Enzymer er biokatalysatorer, der spiller en vigtig rolle i alle stadier af metabolisme og biokemiske reaktioner. De er af særlig interesse og anvendes som organiske katalysatorer i talrige processer i industriel skala. Denne artikel giver et overblik over mikrobielle enzymer og deres klassificering.
Introduktion
Forskellige bioindustrier kræver enzymer med specifikke egenskaber til deres brug i behandlingen af substrater og råmaterialer. Mikrobielle enzymer fungerer som biokatalysatorer til at udføre reaktioner i biologiske processer på en økonomisk og miljøvenlig måde sammenlignet med brugen af kemiske katalysatorer. Deres særlige karakteristika bruges til kommerciel interesse og industrielle applikationer. Enzymer er meget specifikke, de katalyserer omkring 4000 biokemiske reaktioner. Nobelpristageren Emil Fischer foreslog, at det skyldes, at både enzymet og substratet har specifikke komplementære geometrier, der er præcistpasser ind i hinanden.
Definition
Enzymer er store biologiske molekyler, der er ansvarlige for alle de vigtige kemiske udvekslinger, der er nødvendige for at opretholde liv. De er meget selektive katalysatorer, der i høj grad kan accelerere både hastigheden og specificiteten af metaboliske reaktioner, der spænder fra madfordøjelse til DNA-syntese. Alle metaboliske processer, der forekommer i dem, afhænger af, hvilke enzymer der dannes i mikroorganismernes celler.
Historie
I 1877 brugte Wilhelm Friedrich Kuehne, professor i fysiologi ved universitetet i Heidelberg, først udtrykket "enzym", som kommer fra det latinske ord fermentum, der betyder "i surdej". At opnå enzymer af mikroorganismer begyndte i det antikke Grækenland. De blev brugt til at konservere mad og drikke.
I 1783 nævnte den berømte italienske katolske præst Lazzaro Spallanzani første gang vigtigheden af dette biomolekyle i sit arbejde med biogenese.
I 1812 undersøgte Gottlieb Sigismund Kirchhoff proceduren til at omdanne stivelse til glucose. I sit eksperiment fremhæver han brugen af enzymer som katalysator.
I 1833 opdagede den franske kemiker Anselm Payen det første enzym, diastase.
Tiår senere, i 1862, mens han studerede gæringen af sukker til alkohol, kom Louis Pasteur til den konklusion, at det var katalyseret af den livskraft, der var indeholdt i gærcellerne.
Biomolekyler fundet i naturenhar været meget brugt siden oldtiden til fremstilling af produkter som linned, læder og indigo. Alle disse processer var forårsaget af mikroorganismer - enzymproducenter.
Meaning
Enzymer er nødvendige for at lette kemiske reaktioner. Deres rolle i mikroorganismers liv er meget vigtig. Det består i at sikre metaboliske processer, respiration, fordøjelse og andre former for liv. Når enzymer fungerer korrekt, opretholdes homeostase. En anden rolle for enzymer i mikroorganismer er at fremskynde stofskiftet.
Særlige funktioner
Mikroorganismens enzymegenskaber omfatter:
- varmemodstand;
- termofil natur;
- tolerance over for skiftende pH-område;
- aktivitetsstabilitet ved ændring af temperaturer og pH;
- andre stringente reaktionsbetingelser.
De er klassificeret som termofile, acidofile eller alkalifile. Mikroorganismer med termostabile enzymsystemer reducerer muligheden for mikrobiel kontaminering i industrielle reaktioner i stor skala af lang varighed. Mikrobielle enzymer hjælper med at øge masseoverførslen og reducere substratets viskositet under hydrolyseprocessen af råmaterialet.
Klassificering
På grund af den brede vifte af aktiviteter baseret på arten af deres reaktion, klassificeres enzymer efter katalyse:
- Oxidoreduktaser. Oxidationsreaktioner involverer overførsel af elektroner fra et enkelt molekyletil en anden. I biologiske systemer er dette fjernelse af brint fra substratet.
- Overførsler. Denne klasse af enzymer katalyserer overførslen af grupper af atomer fra et molekyle til et andet. Aminotransferaser eller transaminaser letter overførslen af en aminogruppe fra en aminosyre til en alfa-oxosyre.
- Hydrolaser. Katalysér hydrolyse, sp altning af substrater med vand. Reaktionerne omfatter sp altning af peptidbindinger i proteiner, glykosidbindinger i kulhydrater og esterbindinger i lipider. Generelt nedbrydes større molekyler til mindre fragmenter.
- Liase. Katalysér tilføjelsen af grupper til dobbeltbindinger eller dannelsen af sidstnævnte ved at fjerne førstnævnte. For eksempel sp alter pectatlyaser glykosidbindinger ved beta-eliminering.
- Isomeraser. De katalyserer overførslen af grupper fra en position til en anden i det samme molekyle. Ændre strukturen af substratet ved at omarrangere dets atomer.
- Ligases. Forbind molekyler sammen med kovalente bindinger. De deltager i biosyntetiske reaktioner, hvor nye bindingsgrupper dannes. Sådanne reaktioner kræver tilførsel af energi i form af cofaktorer.
Application
Fermentering bruges til tilberedning af mange fødevarer. Brugen af mikrobielle enzymer i fødevareindustrien er en langvarig proces. Følgende typer er meget udbredt:
- Amylase. Flydende stivelse, forbedring af brødkvaliteten, klaring af frugtjuice.
