Enzýmy sú biokatalyzátory, ktoré hrajú dôležitú úlohu vo všetkých štádiách metabolizmu a biochemických reakcií. Sú mimoriadne zaujímavé a používajú sa ako organické katalyzátory v mnohých procesoch v priemyselnom meradle. Tento článok poskytuje prehľad mikrobiálnych enzýmov a ich klasifikáciu.
Úvod
Rôzne biopriemysly vyžadujú enzýmy so špecifickými vlastnosťami na ich použitie pri spracovaní substrátov a surovín. Mikrobiálne enzýmy pôsobia ako biokatalyzátory na uskutočňovanie reakcií v biologických procesoch ekonomickým a ekologickým spôsobom v porovnaní s použitím chemických katalyzátorov. Ich špeciálne vlastnosti sa využívajú v komerčných a priemyselných aplikáciách. Enzýmy sú veľmi špecifické, katalyzujú asi 4000 biochemických reakcií. Laureát Nobelovej ceny Emil Fischer naznačil, že je to preto, že enzým aj substrát majú špecifické komplementárne geometrie, ktoré sú presnezapadajú do seba.
Definícia
Enzýmy sú veľké biologické molekuly zodpovedné za všetky tie dôležité chemické výmeny, ktoré sú nevyhnutné na udržanie života. Sú to vysoko selektívne katalyzátory, ktoré môžu výrazne urýchliť rýchlosť a špecifickosť metabolických reakcií, ktoré siahajú od trávenia potravy až po syntézu DNA. Všetky metabolické procesy v nich prebiehajúce závisia od toho, aké enzýmy sa tvoria v bunkách mikroorganizmov.
História
V roku 1877 Wilhelm Friedrich Kuehne, profesor fyziológie na univerzite v Heidelbergu, prvýkrát použil termín „enzým“, ktorý pochádza z latinského slova fermentum, čo znamená „v kvase“. Získavanie enzýmov mikroorganizmov sa začalo v starovekom Grécku. Používali sa na konzervovanie jedla a nápojov.
V roku 1783 sa slávny taliansky katolícky kňaz Lazzaro Spallanzani prvýkrát zmienil o význame tejto biomolekuly vo svojej práci o biogenéze.
V roku 1812 Gottlieb Sigismund Kirchhoff skúmal postup premeny škrobu na glukózu. Vo svojom experimente zdôrazňuje použitie enzýmov ako katalyzátora.
V roku 1833 objavil francúzsky chemik Anselm Payen prvý enzým, diastázu.
O desaťročia neskôr, v roku 1862, Louis Pasteur pri štúdiu fermentácie cukru na alkohol dospel k záveru, že to bolo katalyzované životnou silou obsiahnutou v kvasinkových bunkách.
Biomolekuly nachádzajúce sa v prírodesa od staroveku široko používajú pri výrobe produktov, ako je plátno, koža a indigo. Všetky tieto procesy spôsobili mikroorganizmy - výrobcovia enzýmov.
Význam
Enzýmy sú potrebné na uľahčenie chemických reakcií. Ich úloha v živote mikroorganizmov je veľmi dôležitá. Spočíva v zabezpečení metabolických procesov, dýchania, trávenia a iných druhov života. Keď enzýmy fungujú správne, homeostáza je zachovaná. Ďalšou úlohou enzýmov v mikroorganizmoch je urýchliť metabolizmus.
Špeciálne funkcie
Vlastnosti enzýmov mikroorganizmov zahŕňajú:
- tepelná odolnosť;
- termofilná povaha;
- tolerancia na meniaci sa rozsah pH;
- stabilita aktivity pri zmene teplôt a pH;
- iné prísne reakčné podmienky.
