Ensüümid on biokatalüsaatorid, mis mängivad olulist rolli ainevahetuse ja biokeemiliste reaktsioonide kõikides etappides. Need pakuvad erilist huvi ja neid kasutatakse orgaaniliste katalüsaatoritena paljudes tööstuslikes protsessides. See artikkel annab ülevaate mikroobsetest ensüümidest ja nende klassifikatsioonist.
Sissejuhatus
Erinevad biotööstused vajavad substraatide ja toorainete töötlemisel spetsiifiliste omadustega ensüüme. Mikroobsed ensüümid toimivad biokatalüsaatoritena, et viia reaktsioonid bioloogilistes protsessides läbi ökonoomsel ja keskkonnasõbralikul viisil võrreldes keemiliste katalüsaatorite kasutamisega. Nende eriomadusi kasutatakse kaubanduslikes huvides ja tööstuslikes rakendustes. Ensüümid on väga spetsiifilised, katalüüsivad umbes 4000 biokeemilist reaktsiooni. Nobeli preemia laureaat Emil Fischer arvas, et see on tingitud sellest, et nii ensüümil kui ka substraadil on spetsiifilised üksteist täiendavad geomeetriad, mis on täpseltsobivad üksteisega kokku.
Definitsioon
Ensüümid on suured bioloogilised molekulid, mis vastutavad kõigi nende oluliste keemiliste vahetuste eest, mis on vajalikud elu säilitamiseks. Need on väga selektiivsed katalüsaatorid, mis võivad oluliselt kiirendada nii metaboolsete reaktsioonide kiirust kui ka spetsiifilisust, mis ulatuvad toidu seedimisest DNA sünteesini. Kõik neis toimuvad ainevahetusprotsessid sõltuvad sellest, millised ensüümid mikroorganismide rakkudes moodustuvad.
Ajalugu
Aastal 1877 kasutas Heidelbergi ülikooli füsioloogiaprofessor Wilhelm Friedrich Kuehne esmakordselt terminit "ensüüm", mis tuleneb ladinakeelsest sõnast fermentum, mis tähendab "juuretises". Mikroorganismide ensüümide hankimine algas Vana-Kreekas. Neid kasutati toidu ja joogi säilitamiseks.
Aastal 1783 mainis kuulus Itaalia katoliku preester Lazzaro Spallanzani esimest korda selle biomolekuli tähtsust oma biogeneesialases töös.
Aastal 1812 uuris Gottlieb Sigismund Kirchhoff tärklise glükoosiks muutmise protseduuri. Oma katses tõstab ta esile ensüümide kasutamist katalüsaatorina.
Aastal 1833 avastas prantsuse keemik Anselm Payen esimese ensüümi diastaasi.
Aastakümneid hiljem, 1862. aastal, uurides suhkru kääritamist alkoholiks, jõudis Louis Pasteur järeldusele, et seda katalüüsis pärmirakkudes sisalduv elujõud.
Looduses leiduvad biomolekulidon iidsetest aegadest laialdaselt kasutatud selliste toodete valmistamisel nagu lina, nahk ja indigo. Kõiki neid protsesse põhjustasid mikroorganismid – ensüümitootjad.
Tähendus
Keemiliste reaktsioonide hõlbustamiseks on vaja ensüüme. Nende roll mikroorganismide elus on väga oluline. See seisneb ainevahetusprotsesside, hingamise, seedimise ja muude eluviiside tagamises. Kui ensüümid toimivad korralikult, säilib homöostaas. Ensüümide teine roll mikroorganismides on ainevahetuse kiirendamine.
Erifunktsioonid
Mikroorganismide ensüümide omadused on järgmised:
- kuumakindlus;
- termofiilne olemus;
- taluvus muutuva pH-vahemiku suhtes;
- tegevuse stabiilsus temperatuuri ja pH muutmisel;
- muud ranged reaktsioonitingimused.
Neid klassifitseeritakse termofiilseteks, atsidofiilseteks või leeliselisteks. Termostabiilsete ensüümsüsteemidega mikroorganismid vähendavad mikroobse saastumise võimalust ulatuslikes pikaajalistes tööstusreaktsioonides. Mikroobsed ensüümid aitavad suurendada massiülekannet ja vähendada substraadi viskoossust tooraine hüdrolüüsiprotsessi ajal.
