4.2.13. Физиология и биохимия микроорганизмов
В формировании физиолого-биохимического подхода к изучению жизнедеятельности микробов ярко проявилась одна из характерных черт микробиологии: исследования, носящие прикладной характер, оказались источником данных, имеющих большую теоретическую и научную ценность. Вместе с тем специфические свойства микроорганизмов — быстрый рост и высокая активность обмена, разнообразие форм анаболизма и катаболизма, экологическая специфика — определили исключительную роль микроорганизмов как наиболее удобных объектов для химического изучения обмена веществ.
В теоретическом истолковании результатов физиолого-биохимических исследований выявились две взаимосвязанные тенденции: с одной стороны, поиски единства в формах метаболизма, обнаруживающегося в общих биохимических и генетических механизмах, с другой — проникновение в тонкую специфику физиологии отдельных групп микробов. Известные в настоящее время четыре основных типа обмена веществ микроорганизмов — фотолитотрофный, фотоорганотрофный, хемолитотрофный и хемоорганотрофный — детально изучались с помощью различных физико-химических методов.
Изучение биохимии различных брожений, начатое еще Пастером, дало представление о диссимилятивной деятельности микроорганизмов и выявило большое разнообразие форм метаболизма в мире микробов. Решающее значение для выяснения биохимической сущности процессов диссимиляции имела разработка Э. и Г. Бухнерами (1897) метода бесклеточного спиртового брожения. Продолжая работы Бухнеров, английские биохимики А. Гарден и В. Юнг открыли физиологическую функцию фосфора в процессах диссимиляции углеводов и в 1908 году вывели уравнение спиртового брожения:
.
Изучение природы и механизма действия ферментов аэробной и анаэробной диссимиляции углеводов О. Варбургом (Нобелевская премия,. 1931) и Г. Эйлером привело в конце 30-х годов к построению схемы, отражающей в основных чертах биохимию гликолиза – схемы Эмбдена—Мейергофа—Парнаса.
Применение ферментных препаратов и радиоактивных изотопов позволило установить наличие у микроорганизмов и других механизмов разложения углеводов. Было выяснено, что реакции, характерные для схемы Эмбдена—Мейергофа—Парнаса, встречаются также и при других бродильных и окислительных процессах.
Одно из первых подтверждений достоверности этих положений дало детальное изучение механизма молочнокислого брожения. Для той формы брожения, которое сопровождается образованием только молочной кислоты, А. Клюйвер и Г. Донкер (1924) предложили термин «гомоферментативное брожение», противопоставив его «гетероферментативному брожению», завершающемуся образованием еще летучих кислот, этилового спирта и СО2. Исследованиями М. Гиббса с сотрудниками (1950) было показано, что гомоферментативное брожение протекает по гликолитической схеме, а гетероферментативное — по гексозомонофосфатному пути.
Изучению различных форм диссимилятивной активности микроорганизмов сопутствовало исследование их энергетического обмена. В результате выявления продуктов неполного окисления субстрата в 30— 40-х годах была установлена связь между энергетическими и конструктивными процессами (Л. Стикленд, Д. Вудс, В. О. Таусон, А. Клюйвер, К. Ван-Ниль). Важным открытием в этом направлении было установление Ф. Липманом (Нобелевская премия, 1953) (рис. 4.2.32) функции аденозинтрифосфата (АТФ), выступающего в качестве аккумулятора и переносчика биологической энергии.
Рис. 4.2.32. Фриц Альберт Липман (Fritz Albert Lipmann, 1899–1986)
Рис. 4.2.33. Владимир Николаевич Шапошников (1884—1968)
Важные в теоретическом и практическом отношениях исследования динамики процессов брожения были проведены В.Н. Шапошниковым (рис. 4.2.33), создавшим теорию физиологической фвухфазности брожений. Большой интерес представляет разработка Шапошниковым (1944) классификации процессов, вызываемых хемоорганотрофами, по принципу использования ими субстрата в энергетических и конструктивных целях. Подобные исследования сопровождались накоплением фактических данных о разнообразии ферментных комплексов микроорганизмов.