Микробни ензими: начин на образуване, класификация и свойства

Ензимите са биокатализатори, които играят важна роля във всички етапи на метаболизма и биохимичните реакции. Те представляват особен интерес и се използват като органични катализатори в множество процеси в промишлен мащаб. В тази статия е направен преглед на микробните ензими и тяхната класификация.

Въведение

Различните биоиндустрии се нуждаят от ензими със специфични характеристики, за да могат да се използват при обработката на субстрати и суровини. Микробните ензими действат като биокатализатори за осъществяване на реакции в биологични процеси по икономичен и екологичен начин в сравнение с използването на химически катализатори. Техните специални характеристики се използват за търговски интерес и промишлени приложения. Ензимите са много специфични и катализират около 4000 биохимични реакции. Нобеловият лауреат Емил Фишер изказва предположение, че това се дължи на факта, че както ензимът, така и субстратът имат специфична допълваща се геометрия, която се вписва точно един в друг.

Определение

Ензимите са големи биологични молекули, които отговарят за всички важни химични преобразувания са необходими за поддържане на живота. Те са високоселективни катализатори, които могат значително да увеличат скоростта и специфичността на метаболитните реакции, които варират от храносмилането на храната до синтеза на ДНК. Всички метаболитни процеси в микробните клетки зависят от това кои ензими се образуват.

История

През 1877 г. Вилхелм Фридрих Кюне, професор по физиология в Хайделбергския университет, използва за първи път термина "ензим", който идва от латинската дума fermentum, значение "в закваска". Производството на микробни ензими започва в Древна Гърция. Използвали са се за консервиране на храни и напитки.

През 1783 г. известният италиански католически свещеник Лацаро Спаланцани за първи път споменава значението на тази биомолекула в работата си върху биогенезата.

През 1812 г. Готлиб Сигизмунд Кирхоф изследва процедурата за превръщане на нишестето в глюкоза. В своя експеримент той подчертава използването на ензими като катализатор.

През 1833 г. френският химик Анселм Пайен открива първия ензим - диастаза.

няколко десетилетия по-късно, през 1862 г., Луи Пастьор, който изследва ферментацията на захар в алкохол, стига до заключението, че тя се катализира от жизнената сила, съдържаща се в клетките на дрождите.

Биомолекулите, които се срещат в природата, са били широко използвани от древни времена за производството на продукти като лен, кожа и индиго. Всички тези процеси са причинени от микроорганизми, произвеждащи ензими.

Значението на

Ензимите са необходими за улесняване на химичните реакции. Ролята им в жизнената дейност на микроорганизмите е много важна. Състои се от метаболитни процеси, дишане, храносмилане и други жизненоважни дейности. Когато ензимите функционират правилно, се поддържа хомеостазата. Друга роля на ензимите в микроорганизмите е да ускоряват метаболизма.

Специални характеристики

Свойствата на микробните ензими включват:

• термостабилност;
• термофилен характер;
• толерантност към променящия се диапазон на pH;
• стабилност на активността при промени в температурата и рН;
• Други строги условия на реакция.

Те се делят на термофилни, ацидофилни или алкалофилни. Микроорганизмите с термостабилни ензимни системи намаляват възможността за микробно замърсяване при широкомащабни промишлени реакции с голяма продължителност. Микробните ензими спомагат за увеличаване на масовия трансфер и намаляване на вискозитета на субстрата по време на процеса на хидролиза на суровини.

Класификация

Поради широкия спектър от дейности, основани на естеството на тяхната реакция, ензимите се класифицират според тяхната катализа:

1. оксидоредуктази. Реакциите на окисление включват прехвърляне на електрони от една молекула към друга. В биологичните системи това включва отстраняване на водород от субстрат.
2. Трансферази. Този клас ензими катализира прехвърлянето на групи атоми от една молекула в друга. Аминотрансферазите или трансаминазите улесняват прехвърлянето на аминогрупа от аминокиселина към алфа-оксикиселина.
3. Хидролази. Катализира хидролизата, разцепването на субстрати от вода. Реакциите включват разцепване на пептидни връзки в протеините, гликозидни връзки във въглехидратите и естерни връзки в липидите. По принцип по-големите молекули се разграждат на по-малки фрагменти.
4. Лиази. катализирано добавяне на групи към двойни връзки или образуване на втори връзки чрез отстраняване на първи връзки. Например пектат лиазите разцепват гликозидните връзки чрез бета-елиминиране.
5. Изомерази. Катализират преместването на групи от една позиция в друга в една и съща молекула. Променя структурата на субстрата, като пренарежда атомите му.
6. Лигази. Свързване на молекули с ковалентни връзки. Участва в биосинтетични реакции, при които се образуват нови свързващи групи. Такива реакции изискват енергия под формата на кофактори.

