакции либо глутаминовую, либо аспарагиновую кислоты для нуклеофильной атаки через : образование промежуточного оксокарбониевого продукта. Целлюлозосвязывающий домен обеспечивает связывание с целцюлозой.
У грибов он содержит 33-36 аминокислот и очень консервативен. У бактерий этот домен варьирует и обнаруживается в целлюлазах, ксиланазах, хитиназах; он содержит около сотни амияокислот, у бацилл и клостридий — 130 — 170 аминокислот. От этого цомена зависит специфичность энзима по отношению к форме полисахарида.
Другим компонентом целлюлаз служит участок, обеспечивающий связь с клеткой целлюлозолитического организма, обычно " богатый пролином. Целлюлозолитическая система микроорганизмов обычно включает набор гидролаз полисахаридов. Это наблюдается для разложеюи не только природного материала, но и очищенной целлюлозы. ' В результате организмы содержат гены нескольких целлюлаз. Нацрнмер, у штамма С!оз!г Ы!ит !легтосе!!ит их было обнаружено 15. Некоторые целлюлозолитические организмы имеют набор ферментов, достаточный для разложения натнвной растительной целлюлозы. Такие наборы есть у грибов бурой древесной гнили, у клостриднев, ' организмов рубца.
У фитопатогенных и симбиотическнх организмов имеется специфический неполный набор целлюлаз для внедрения через растительную стенку в корни, Неполный набор целлюлаз возможен и для организмов, являющихся членами целлюлозолитического консорциума; такие организмы не способны расти в чистой ' культуре на целлюлозе, но активно размножаются в сообществе. Целлюлозолитические эизимные системы разделяются на "не-комплексирующие" (или "не-агрегирующие", растворимые) и хомплексирующие системы.
Первые свойственны преимущественно аэробным грибам и бактериям. Они выделяются в среду как зхзогицролазы в виде нескольких растворимых целлюлаз и деполияераз полисахаридов. Комплекснрующие системы типичны преиму' ьцесгвенно для анаэробов. Синергическое действие растворимых целлюлаз приводит к тому, что смесь ферментов имеет более высокую активность, чем сумма их активностей. Предложено следующее объяснение синергическоиу усилению действия. Эндоглюканазы разрывают целлюлозную цепочку в местах нарушения кристаллической структуры.
В этих разрывах появляются точки приложения для экзоглюканаз (или 267 целлобиогидролаз). Гидролиз концов кристаллических участков обнажает новые места нарушения кристаллической структуры. Гидролнз целлобиозы 13-глюкозидазой приводит к появлению глюкозы как конечного продукта, ингибирующего гидролазы. В этой схеме независимо действующие ферменты без взаимодействия белок-белок усиливают кооперативное действие. Комплексирующие системы целлюлаз представляют собой полиферментные комплексы, получившие название целлюлосомы Они характерны для клостридиев и в качестве модели подробно изучены у С!озтги!1ит тйегтосе!!ит.
Целлюлосомы образуют протуберанцы на поверхности клетки и содействуют адсорбции клетки ва нерастворимой целлюлозе. Индивидуальные целлюлосомы устойчивы в воде и обладают высокой целлюлолитической активностью вне зависимости от клетки. Они содержат 14-50 полипептндов, большинство из которых обладает а-1,4-глюканазной или а-1,4-кся. ланазной активностью. Клостридии содержат многочисленные гены глюканаз, представляющие ферменты различных семейств. Целлюлосомы под электронным микроскопом выглядят как несколько (более четырех) цепочек из 5 — 8 глобул. Предполагается, чте, это индивидуальные эндоглюканазы на общем основании.