Klassifikatsioon
Ensüümid klassifitseeritakse nende reaktsiooni laadil põhinevate tegevuste laia valiku tõttu katalüüsi järgi:
- Oksidoreduktaasid. Oksüdatsioonireaktsioonid hõlmavad elektronide ülekandmist ühest molekulistteisele. Bioloogilistes süsteemides on see vesiniku eemaldamine substraadist.
- Ülekanded. See ensüümide klass katalüüsib aatomirühmade üleminekut ühest molekulist teise. Aminotransferaasid või transaminaasid hõlbustavad aminorühma ülekandmist aminohappelt alfa-oksohappeks.
- Hüdrolaasid. Katalüüsib hüdrolüüsi, substraatide lõhestamist veega. Reaktsioonid hõlmavad peptiidsidemete lõhustamist valkudes, glükosiidsidemeid süsivesikutes ja estersidemeid lipiidides. Üldiselt lagunevad suuremad molekulid väiksemateks fragmentideks.
- Liase. Katalüüsige rühmade lisamist kaksiksidemetele või viimaste moodustumist, eemaldades esimesed. Näiteks pektaatlüaasid lõhustavad glükosiidsidemeid beeta eliminatsiooni teel.
- Isomeraasid. Nad katalüüsivad rühmade ülekandmist ühest positsioonist teise samas molekulis. Muutke substraadi struktuuri, paigutades ümber selle aatomid.
- Ligases. Ühendage molekulid omavahel kovalentsete sidemetega. Nad osalevad biosünteetilistes reaktsioonides, kus moodustuvad uued siderühmad. Sellised reaktsioonid nõuavad energia sisestamist kofaktorite kujul.
Rakendus
Kääritamist kasutatakse paljude toitude valmistamisel. Mikroobsete ensüümide kasutamine toiduainetööstuses on pikaajaline protsess. Laialdaselt kasutatakse järgmisi tüüpe:
- Amülaas. Tärklise vedeldamine, leiva kvaliteedi parandamine, puuviljamahlade selitamine.
- Glükoamülaasid. Kõrge glükoosi- ja fruktoosisisaldusega õlle ja siirupite tootmine.
- Proteaas. Tendereerimineliha, piima hüübimine.
- Laktaas. Laktoositalumatuse vähendamine inimestel, prebiootilised toidulisandid.
- Lipaas. Cheddari juustu tootmine.
- Fosfolipaasid. Lipolüüsitud piimarasva tootmine.
- Esterase. Puuviljamahla maitse ja aroomi parandamine. Toidukiudude desesterdamine. Lühikese ahelaga estrite tootmine.
- Tsellulaasid. Loomasööt.
- Glükoosi oksüdaas. Toidu säilivusaja parandamine.
- Laccases. Polüfenoolide eemaldamine veinist.
- Katalaasid. Toidu säilitamine. Vesinikperoksiidi eemaldamine piimast enne juustu tootmist.
- Peroksidaas. Toidu maitse, värvi ja kvaliteedi arendamine.
Proteaas
Mikroobsetest süsteemidest saadud proteaase on kolme tüüpi: happelised, neutraalsed ja aluselised. Aluselised seriinproteaasid on biotööstuses kõige populaarsemad. Neil on kõrge aktiivsus ja stabiilsus äärmuslike füsioloogiliste parameetrite ebanormaalsetes tingimustes. Leeliselistel proteaasidel on pesuvahendites kasutamisel kõrge ensümaatilise aktiivsuse stabiilsus. Nad on leidnud laialdast rakendust biotööstuses:
- pesupulbrite tootmine;
- toidutööstus;
- nahatöötlus;
- farmaatsiatooted;
- molekulaarbioloogia ja peptiidide sünteesi alased uuringud.