Приложения

Ферментацията се използва при приготвянето на много хранителни продукти. Използването на микробни ензими в хранително-вкусовата промишленост е дългогодишен процес. Широко използвани са следните видове

• Амилаза. Втечняване на нишестето, подобряване на качеството на хляба, избистряне на плодови сокове.
• Глюкоамилази. Производство на бира и сироп с високо съдържание на глюкоза и фруктоза.
• Протеаза. Омекотяване на месото, коагулация на млякото.
• Лактаза. Намаляване на непоносимостта към лактоза при хора, пребиотични хранителни добавки.
• Липаза. Производство на сирене Чедър.
• Фосфолипази. Производство на липолизирана млечна мазнина.
• Естераза. Подобряване на вкуса и аромата на плодов сок. Деестерификация на диетични фибри. Производство на късоверижни естери.
• Целулаза. Животински фуражи.
• Глюкозна оксидаза. Подобряване на срока на годност на храните.
• Laccases. Отстраняване на полифеноли от вино.
• Каталази. Съхраняване на храни. Премахване на водороден пероксид от млякото преди производството на сирене.
• Пероксидаза. Подобряване на вкуса, цвета и качеството на храната.

Протеаза

Протеазите, получени от микробни системи, биват три вида: киселинни, неутрални и алкални. Алкалните серинови протеази намират най-голямо приложение в биоиндустрията. Те имат висока активност и стабилност при анормални условия на екстремни физиологични параметри. Алкалните протеази имат много стабилна ензимна активност, когато се използват в детергенти. Те са намерили широко приложение в биоиндустрията:

• производство на детергенти;
• хранително-вкусовата промишленост;
• обработка на кожата;
• фармацевтични продукти;
• изследвания в областта на молекулярната биология и синтеза на пептиди.

Амилаза

Това е микробен ензим, който катализира разграждането на нишестето в захари. Открит и изолиран е от Анселм Пейен през 1833 г. Всички амилази са гликозидни хидролази. Те намират широко приложение в промишлеността и представляват почти 25 % от пазара на ензими. Използва се в отрасли като:

• преработка на храни;
• хлебопроизводство;
• хартиената и текстилната промишленост;
• Подсладители и плодови сокове;
• глюкозни и фруктозни сиропи;
• детергенти;
• Горивен етанол от нишесте;
• алкохолни напитки;
• помощ за храносмилането;
• препарат за отстраняване на петна при химическо чистене.

Използва се също в клиничната, медицинската и аналитичната химия.

Ксиланаза

Хемицелулозата е една от основните съставки на селскостопанските остатъци заедно с целулозата, лигнина и пектина. Ксиланът е неговият основен компонент. Значението на ксиланазата е нараснало значително поради биотехнологичните ѝ приложения за производство на пентози, пречистване на плодови сокове, подобряване на храносмилането и биоконверсия на лигноцелулозни селскостопански отпадъци в горива и химикали. Намира приложение в хранително-вкусовата, текстилната и хартиената промишленост, при управлението на селскостопански отпадъци, производството на етанол и фуражи за животни.

Lakkaza

Лигнинолитичните ензими са приложими при хидролизата на лигноцелулозни селскостопански остатъци, особено за разграждане на сложния и непредаваем компонент лигнин. Те са много гъвкави по природа и могат да се използват в редица промишлени процеси. Лигнолитичната ензимна система се използва за биобезцветяване на целулоза, както и в други отрасли, като стабилизиране на вино и плодови сокове, пране на деним, козметика и биосензори.

Липаза

Това е микробен ензим, който катализира разграждането и хидролизата на мазнини. Липазите са подклас на естеразите. Те играят важна роля в храносмилането, преноса и преработката на мазнини. Повечето липази участват в определена позиция върху глицероловия гръбнак на мастния субстрат, особено в тънките черва. Някои от тях се експресират от секретирани патогени по време на инфекциозно заболяване. Липазите се считат за основна група биотехнологично ценни ензими, главно поради техните универсални свойства и лесното им масово производство.

Приложения на липазата

Тези ензими участват в различни биологични процеси, вариращи от рутинния метаболизъм на триглицеридите в храната до предаването на сигнали и клетъчното възпаление. Някои липазни активности са ограничени до специфични отделения в клетките, докато други действат в извънклетъчните пространства

• Панкреатичните липази се отделят в извънклетъчните пространства, където служат за рециклиране на хранителните липиди в по-прости форми, които се пренасят в тялото.
• Улесняване на усвояването на хранителни вещества от външната среда.
• Повишената активност на липазата замества традиционните катализатори при преработката на биодизел.
• Използва се в области като продукти за печене, перилни препарати и като биокатализатори.
• В текстилната промишленост се използва за увеличаване на абсорбиращата способност на тъканите и равномерността при боядисване.
• За модифициране на вкуса на храните чрез синтез на естери на късоверижни мастни киселини и алкохоли.
• Наличието или високите нива на липаза могат да показват специфична инфекция или заболяване и могат да се използват като диагностичен инструмент.
• Може да има бактерициден ефект. Може да се използва при лечение на злокачествени тумори.
• Козметичните и фармацевтичните продукти (продукти за грижа за кожата) са от голямо търговско значение, препарати за къдрене коса).