Такая система способна координированно атаковать целлюлозу с образованием в качестве продукта дексгрина. Белок основания связыва. ется с целлюлозой и заякоривает фермент на ней. Он предположительно обеспечивает перемещение ферментного комплекса по гидролизуемому субстрату. Белки целлюлосомы и соответствующие гены идентифицированы. Для высокой активности целлюло! сомы критическим оказывается координированное действие ферментов. Аналогичные целлюлосомам системы ферментов установлены у Яиттасассиз, Вас!егоЫез се!!и!ого!гет, ВастегоЫез (=ЯЬгоЬастп) зисс1ло8елез, АсетпаЬг1о се!!и!о!упсиз- анаэробных организмов, которые плотно прикрепляются к гидролизуемой целлюлозе. Прикрепление дает определенное преимущество в смешанных культурах.
Нг поверхности клеток были обнаружены аналогичные целлюлосомаи протуберанцы. Часть эндоглюканаз обнаруживается в везикулзх капсулы руминококков. Однако генетического подтверждения схож ства с целлюлосомами клостридиев пока нет, хотя они реагируют с . антителами для целлюлосом. У разных организмов ферменты целлюлозолитической системы синтезируются конституитивно или же индуцируются.
Индукторои синтеза целлюлаз и ксиланаз может служить целлобиоза, продукт экзоглюканаз, и целлодекстрины как продукты эндоглюканаз. Индукторами могут служить и иные олигосахариды. Особенно эффективным индуктором считается сефароза. С другой стороны, эти жэ соединения могут ингибировать синтез.
Поэтому существенна ят концентрация в среде и транспорт в клетку. 268 Из рассмотрения действия целлюлозолитических организмов н ферментов можно вывести необходимость по меньшей мере трех уровней кооперативного действия. Первый уровень состоит в действии различных ферментов на субстрат. При этом ферменты либо могут действовать индивидуально и при этом иметь сянергическнй эффект, либо быть организованы в структуру, обладающую кооперативным действием, как в целлюлосоме.
На уровне организма возможен синтез полного набора ферментов одним организмом, способным расти на целлюлозе в чистой культуре и осуществлять ее полный гидролиз. При неполном наборе ферментов используется только часть полимерного материала, хотя рост еще возможен; либо рост отсутствует, несмотря на наличие целлюлаз.
Наконец, на уровне кооперативно действующего сообщества разные организмы, синтезирующие разные гидролазы, оказывают совместное действие и развиваются в виде сообщества, быстро гидролизуя субстрат, хотя поодиночке они на целлюлозе не растут или же рост их ограничен. Синтрофия обусловлена не анаболической зависимостью от факторовроста в сообществе, а кооперативным воздействием на сложный субстрат. Следующий шаг состоит в разложении сложного взвешенного вещества, где присутствуют и разные полисахариды, и белки, и липвды, как это имеет место при разложении мортмассы. Здесь возможно не только синергическое действие, но и реакции торможения, например за счет протеолнза незащищенных экзоферментов.
Физическая организация на микроуровне приобретает первостепенное значение, включая защиту ферментных комплексов от угрозы извне. Вся обширная группировка наземных целлюлозолитических микроорганизмов и нх сателлитов сформировалась после развития на Земле растительного покрова. Широкое распространение этой трофической группировки могло иметь место в конце силура 0,35 млрд лет назад, хотя водные целлюлозолитические бактерии могли развиваться с неопротерозоя около 1 млрд лет назад, особенно в связи с распространением нитчатых водорослей в водоемах.
В период господства цианобактерий целлюлозолитические организмы имели ограниченный источник субстрата. У бактерий процесс освоения нового субстрата шел за счет латерального переноса генов на основе самых разнообразных филогенетических ветвей. Гидролитическая активность есть типичный пример подготовительного метаболизма, Вопрос состоит в совместимости с морфо-физиологическими особенностями.
Особенно подходящими оказались организмы со скользящим движением, способные двигаться по поверхности твердого субстрата, как цитофаги, и с мицелиальным строением, как актиноми деты. Основной группировкой наземных организмов, ориентированной на разложение твердой фазы растительного вещества — оболоч- 269 ки клетки, являются эукариотные мицелиальные организмы.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
