Сравнения множества клеток самых разных типов показывает, что набор содержащихся в них ферментов во многом сходен. По-видимому, во всех живых оргназимах протекают в основном одни и те же метаболические процессы. Некоторые различия, касающиеся конечных продуктов обмена, отражают скорее наличие или отсутствие того или иного фермента, нежели изменение общего характера метаболизма. Сложные системы углеводного обмена, состоящие из ферментов, коферментов и переносчиков, образуют главный поставляющий энергию механизм у животных, растений, плесневых грибов, дрожжей и у большинства других микроорганизмов.
Однако в характере метаболизма, химическом составе и строении различных тканей и различных организмов имеются и бесспорные различия. Что касается метаболизма, то особенности его в соответствующих органах или тканях, несомненно, определяются набором ферментов. Различия в химическом составе органов и тканей тоже зависят от их ферментного состава, в первую очередь от тех ферментов, которые участвуют в процессах биосинтеза. Не исключено, что и более очевидные различия, касающиеся строения и формы тех или иных органов и тканей, также имеют энзимологическую природу.
Хорошо известно, что метаболическая активность тканей изменяется с возрастом, а также под влиянием других факторов, о которых мы уже говорили. В процессе развития от оплодотворенного яйца до взрослого организма должны синтезироваться различные ферментные системы, и если все они не синтезируются одновременно, то с возрастом ферментный состав должен меняться. Такие изменения, в частности, могут быть особенно заметны в период эмбрионального развития по мере дифференцировки различных тканей с их характерным набором ферментов. Изменения активности фермента в процессе развития организма могут быть обусловлены изменением его количества в результате увеличения или уменьшения скорости синтеза или распада или изменением эффективности действия определенного количества фермента.
Биосинтез ферментов необходим для поддержания жизни. Очевидно, когда в процессе роста увеличивается масса живого вещества, параллельно с этим увеличивается и число молекул каждого необходимого фермента. Но непрерывный синтез ферментов должен происходить даже в отсутствие роста, с тем чтобы восполнять убыль молекул вследствие их разрушения, поскольку продолжительность жизни ферментов в клетках ограничена. Опыты с применением изотопной техники показали, что, хотя стабильность ферментов в физиологических условиях различается, продолжительность их жизни в большинстве случаев измеряется днями. Без постоянного биосинтеза ферментов жизнь остановилась бы, так как она зависит от работы ферментных систем, которые катализируют химические реакции, в совокупности определяющие метаболизм живых систем. Не менее важно, что жизнь возможна только в отсутствие ферментов, нарушающих нормальный ход метаболизма, т.е. ферменты должны обладать «правильными» активностями.
Живую клетку часто сравнивают с фабрикой, в которой ферменты, катализирующие последовательные этапы метаболического пути, соответствуют машинам, осуществляющим последовательные операции в поточных линиях. В таком случае ядро живой клетки следует рассматривать как административный центр фабрики.
При биосинтезе ферментов и других белков рибосомы играют роль сборочного аппарата, соединяя аминокислоты, связанные с соответствующими тРНК, в полипептидные цепи. Этот процесс протекает на рибосомах в присутствии нескольких белковых кофакторов.
В живой клетке синтез ферментов не протекает постоянно с максимальной скоростью – это быстро привело бы к хаосу. Скорость образования разных ферментов находится под жеским контролем в согласии с потребностями метаболизма и с состоянием развития клетки.
Индукция образования отдельных ферментов в присутствии их субстратов и родственных субстратом веществ является очень важным феноменом, особенно для бактерий, у которых количество фермента в клетках может увеличиваться в несколько сотен раз при выращивании их в присутствии субстрата.
Когда бактерии растут на среде, лишенной аминокислот, они в норме образуют ферменты, необходимые для синтеза аминокислот, которые им требуются. Если, однако, в среду вводится какая-либо аминокислота, то фермент, синтезирующий эту аминокислоту, не образуется, хотя ферменты, участвующие в синтезе других аминокислот, образуются с прежней эффективностью. Биосинтез определенных аминокислот из более простых соединений в большинстве случаев осуществляется в ходе последовательных ферментативных реакций.
И все же главное, чем интересны для нас ферменты, заключается в том, что они теснейшим образом связаны с жизнью. Из всех многочисленных биохимических процессов, протекающих в живой клетке, - тех процессов, от которых зависит ее жизнь, - едва ли имеется хотя бы один, который не был бы связан с ферментативным катализом: без ферментов не может быть жизни.
Для поддержания жизни все организмы должны обладать определенными механизмами, с помощью которых энергия, освобождающаяся в результате таких химических реакций, как окисление пищевых веществ, могла бы использоваться в реакциях и процессах, протекающих с потреблением энергии, вместо того, чтобы рассеиваться в виде тепла. Энергия необходима для биосинтеза, когда новое живое существо образуется в процессах роста и воспроизведения, для осмотической работы, связанной с поглощением и секрецией, для механической работы при движении, особенно развитом у высших животных. Живая материя содержит ряд нестабильных веществ, от которых зависит ее существование. Эти вещества непрерывно разрушаются и вновь синтезируются, так что в систему должна непрерывно поступать энергия уже для одного поддержания системы в стационарном состоянии. В общем, даже достаточно стабильные вещества, такие, как белки, расщепляются внутри клетки вследствие присутствия в ней гидролитических ферментов. Для возмещения этих потерь также требуется энергия. Если прекращается доставка энергии, то вся система распадается в результате разрушения нестабильных незаменимых веществ и правалирования процессов ферментативного распада. Когда этот процесс заходит достаточно далеко, он становится необратимым, так как синтетические реакции не могут возобновиться в отсутствии незаменимых катализаторов. Это и происходит при гибели клетки. Наиболее существенные особенности ферментной системы, связывающей процессы, поставляющие энергию, с процессами, ее потребляющими, состоят в следующем. В результате серии ферментативных преобразований вещество, способное служить источником энергии, переходит вначале в такую форму, которая затем может претерпеть распад, связанный с образованием богатой энергией связи.