- Glucoamylaser. Produktion af øl og sirupper med højt indhold af glukose og fruktose.
- Protease. Mørningkød, mælkekoagulering.
- Lactase. Reduktion af laktoseintolerance hos mennesker, præbiotiske kosttilskud.
- Lipase. Produktion af cheddarost.
- Phospholipases. Produktion af lipolyseret mælkefedt.
- Esterase. Forbedring af smag og aroma i frugtjuice. Deesterificering af kostfibre. Produktion af kortkædede estere.
- Cellulaser. Dyrefoder.
- Glucoseoxidase. Forbedrer fødevarernes holdbarhed.
- Laccases. Fjernelse af polyfenoler fra vin.
- Catalases. Fødevarekonservering. Fjernelse af hydrogenperoxid fra mælk før osteproduktion.
- Peroxidase. Udvikling af smag, farve og kvalitet af mad.
Protease
Proteaser afledt af mikrobielle systemer er af tre typer: sure, neutrale og alkaliske. Alkaliske serinproteaser har den største anvendelse i bioindustrien. De har høj aktivitet og stabilitet under unormale forhold med ekstreme fysiologiske parametre. Alkaliske proteaser har egenskaben af høj stabilitet af enzymatisk aktivitet, når de anvendes i detergenter. De har fundet bred anvendelse i bioindustrien:
- produktion af vaskepulver;
- fødevareindustrien;
- læderbehandling;
- pharmaceuticals;
- forskning i molekylærbiologi og peptidsyntese.
Amylase
Dette er et enzym af mikroorganismer, der katalyserer nedbrydningen af stivelse til sukker. Han varopdaget og isoleret af Anselm Peyen i 1833. Alle amylaser er glycosidhydrolaser. De er meget udbredt i industrien og tegner sig for næsten 25% af enzymmarkedet. Anvendes i industrier som:
- mad;
- bageri;
- papir og tekstil;
- sødemidler og frugtjuice;
- glukose- og fruktosesirup;
- vaskemidler;
- brændstofethanol fra stivelse;
- alkoholiske drikkevarer;
- fordøjelseshjælp;
- pletfjerner i renseri.
Anvendes også i klinisk, medicinsk og analytisk kemi.
Xylanase
Hemicellulose er en af hovedbestanddelene i landbrugsrester sammen med cellulose, lignin og pektin. Xylan er dens hovedkomponent. Betydningen af xylanase er steget betydeligt på grund af dets bioteknologiske anvendelser til fremstilling af pentose, rensning af frugtjuice, forbedring af fordøjelsen og biokonvertering af lignocelluloseholdigt landbrugsaffald til brændstoffer og kemikalier. Det har fundet sin anvendelse i fødevare-, tekstil- og papirmasse- og papirindustrien, bortskaffelse af landbrugsaffald, ethanolproduktion og dyrefoder.
Laccase
Liginolytiske enzymer er nyttige i hydrolyse af lignocelluloseholdige landbrugsrester, især til nedbrydning af den komplekse og ikke-pumpende bestanddel lignin. De er meget alsidige og kan bruges i en række industrielle processer. Det lignolytiske enzymsystem bruges i bioaffarvning af cellulose og andre industrier, såsom stabilisering af vin og frugtjuice, hvidvaskning af denim, kosmetik og biosensorer.
Lipase
Dette er et enzym af mikroorganismer, der katalyserer nedbrydning og hydrolyse af fedtstoffer. Lipaser er en underklasse af esteraser. De spiller en væsentlig rolle i fordøjelse, transport og forarbejdning af fedtstoffer. De fleste af lipaserne er involveret i en bestemt position på glycerolrygraden af fedtsubstratet, især i tyndtarmen. Nogle af dem udtrykkes af udskilte patogene organismer under en infektionssygdom. Lipaser betragtes som hovedgruppen af bioteknologisk værdifulde enzymer, hovedsageligt på grund af alsidigheden af deres anvendte egenskaber og let masseproduktion.
Lipase-applikation
Disse enzymer er involveret i en række biologiske processer, lige fra rutinemæssig triglyceridmetabolisme i kosten til signalering og cellebetændelse. Nogle lipaseaktiviteter er begrænset til visse rum i celler, mens andre arbejder i ekstracellulære rum:
- Bugspytkirtellipaser udskilles i ekstracellulære rum, hvor de tjener til at omdanne diætlipider til enklere former, der transporteres gennem hele kroppen.
- Let optagelsen af næringsstoffer fra miljøet.
- Øget lipaseaktivitet erstatterkonventionelle katalysatorer i biodieselbehandling.
- Bruges i applikationer såsom bagning, vaskemidler, som biokatalysatorer.
- I tekstilindustrien bruges det til at øge stoffets sugeevne og jævnhed ved farvning.
- At modificere madsmag ved at syntetisere estere af kortkædede fedtsyrer og alkoholer.
- Tilstedeværelsen eller høje niveauer af lipaser kan indikere en specifik infektion eller sygdom og kan bruges som et diagnostisk værktøj.
- Har en bakteriedræbende effekt. Kan bruges til behandling af ondartede tumorer.
- Har stor kommerciel værdi inden for kosmetik og farmaceutiske produkter (hudplejeprodukter, krøllere).
