Enzymy to biokatalizatory, które odgrywają ważną rolę na wszystkich etapach metabolizmu i reakcji biochemicznych. Są one szczególnie interesujące i są stosowane jako katalizatory organiczne w wielu procesach na skalę przemysłową. Ten artykuł zawiera przegląd enzymów drobnoustrojowych i ich klasyfikacji.
Wprowadzenie
Różne bioprzemysły wymagają enzymów o określonych właściwościach do wykorzystania w przetwarzaniu substratów i surowców. Enzymy drobnoustrojów działają jak biokatalizatory, przeprowadzając reakcje w procesach biologicznych w sposób ekonomiczny i przyjazny dla środowiska w porównaniu z zastosowaniem katalizatorów chemicznych. Ich szczególne cechy są wykorzystywane do zastosowań komercyjnych i przemysłowych. Enzymy są bardzo specyficzne, katalizują około 4000 reakcji biochemicznych. Laureat Nagrody Nobla Emil Fischer zasugerował, że dzieje się tak, ponieważ zarówno enzym, jak i substrat mają specyficzne komplementarne geometrie, które są dokładniepasują do siebie.
Definicja
Enzymy to duże cząsteczki biologiczne odpowiedzialne za wszystkie ważne wymiany chemiczne, które są niezbędne do podtrzymania życia. Są wysoce selektywnymi katalizatorami, które mogą znacznie przyspieszyć zarówno tempo, jak i specyficzność reakcji metabolicznych, od trawienia pokarmu po syntezę DNA. Wszystkie zachodzące w nich procesy metaboliczne zależą od tego, jakie enzymy powstają w komórkach mikroorganizmów.
Historia
W 1877 roku Wilhelm Friedrich Kuehne, profesor fizjologii na Uniwersytecie w Heidelbergu, po raz pierwszy użył terminu „enzym”, który pochodzi od łacińskiego słowa fermentum, oznaczającego „w zakwasie”. Pozyskiwanie enzymów z mikroorganizmów rozpoczęło się już w starożytnej Grecji. Były używane do przechowywania żywności i napojów.
W 1783 roku słynny włoski ksiądz katolicki Lazzaro Spallanzani po raz pierwszy wspomniał o znaczeniu tej biomolekuły w swojej pracy nad biogenezą.
W 1812 r. Gottlieb Sigismund Kirchhoff badał procedurę przekształcania skrobi w glukozę. W swoim eksperymencie podkreśla zastosowanie enzymów jako katalizatora.
W 1833 roku francuski chemik Anselm Payen odkrył pierwszy enzym, diastazę.
Dekady później, w 1862 roku, badając fermentację cukru do alkoholu, Louis Pasteur doszedł do wniosku, że jest ona katalizowana przez siłę życiową zawartą w komórkach drożdży.
Biomolekuły znalezione w przyrodziesą szeroko stosowane od czasów starożytnych w produkcji wyrobów takich jak len, skóra czy indygo. Wszystkie te procesy zostały wywołane przez mikroorganizmy - producentów enzymów.
Znaczenie
Enzymy są potrzebne do ułatwienia reakcji chemicznych. Ich rola w życiu mikroorganizmów jest bardzo ważna. Polega na zapewnieniu procesów metabolicznych, oddychania, trawienia i innych rodzajów życia. Kiedy enzymy działają prawidłowo, utrzymuje się homeostaza. Inną rolą enzymów w mikroorganizmach jest przyspieszenie metabolizmu.
Funkcje specjalne
Właściwości enzymów drobnoustrojów obejmują:
- odporność na ciepło;
- termofilna natura;
- tolerancja na zmianę zakresu pH;
- stabilność aktywności przy zmianie temperatury i pH;
- inne rygorystyczne warunki reakcji.
Są klasyfikowane jako termofilne, kwasolubne lub alkalicznofilowe. Mikroorganizmy z termostabilnymi układami enzymatycznymi zmniejszają możliwość skażenia mikrobiologicznego w reakcjach przemysłowych na dużą skalę o długim czasie trwania. Enzymy mikrobiologiczne pomagają w zwiększeniu transferu masy i zmniejszeniu lepkości podłoża podczas procesu hydrolizy surowca.