Sú klasifikované ako termofilné, acidofilné alebo zásadité. Mikroorganizmy s termostabilnými enzýmovými systémami znižujú možnosť mikrobiálnej kontaminácie vo veľkých priemyselných reakciách s dlhým trvaním. Mikrobiálne enzýmy pomáhajú zvyšovať prenos hmoty a znižovať viskozitu substrátu počas procesu hydrolýzy suroviny.
Klasifikácia
Vzhľadom na široký rozsah aktivít založených na povahe ich reakcie sú enzýmy klasifikované podľa katalýzy:
- Oxidoreduktázy. Oxidačné reakcie zahŕňajú prenos elektrónov z jednej molekulyinému. V biologických systémoch ide o odstránenie vodíka zo substrátu.
- Transferázy. Táto trieda enzýmov katalyzuje prenos skupín atómov z jednej molekuly do druhej. Aminotransferázy alebo transaminázy uľahčujú prenos aminoskupiny z aminokyseliny na alfa-oxokyselinu.
- Hydrolázy. Katalyzujte hydrolýzu, štiepenie substrátov vodou. Reakcie zahŕňajú štiepenie peptidových väzieb v proteínoch, glykozidických väzieb v sacharidoch a esterových väzieb v lipidoch. Vo všeobecnosti sa väčšie molekuly rozpadajú na menšie fragmenty.
- Liase. Katalyzujte adíciu skupín k dvojitým väzbám alebo ich tvorbu odstránením prvých. Napríklad pektátové lyázy štiepia glykozidické väzby beta elimináciou.
- Izomerázy. Katalyzujú prenos skupín z jednej polohy do druhej v tej istej molekule. Zmeňte štruktúru substrátu a preusporiadajte jeho atómy.
- Ligases. Spojte molekuly kovalentnými väzbami. Zúčastňujú sa biosyntetických reakcií, kde vznikajú nové väzbové skupiny. Takéto reakcie vyžadujú vstup energie vo forme kofaktorov.
Aplikácia
Fermentácia sa používa pri príprave mnohých jedál. Používanie mikrobiálnych enzýmov v potravinárskom priemysle je dlhodobý proces. Nasledujúce typy sú široko používané:
- Amyláza. Skvapalnenie škrobu, zlepšenie kvality chleba, čírenie ovocných štiav.
- Glukoamylázy. Výroba piva a sirupov s vysokým obsahom glukózy a fruktózy.
- Proteáza. Výberové konaniemäso, zrážanie mlieka.
- Laktáza. Zníženie intolerancie laktózy u ľudí, prebiotické výživové doplnky.
- Lipasa. Výroba syra čedar.
- Fosfolipázy. Výroba lipolyzovaného mliečneho tuku.
- Esteráza. Zlepšenie chuti a vône v ovocnej šťave. Deesterifikácia vlákniny. Výroba esterov s krátkym reťazcom.
- Celulázy. Krmivo pre zvieratá.
- Glukózooxidáza. Zlepšenie trvanlivosti potravín.
- Laccases. Odstránenie polyfenolov z vína.
- Katalázy. Konzervácia potravín. Odstránenie peroxidu vodíka z mlieka pred výrobou syra.
- Peroxidáza. Vývoj chuti, farby a kvality potravín.
Proteáza
Proteázy odvodené z mikrobiálnych systémov sú troch typov: kyslé, neutrálne a zásadité. Alkalické serínové proteázy majú najväčšie uplatnenie v biopriemysle. Majú vysokú aktivitu a stabilitu v abnormálnych podmienkach extrémnych fyziologických parametrov. Alkalické proteázy majú pri použití v detergentoch vlastnosť vysokej stability enzymatickej aktivity. Našli široké uplatnenie v biopriemysle:
- výroba pracích práškov;
- potravinársky priemysel;
- spracovanie kože;
- pharmaceuticals;
- výskum v molekulárnej biológii a syntéze peptidov.
