Ферменты грибов
Жизнедеятельность любого организма выражается обменом веществ. Этот процесс неосуществим без участия ферментов. С одной стороны, их функции заключаются в расщеплении сложных органических веществ и превращении их из нерастворимых соединений в растворимые составы, готовые для усвоения клеткой. С другой стороны, ферменты создают запасные вещества из более простых элементов. В этих постоянных превращениях заключаетс вся жизнь клетки любого организма, поэтому ферменты, можно сказать, составляют неотъемлемую часть каждого живого существа.
По характеру своей деятельности ферменты близки к катализаторам неорганического мира, вызывающим так называемые каталитические реакции. Под каталитическими реакциями подразумевают такие химические превращения, которые вызываются, или, вернее, ускоряются присутствием посторонних веществ, сами по себе при этом никаким изменениям не подвергающихся. При этом для успешного результата достаточно их минимального количества. Примером данной реакции может служить следующий опыт: чистый цинк помещается в серную кислоту, вследствие чего образуется слабое и медленное выделение водорода. Но если к этой смеси добавить каплю раствора хлорной платины, то немедленно начнется бурное и обильное выделение водорода. Ничтожное количество хлорной платины, не вступающее в соединение с элементами смеси и само по себе не изменяющееся, выступает здесь в качестве некоего стимула, или, как принято говорить в химии, катализатора. Абсолютно аналогичное явление наблюдается в органических соединениях под влиянием ферментов.
Как показывают опыты, разложение органических веществ и превращение их происходит в природе нередко и без участия ферментов, но крайне медленно и слабо. Присутствие же соответствующих ферментов намного ускоряет и усиливает этот процесс.
Многие ферменты обладают способностью беспрепятственно проходить сквозь оболочку живых клеток. Наличие или отсутствие у ферментов этого свойства дает возможность разбить их на две группы: ферменты наружной работы, проявляющие свою деятельность в расщеплении или в превращении веществ, находящихся вне клеток их образующих, и ферменты внутренней работы, деятельность которых ограничена содержимым той клетки, в которой они имеются. Таким образом, между ферментами наблюдается разделение труда: внешние ферменты накапливают из окружающей среды необходимые для роста и развития гриба материалы, внутренние же перерабатывают эти материалы, выделяя из них все ценное и отбрасывая все ненужное.
Интересной особенностью ферментов считается их узкая специализация, благодаря которой они действуют нацелено только на какое-либо одно, определенное вещество. В случаях, когда предстоит «раскусить» очень сложное по строению вещество, всегда набирается несколько ферментов, действующих совместно или в определенной последовательности друг за другом. Таким образом, если иметь в виду, что функции ферментов, в конечном итоге, направлены к превращению нерастворимых органических соединений в растворимое вещество, главным образом в сахар, то в их деятельности наблюдается преемственность, вследствие чего нерастворимое образование поэтапно расщепляется на отдельные части, из которых затем вырабатывается растворимая глюкоза. Отсюда и присутствие в живых клетках грибных гиф разнообразных, иногда многочисленных ферментов. Например, у гриба пенициллума камембери, используемого при заготовке сыров «камамбер» найдено 11 видов ферментов, у лесного опенка – 15.
Количество ферментов в грибах подчиняется общему правилу. Чем приспособленнее к определенному субстрату вид (например, мухомор, растущий на почве хвойных и смешанных лесов), тем меньшим количеством ферментов он обладает (у мухомора их не более четырех).
Многие низшие грибы, поражающие большое количество субстратов, и высшие, дереворазрушающие (трутовики, вешенка), которым приходится находить провиант в сложных соединениях древесины, обладают достаточно большим ассортиментом ферментов. Этим объясняется тот факт, что выделенные из естественной среды произрастания грибы хорошо развиваются в искусственных условиях в научных лабораториях. Здесь они растут в так называемой чистой культуре.
Чистая культура грибов
Для жизни гриба необходимы углерод, азот и минералы, которые сосредоточены внутри субстрата. Искусственная культура предлагает эти вещества в чистом готовом виде, исключая тем самым надобность в их добыче. За счет значительной экономии энергии гриб превращается в активного потребителя питания, что отзывается быстрым и пышным ростом его вегетативной массы.
Исходная среда для искусственных питательных культур – жидкость. Добавляя в нее специальный растительный клей – агар, можно добиться ее перевода в твердое состояние. В этом случае она становится сродни мармеладу, тому самому, что производят кондитеры, используя тот же агар.
Грибную культуру разводят в специальной посуде – чашках Петри, различных емкостях и т. п. Грибы прекрасный объект для исследований обмена веществ в организме. Чистая культура грибов позволяет максимально упрощенно получить ответы на многие вопросы: о роли того или иного питательного элемента в жизни клеток, скорости операций превращения различных веществ, зависимости развития от тех или иных условий и т. п.