Сами катализаторы (ферменты и коферменты), подобно другим компонентам клетки, образуются в процессе биологического синтеза, особенно интенсивного во время роста. Энергия, необходимая для образования большого числа связей, имеющихся в ферментных белках, должна поставляться за счет ферментативных катаболических реакций. Таким образом, вся система в целом является самовоспроизводящейся и даже саморазмножающейся, а это и есть самое главное свойство живой материи.
Хотя системы, состоящие из многих ферментов, не меньшей степени, чем отдельные ферменты, вполне хорошо функционируют в простых растворах, живую клетку, несомненно, нельзя рассматривать как «мешок с ферментами», в котором ферменты находятся в гомогенном растворе. В действительности живая клетка имеет сложное строение, которое мы в последнее время благодаря электронному микроскопу получили возможность узнать гораздо глубже. Определенные ферменты локализуются в определенных внутриклеточных структурах, и потому одним из главных вопросов биологии ферментов является вопрос о характере связи между этими структурами и ферментными системами.
Типичная клетка окружена клеточной мембраной, проницаемой только для некоторых веществ. Эта мембрана у растений и бактерий укрепляется окружающей пористой клеточной оболочкой, которая определяет форму клетки, но не принимает никакого участия в метаболизме.
Живая клетка отнюдь не просто «мешок с ферментами», это высокоорганизованная система, содержащая много сложных видимых структур. Знакомство с локализацией различных ферментов внутри клетки, с той связью, которая существует между ферментами и этими структурами, очень важно для понимания жизнедеятельности клетки. Простое экстрагирование ферментов из измельченной ткани дает мало сведений об их принадлежности к той или иной внутриклеточной структуре.
Многие бактерии могут расти, используя большое число различных субстратов. Это означает, что они способны синтезировать все ферменты, необходимые для превращения этих субстратов, т.е. имеют соответствующие структурные гены. Если в питательной среде содержится только один субстрат, то в клетках образуются ферменты, необходимые для расщепления (катаболизма) именно этого субстрата. Соответственно говорят об индукции ферментов, индуцирующем субстрате и индуцируемых (индуцибельных) ферментах. Для синтеза большинства ферментов, участвующих в катаболизме субстратов, требуется индукция. Если в среде имеются одновременно два субстрата, то бактерия обычно «предпочитает» тот субстрат, который обеспечивает более быстрый рост.
Проявлением максимальной экономичности клеточного метаболизма служат выработанные клеткой механизмы, регулирующие ее ферментный состав. Очевидна целесообразность синтеза только тех ферментов, которые необходимы в конкретных условиях. Показано, что у прокариот в одних условиях фермент может содержаться в количестве не более 1-2 молекул, в других - составлять несколько процентов от клеточной массы. Количество определенного фермента в клетке может регулироваться на нескольких уровнях: на этапе транскрипции, трансляции, а также в процессе сборки и разрушения ферментного белка.
В бактериальных клетках имеются ферменты, количества которых могут резко меняться в зависимости от состава питательных веществ среды. Это происходит в результате того, что гены, детерминирующие эти ферменты, включаются или выключаются по мере надобности. Их называют индуцибельными ферментами . При отсутствии в среде субстратов этих ферментов последние содержатся в клетке в следовых количествах. Если в среду добавить вещество, служащее субстратом определенного фермента, происходит быстрый синтез этого фермента в клетке, т.е. имеет место индукция синтеза фермента . Если же в питательной среде в готовом виде содержится вещество, являющееся конечным продуктом какого-либо биосинтетического пути, происходит быстрое прекращение синтеза ферментов этого пути.
В каждой клетке и в жидкостях организма животного действуют тысячи биокатализаторов — ферментов, ускоряющих течение химических реакций. В качестве примера укажем, что для синтеза гормона инсулина в лабораторных условиях биохимикам потребовалось осуществить 223 этапа (стадий) реакции, что заняло бы 10 человек и потребовало около трех лет работы. В то же время подсчитано, что в клетке животного синтез молекулы белка при участии ферментов совершается за 2—3 секунды.
На активность ферментов большое влияние оказывает влажность. Без воды ферментативные реакции не происходят.
Предварительная обработка сырья применяется для увеличения его доступности действию микробных ферментов, частичной или полной деструкции комплексов биополимеров и их компонентов. Основной задачей предобработки является воздействие на структурные полимеры растений — целлюлозу, гемицеллюлозу, пектиновые вещества — и матриксный компонент лигнин. Эти полимеры обеспечивают прочность и жесткость клеточных стенок растений, что является основным препятствием для ферментативной деструкции.