Amyláza
Je to enzým mikroorganizmov, ktorý katalyzuje rozklad škrobu na cukry. Bolobjavil a izoloval Anselm Peyen v roku 1833. Všetky amylázy sú glykozidové hydrolázy. Sú široko používané v priemysle a predstavujú takmer 25 % trhu s enzýmami. Používa sa v odvetviach ako:
- jedlo;
- bakery;
- papier a textil;
- sladidlá a ovocné šťavy;
- glukózové a fruktózové sirupy;
- detergenty;
- palivo etanol zo škrobov;
- alkoholické nápoje;
- podpora trávenia;
- odstraňovač škvŕn pri chemickom čistení.
Používa sa aj v klinickej, lekárskej a analytickej chémii.
Xylanáza
Hemicelulóza je spolu s celulózou, lignínom a pektínom jednou z hlavných zložiek poľnohospodárskych zvyškov. Xylan je jeho hlavnou zložkou. Význam xylanázy výrazne vzrástol v dôsledku jej biotechnologických aplikácií na výrobu pentózy, čistenie ovocných štiav, zlepšenie trávenia a biokonverziu lignocelulózového poľnohospodárskeho odpadu na palivá a chemikálie. Svoje uplatnenie našiel v potravinárskom, textilnom a celulózo-papierenskom priemysle, likvidácii poľnohospodárskeho odpadu, výrobe etanolu a kŕmení zvierat.
Laccase
Liginolytické enzýmy sú užitočné pri hydrolýze lignocelulózových poľnohospodárskych zvyškov, najmä na degradáciu komplexnej a neprečerpávajúcej zložky lignínu. Sú svojou povahou veľmi všestranné a možno ich použiť v množstve priemyselných procesov. Lignolytický enzýmový systém sa používa pri bioodfarbovaní celulózy a iných priemyselných odvetviach, ako je stabilizácia vína a ovocných štiav, pranie denimu, kozmetika a biosenzory.
Lipasa
Je to enzým mikroorganizmov, ktorý katalyzuje rozklad a hydrolýzu tukov. Lipázy sú podtriedou esteráz. Majú významnú úlohu pri trávení, transporte a spracovaní tukov. Väčšina lipáz je zapojená v určitej polohe na glycerolovom hlavnom reťazci tukového substrátu, najmä v tenkom čreve. Niektoré z nich sú exprimované vylučovanými patogénnymi organizmami počas infekčného ochorenia. Lipázy sú považované za hlavnú skupinu biotechnologicky cenných enzýmov, najmä vďaka všestrannosti ich aplikovaných vlastností a ľahkej masovej výrobe.
Aplikácia lipázy
Tieto enzýmy sa podieľajú na rôznych biologických procesoch, od bežného metabolizmu triglyceridov v strave až po signalizáciu a zápal buniek. Niektoré aktivity lipázy sú obmedzené na určité kompartmenty v bunkách, zatiaľ čo iné fungujú v extracelulárnych priestoroch:
- Pankreatické lipázy sa vylučujú do extracelulárnych priestorov, kde slúžia na premenu lipidov v potrave na jednoduchšie formy, ktoré sú transportované do celého tela.
- Uľahčujú vstrebávanie živín z prostredia.
- Zvýšená aktivita lipázy nahrádzakonvenčné katalyzátory pri spracovaní bionafty.
- Používa sa v aplikáciách, ako je pečenie, pracie prostriedky, ako biokatalyzátory.
- V textilnom priemysle sa používa na zvýšenie savosti látky a rovnomernosti pri farbení.
- Upraviť chuť potravín syntetizáciou esterov mastných kyselín s krátkym reťazcom a alkoholov.
- Prítomnosť alebo vysoké hladiny lipáz môžu naznačovať špecifickú infekciu alebo ochorenie a možno ich použiť ako diagnostický nástroj.
- Má baktericídny účinok. Môže byť použitý pri liečbe zhubných nádorov.
- Majú veľkú obchodnú hodnotu v kozmetike a liečivách (výrobky na starostlivosť o pleť, natáčky na vlasy).