Иногда грибы образуют маленькие плодоношения в условиях чистой культуры, демонстрируя тем самым свою 100%-ную принадлежность к тому или иному виду. Это особенно важно, поскольку большинство грибов имеет одинаковое строение своих вегетативных органов, будучи трудно различимых между собой даже при помощи специальной микроскопической техники. Если культура долго не развивает плодовые тела, ведя исключительно вегетативный образ жизни, то велика вероятность смены одного гриба другим. Каннибализм широко распространен в грибном мире. В ряду первых здесь всегда плесени. А дать им жизнь способна одна-единственная спора, дремавшая в укромном месте годы, а то и десятки лет. Подобное имело место на заре приручения дикого шампиньона. Много сил и стараний было потрачено на то, чтобы прижилась его грибница в чистой культуре. Поддерживая ее жизнедеятельность, питательные среды подавались одна за другой, менялся их состав, чередовались условия окружающей среды. Шло время. Однако все было тщетно. Цикл развития гриба никак не хотел приближаться к естественному концу – размножению. Спустя продолжительный срок оказалось, что местом шампиньона довольно беззастенчиво пользуется некий несовершенный гриб. Дав жизнь новому поколению, он выдал себя. По характерным для низших грибов плодовым образованиям и была установлена личность нахлебника.
Упорство и терпение энтузиастов было вознаграждено позднее – первыми плодовыми телами шампиньона в неволе. Метод, используемый при этом, получил название «чашечных половинок». Чашка Петри (стеклянное блюдце с высокими бортами) заполнялась компостированным конским навозом в сочетании с дерновой почвой. Затем ее стерилизовали и засевали грибницей, выращенной на зерне. На 10—14 суток чашку оставляли в специальной влажной камере, с соответствующей температурой. Дальнейшее выращивание гриба происходило под стеклянным колпаком. Рядом с одной чашкой была расположена другая, заполненная увлажненной смесью дерновой земли, низинного торфа и мела. Гифы грибницы, разыскивая подходящие условия для размножения, переползали в чашку с землей, сплетали внутри нее сети и затем, спустя некоторое время образовывали там плодовые тела маленьких шампиньончиков
Грибная жизнь ради ценного сырья
Поскольку грибы питаются растворённой пищей, в чистой культуре их можно выращивать как на твердой среде, так и на жидкой. Однако на твердых субстратах гриб не рискует утонуть, каждую гифу его спасает опора. В воде же приходится побороться за свою жизнь, и единственным выходом кажется одно – превратиться в нечто плавучее. Что гриб и делает. Одна к другой, его гифы сплетаются в единое целое, образуя поверхностную плёнку. Такое образование, наподобие плота, довольно успешно противостоит природе воды и даже способно выдерживать ее небольшие возмущения. Если в твердом субстрате гриб вынужден искать пищу на глубине, пронизывая его гифами слой за слоем, то жидкость избавляет от подобной работы. Пища непосредственно омывает грибные органы и надо только постараться превратить ее при помощи ферментов в свой традиционный личный коктейль.
Поверхностная пленка – не единственная форма жизни гриба в воде. Ему под силу выжить и в бурлящем водовороте, на глубине, при помощи отдельных частей своей ткани. Это могут быть образования различной формы – нити, шарики, обрывки переплетенных, ветвящихся тяжей. И здесь только необходимым является продолжение буйства водной стихии. Поскольку тогда внутри нее будет необходимый кислород. Вполне сносное существование и развитие грибов в такой казалось бы недружественной обстановке позволило выращивать их еще одним приемом чистой культуры – так называемым погруженным выращиванием.
Грибы в процессе своей жизнедеятельности выделяют наружу различные продукты: антибиотики, кислоты, витамины ферменты и т. п. Эти продукты представляют собой побочные выделения обмена веществ. В природе они помогают грибам прочно занять свою нишу и защищать ее от врагов. В руках же человека они получили иное применение, став незаменимым сырьем в производстве очень ценных лекарственных препаратов и изделий легкой и пищевой индустрии. Погруженное выращивание позволяет использовать значительный объем питательных сред. Жидкость наливают в специальные чаны – ферментеры, емкостью от десятка до нескольких сотен литров. Естественно, что в этом случае выход нужных веществ (продуцируемых грибными клетками) увеличивается с единицы площади до максимальных пределов. Чтобы грибы не задохнулись в питательной жидкости, ферментеры при помощи специальных механизмов подвергают непрерывной встряске. После окончания «жидкого» периода развития гриба питательная среда напоминает собой густой суп, насыщенный «обломками» грибницы. Среду отфильтровывают до получения прозрачной жидкости. В дальнейшем используют и жидкость, и грибной осадок. Их качество и способности проходят ряд испытаний так называемыми тест-пробами. Например, при определении антибиотической активности грибной жидкости поступают следующим образом. В чашке Петри выращивают колонии бактерий или посторонних (других видов) грибов. На поверхность питательной среды, в каком-нибудь месте, накладывают полоски фильтровальной бумаги, смоченной в испытуемом растворе. При наличии в растворе антибиотика, вокруг полосок бумаги образуется зона задержки роста тест-микробов. Распространение их колонии минует «заминированный участок» стороной, довольствуясь свободной от сюрпризов территорией.