Klasyfikacja
Ze względu na szeroki zakres działań opartych na charakterze ich reakcji, enzymy są klasyfikowane według katalizy:
- Oksydoreduktazy. Reakcje utleniania obejmują przeniesienie elektronów z pojedynczej cząsteczkido innego. W układach biologicznych jest to usuwanie wodoru z podłoża.
- Transfery. Ta klasa enzymów katalizuje przenoszenie grup atomów z jednej cząsteczki do drugiej. Aminotransferazy lub transaminazy ułatwiają przenoszenie grupy aminowej z aminokwasu na alfa-oksokwas.
- Hydrolazy. Katalizować hydrolizę, rozszczepianie substratów wodą. Reakcje obejmują rozszczepienie wiązań peptydowych w białkach, wiązań glikozydowych w węglowodanach i wiązań estrowych w lipidach. Generalnie większe cząsteczki rozpadają się na mniejsze fragmenty.
- Liase. Katalizuj dodawanie grup do wiązań podwójnych lub tworzenie tych ostatnich usuwając te pierwsze. Na przykład, liazy pektynianowe rozszczepiają wiązania glikozydowe przez eliminację beta.
- Izomerazy. Katalizują przenoszenie grup z jednej pozycji do drugiej w tej samej cząsteczce. Zmień strukturę podłoża, przestawiając jego atomy.
- Ligazy. Połącz cząsteczki razem wiązaniami kowalencyjnymi. Biorą udział w reakcjach biosyntezy, w których tworzą się nowe grupy wiązań. Takie reakcje wymagają wkładu energii w postaci kofaktorów.
Aplikacja
Fermentacja jest używana do przygotowywania wielu produktów spożywczych. Stosowanie enzymów mikrobiologicznych w przemyśle spożywczym jest procesem długotrwałym. Powszechnie stosowane są następujące typy:
- Amylaza. Upłynnianie skrobi, poprawa jakości pieczywa, klarowanie soków owocowych.
- Glukoamylazy. Produkcja piwa i syropów o wysokiej zawartości glukozy i fruktozy.
- Proteaza. Tenderyzacjamięso, koagulacja mleka.
- Laktaza. Zmniejszenie nietolerancji laktozy u ludzi, prebiotyczne suplementy diety.
- Lipaza. Produkcja sera cheddar.
- Fosfolipazy. Produkcja lipolizowanego tłuszczu mlecznego.
- Esteraza. Poprawa smaku i aromatu soku owocowego. Deestryfikacja błonnika pokarmowego. Produkcja estrów o krótkim łańcuchu.
- Celulazy. Pasza dla zwierząt.
- Oksydaza glukozy. Poprawa trwałości żywności.
- Laccases. Usuwanie polifenoli z wina.
- Katalazy. Konserwowanie żywności. Usuwanie nadtlenku wodoru z mleka przed produkcją sera.
- Peroksydaza. Rozwój smaku, koloru i jakości żywności.
Proteza
Proteazy pochodzące z systemów mikrobiologicznych są trzech typów: kwaśne, obojętne i zasadowe. Największe zastosowanie w bioprzemyśle mają alkaliczne proteazy serynowe. Charakteryzują się dużą aktywnością i stabilnością w nienormalnych warunkach o skrajnych parametrach fizjologicznych. Proteazy alkaliczne mają właściwość wysokiej stabilności aktywności enzymatycznej, gdy są stosowane w detergentach. Znalazły szerokie zastosowanie w bioprzemyśle:
- produkcja proszków do prania;
- przemysł spożywczy;
- obróbka skóry;
- farmaceutyki;
- badania w biologii molekularnej i syntezie peptydów.