Amülaas
See on mikroorganismide ensüüm, mis katalüüsib tärklise lagunemist suhkruteks. Ta oliavastas ja eraldas Anselm Peyen 1833. aastal. Kõik amülaasid on glükosiidhüdrolaasid. Neid kasutatakse laialdaselt tööstuses ja need moodustavad peaaegu 25% ensüümide turust. Kasutatakse sellistes tööstusharudes nagu:
- toit;
- pagariäri;
- paber ja tekstiil;
- magusained ja puuviljamahlad;
- glükoosi- ja fruktoosisiirupid;
- pesuvahendid;
- kütuseks tärklisest saadud etanooli;
- alkohoolsed joogid;
- seedeabi;
- plekieemaldaja keemilises puhastuses.
Kasutatakse ka kliinilises, meditsiinilises ja analüütilises keemias.
Ksülanaas
Hemitselluloos on koos tselluloosi, ligniini ja pektiiniga üks peamisi põllumajandusjääkide koostisosi. Ksülaan on selle põhikomponent. Ksülanaasi tähtsus on oluliselt suurenenud tänu selle biotehnoloogilistele rakendustele pentoosi tootmiseks, puuviljamahlade puhastamiseks, seedimise parandamiseks ning lignotselluloossete põllumajandusjäätmete biokonversiooniks kütusteks ja kemikaalideks. See on leidnud oma rakenduse toiduaine-, tekstiili- ning tselluloosi- ja paberitööstuses, põllumajandusjäätmete kõrvaldamises, etanooli tootmises ja loomasöödas.
Laccase
Liginolüütilised ensüümid on kasulikud lignotselluloosi põllumajandusjääkide hüdrolüüsil, eriti kompleksse ja mittepumpava ligniini lagunemisel. Need on oma olemuselt väga mitmekülgsed ja neid saab kasutada paljudes tööstuslikes protsessides. Lignolüütilist ensüümisüsteemi kasutatakse tselluloosi biovärvide eemaldamisel ja muudes tööstusharudes, nagu veini ja puuviljamahla stabiliseerimine, teksapesu, kosmeetika ja biosensorid.
Lipaas
See on mikroorganismide ensüüm, mis katalüüsib rasvade lagunemist ja hüdrolüüsi. Lipaasid on esteraaside alamklass. Nad mängivad olulist rolli rasvade seedimisel, transpordil ja töötlemisel. Enamik lipaase on seotud rasvsubstraadi glütserooli selgroo teatud positsiooniga, eriti peensooles. Mõnda neist ekspresseerivad sekreteeritud patogeensed organismid nakkushaiguse ajal. Lipaase peetakse biotehnoloogiliselt väärtuslike ensüümide peamiseks rühmaks, seda peamiselt nende rakendatavate omaduste mitmekülgsuse ja masstootmise lihtsuse tõttu.
Lipaasi pealekandmine
Need ensüümid osalevad mitmesugustes bioloogilistes protsessides, alates rutiinsest triglütseriidide metabolismist toidus kuni signaalide ja rakupõletikuni. Mõned lipaasi aktiivsused on piiratud teatud osadega rakkudes, teised aga rakuvälistes ruumides:
- Pankrease lipaasid erituvad rakuvälistesse ruumidesse, kus nende ülesandeks on muuta toidu lipiidid lihtsamateks vormideks, mida transporditakse kogu kehas.
- Hõlbustada toitainete imendumist keskkonnast.
- Lipaasi aktiivsuse suurenemine asendabtavalised katalüsaatorid biodiisli töötlemisel.
- Kasutatakse sellistes rakendustes nagu küpsetamine, pesupesemisvahendid, biokatalüsaatoritena.
- Tekstiilitööstuses kasutatakse seda kanga imavuse ja ühtluse suurendamiseks värvimisel.
- Toidu maitse muutmiseks lühikese ahelaga rasvhapete ja alkoholide estrite sünteesimise teel.
- Lipaaside olemasolu või kõrge tase võib viidata konkreetsele infektsioonile või haigusele ja seda saab kasutada diagnostikavahendina.
- Oma bakteritsiidse toimega. Võib kasutada pahaloomuliste kasvajate ravis.
- Oma suurt kaubanduslikku väärtust kosmeetika- ja farmaatsiatoodetes (nahahooldustooted, juukserullid).