Кроме антибиотиков широкого спектра действия из грибной жидкости и экстрактов грибницы получают антибиотики более специфического характера, запрограммированные на уничтожение опухолей и вирусов. Определяют свойства антибиотиков также путем опытов. Для отбора противовирусных препаратов применяют искусственное заражение животных (например, вирусом гриппа) и растений (вирусом табачной мозаики). Потом животным впрыскивают раствор антибиотика, а зараженную растительную ткань (листья) погружают в него. По скорости и степени выздоровления зараженных организмов судят об эффективности данного антибиотика. При отборе противоопухолевых антибиотиков используют в качестве тест-объекта раковые клетки (из зараженных тканей). Их смешивают с испытуемым антибиотиком, получая смесь жидкого состава. Затем полученную смесь вводят подкожно мышам. Через 10 дней обычно мышей убивают и определяют наличие опухолей. Если антибиотик достаточно активен, то, как правило, он уничтожает раковые клетки, не давая им вызвать образование опухолей.
По определении достоинств грибной жидкости и грибницы из них получают концентрированный осадок. Жидкость выпаривают, а грибную ткань подвергают экстракции каким-либо растворителем (спиртом, кислотой). Затем экстракт также упаривают. Искомые вещества представляются в виде порошка или кристаллов. Более подробную информацию о них можно найти в разделе книги «Применение грибов и продуктов их жизнедеятельности в хозяйственной практике и в медицине».
Ферменты в работе
Теперь вернемся к ферментам грибов и остановимся подробно на их деятельности. По характеру своей деятельности ферменты делятся на несколько групп. Первая группа включает в себя ферменты так называемого гидролитического действия. Оно проявляется в следующем. «Команда» из нескольких ферментов расщепляет какое-либо вещество, одновременно присоединяя к его молекулам воду. Конечный результат такой работы – разжижение этого вещества. Характерным примером может служить картина развития какого-либо гриба на поверхности желатина. Ферментами-протеазами желатин попросту превращается в насыщенный белками раствор.
Родственные протеазам пектиназы специализируются на утилизации пектина. Пектин – это межклеточное вещество растительных тканей, склеивающее соседние смежные клетки между собой. Более менее значительные полости в тканях заполнены до предела пектином. Если грибу, имеющему в своем арсенале пектиназу, предложить субстрат с обильным содержанием пектина, например, ломти турнепса или моркови, то по прошествии определенного времени обнаружится любопытное зрелище. Пектиназа буквально выгрызает пектин из межклеточного пространства, разрушая субстрат до основания. От овощей не остается и следа.
Жиры также доступны для грибов. При этом необходимые полномочия делегируются ферментам-липазам. Их контакт с жирами заканчивается полной потерей лица последних, вынужденных смириться с превращением в жидкую эмульсию.
Из гидролизирующих ферментов грибов особый интерес представляют уреазы. Они ориентированы на разложение мочевины. Мочевина накапливается в грибных тканях как отброс. Чем больше азота в питании, тем больше мочевины. Как только в среде появляется достаточное количество углеводов, востребованность азота снижается, грибница начинает поглощать более доступное питание. Необходимый для обмена веществ азот при помощи уреаз извлекается из собственной мочевины.
Другая группа грибных ферментов – оксидазы. Она способствует окислению (разложению) накопленных грибницей запасных веществ. В результате этого вырабатывается необходимая (энергия) для проявления жизнедеятельности грибных клеток. Деятельность этих ферментов напоминает печку, сжигающую топливо. Типичные представители ферментов-оксидаз – лакказа и пероксидаза. В растительном мире лакказа встречается, например, в соке лакового дерева. Благодаря ей сок быстро твердеет и темнеет, образуя такой известный материал, как японский лак.
Еще одна группа ферментов – зимазы – принимает активное участие в процессе дыхания грибов. Поэтому чаще их называют дыхательными ферментами. Эти ферменты при наличии кислорода превращают накопленный в грибнице сахар в углекислоту и воду.