Amylaza
Jest to enzym mikroorganizmów, który katalizuje rozkład skrobi na cukry. On byłodkryty i odizolowany przez Anselma Peyena w 1833 roku. Wszystkie amylazy są hydrolazami glikozydowymi. Są szeroko stosowane w przemyśle i stanowią prawie 25% rynku enzymów. Stosowany w branżach takich jak:
- jedzenie;
- piekarnia;
- papier i tekstylia;
- słodziki i soki owocowe;
- Syropy glukozowo-fruktozowe;
- detergenty;
- paliwo etanol ze skrobi;
- napoje alkoholowe;
- pomoc trawienna;
- odplamiacz w pralni chemicznej.
Wykorzystywane również w chemii klinicznej, medycznej i analitycznej.
Ksylanaza
Hemiceluloza jest jednym z głównych składników odpadów rolniczych obok celulozy, ligniny i pektyny. Jego głównym składnikiem jest Xylan. Znaczenie ksylanazy znacznie wzrosło dzięki jej biotechnologicznym zastosowaniom do produkcji pentozy, oczyszczania soków owocowych, poprawy trawienia i biokonwersji lignocelulozowych odpadów rolniczych na paliwa i chemikalia. Znalazła swoje zastosowanie w przemyśle spożywczym, tekstylnym i celulozowo-papierniczym, utylizacji odpadów rolniczych, produkcji etanolu i pasz dla zwierząt.
Lakcase
Enzymy liginolityczne są przydatne w hydrolizie lignocelulozowych pozostałości rolniczych, zwłaszcza w degradacji złożonej i niepompującej ligniny. Mają bardzo wszechstronny charakter i mogą być wykorzystywane w wielu procesach przemysłowych. System enzymów lignolitycznych jest stosowany w bioodbarwieniu celulozy i innych gałęziach przemysłu, takich jak stabilizacja wina i soków owocowych, pranie dżinsów, kosmetyki i bioczujniki.
Lipaza
Jest to enzym mikroorganizmów, który katalizuje rozkład i hydrolizę tłuszczów. Lipazy są podklasą esteraz. Odgrywają znaczącą rolę w trawieniu, transporcie i przetwarzaniu tłuszczów. Większość lipaz jest zaangażowana w określonej pozycji na szkielecie glicerolowym substratu tłuszczowego, zwłaszcza w jelicie cienkim. Niektóre z nich są wyrażane przez wydzielane organizmy chorobotwórcze podczas choroby zakaźnej. Lipazy uznawane są za główną grupę enzymów wartościowych biotechnologicznie, głównie ze względu na wszechstronność ich właściwości użytkowych oraz łatwość masowej produkcji.
Aplikacja lipazy
Te enzymy biorą udział w różnych procesach biologicznych, od rutynowego metabolizmu trójglicerydów w diecie po sygnalizację i stany zapalne komórek. Niektóre działania lipazy są ograniczone do pewnych przedziałów w komórkach, podczas gdy inne działają w przestrzeniach pozakomórkowych:
- Lipazy trzustkowe są wydzielane do przestrzeni pozakomórkowych, gdzie służą do przekształcania lipidów pokarmowych w prostsze formy, które są transportowane w całym organizmie.
- Ułatwiaj wchłanianie składników odżywczych ze środowiska.
- Zwiększona aktywność lipazy zastępujekonwencjonalne katalizatory w przetwórstwie biodiesla.
- Stosowany w zastosowaniach takich jak pieczenie, detergenty do prania, jako biokatalizatory.
- W przemyśle tekstylnym służy do zwiększenia chłonności tkaniny i równomierności barwienia.
- Modyfikowanie smaku żywności poprzez syntezę estrów krótkołańcuchowych kwasów tłuszczowych i alkoholi.
- Obecność lub wysoki poziom lipaz może wskazywać na konkretną infekcję lub chorobę i może być używany jako narzędzie diagnostyczne.
- Mają działanie bakteriobójcze. Może być stosowany w leczeniu nowotworów złośliwych.
- Mają wielką wartość handlową w kosmetykach i farmaceutykach (produkty do pielęgnacji skóry, lokówki).
