Enzimi su biokatalizatori koji igraju važnu ulogu u svim fazama metabolizma i biokemijskih reakcija. Oni su od posebnog interesa i koriste se kao organski katalizatori u brojnim industrijskim procesima. Ovaj članak daje pregled mikrobnih enzima i njihovu klasifikaciju.
Uvod
Različite bioindustrije zahtijevaju enzime sa specifičnim karakteristikama za njihovu upotrebu u preradi supstrata i sirovina. Mikrobni enzimi djeluju kao biokatalizatori za provođenje reakcija u biološkim procesima na ekonomičan i ekološki prihvatljiv način u usporedbi s upotrebom kemijskih katalizatora. Njihove posebne karakteristike koriste se za komercijalne i industrijske primjene. Enzimi su vrlo specifični, kataliziraju oko 4000 biokemijskih reakcija. Nobelovac Emil Fischer sugerirao je da je to zato što i enzim i supstrat imaju specifične komplementarne geometrije koje su upravostanu jedno u drugo.
Definicija
Enzimi su velike biološke molekule odgovorne za sve one važne kemijske izmjene koje su neophodne za održavanje života. Oni su vrlo selektivni katalizatori koji mogu uvelike ubrzati i brzinu i specifičnost metaboličkih reakcija koje se kreću od probave hrane do sinteze DNK. Svi metabolički procesi koji se odvijaju u njima ovise o tome koji enzimi nastaju u stanicama mikroorganizama.
Povijest
Godine 1877. Wilhelm Friedrich Kuehne, profesor fiziologije na Sveučilištu u Heidelbergu, prvi je upotrijebio izraz "enzim", koji dolazi od latinske riječi fermentum, što znači "u kvascu". Dobivanje enzima mikroorganizama počelo je u staroj Grčkoj. Koristili su se za čuvanje hrane i pića.
Godine 1783., poznati talijanski katolički svećenik Lazzaro Spallanzani prvi je spomenuo važnost ove biomolekule u svom radu o biogenezi.
Gottlieb Sigismund Kirchhoff 1812. istražio je postupak pretvaranja škroba u glukozu. U svom eksperimentu ističe korištenje enzima kao katalizatora.
1833. godine francuski kemičar Anselm Payen otkrio je prvi enzim, dijastazu.
Desetljećima kasnije, 1862., proučavajući fermentaciju šećera u alkohol, Louis Pasteur je došao do zaključka da je katalizirana životna sila sadržana u stanicama kvasca.
Biomolekule pronađene u prirodinaširoko se koriste od davnina u proizvodnji proizvoda kao što su lan, koža i indigo. Sve ove procese izazvali su mikroorganizmi - proizvođači enzima.
Značenje
Enzimi su potrebni za olakšavanje kemijskih reakcija. Njihova uloga u životu mikroorganizama je vrlo važna. Sastoji se od osiguravanja metaboličkih procesa, disanja, probave i drugih vrsta života. Kada enzimi pravilno funkcioniraju, homeostaza se održava. Druga uloga enzima u mikroorganizmima je da ubrzaju metabolizam.
Posebne značajke
Svojstva enzima mikroorganizama uključuju:
- otpornost na toplinu;
- termofilna priroda;
- tolerancija na promjenu pH raspona;
- stabilnost aktivnosti pri promjeni temperature i pH;
- drugi strogi uvjeti reakcije.
Klasificiraju se kao termofilne, acidofilne ili alkalifilne. Mikroorganizmi s termostabilnim enzimskim sustavom smanjuju mogućnost mikrobne kontaminacije u velikim industrijskim reakcijama dugog trajanja. Mikrobni enzimi pomažu u povećanju prijenosa mase i smanjenju viskoznosti supstrata tijekom procesa hidrolize sirovine.
Klasifikacija
Zbog širokog spektra aktivnosti na temelju prirode njihove reakcije, enzimi se klasificiraju prema katalizi:
- Oksidoreduktaze. Reakcije oksidacije uključuju prijenos elektrona s jedne molekuledrugome. U biološkim sustavima to je uklanjanje vodika iz supstrata.
- Transferaze. Ova klasa enzima katalizira prijenos skupina atoma s jedne molekule na drugu. Aminotransferaze ili transaminaze olakšavaju prijenos amino skupine iz aminokiseline u alfa-okso kiselinu.
- Hidrolaze. Katalizirati hidrolizu, cijepanje supstrata s vodom. Reakcije uključuju cijepanje peptidnih veza u proteinima, glikozidnih veza u ugljikohidratima i esterskih veza u lipidima. Općenito, veće molekule se raspadaju u manje fragmente.
- Liase. Katalizirati dodavanje skupina dvostrukim vezama ili stvaranje potonjih uklanjanjem prvih. Na primjer, pektatne liaze cijepaju glikozidne veze beta eliminacijom.
- Izomeraze. Oni kataliziraju prijenos skupina s jednog položaja na drugi u istoj molekuli. Promijenite strukturu supstrata, preuredite njegove atome.
- Ligaze. Povežite molekule zajedno kovalentnim vezama. Sudjeluju u biosintetskim reakcijama, gdje nastaju nove skupine veza. Takve reakcije zahtijevaju unos energije u obliku kofaktora.
Prijava
Fermentacija se koristi u pripremi mnogih namirnica. Korištenje mikrobnih enzima u prehrambenoj industriji je dugotrajan proces. Sljedeće vrste se široko koriste:
- Amilaza. Ukapljivanje škroba, poboljšanje kvalitete kruha, bistrenje voćnih sokova.
- Glukoamilaze. Proizvodnja piva i sirupa s visokim sadržajem glukoze i fruktoze.
- Proteaza. Tenderizacijakoagulacija mesa, mlijeka.
- Laktaza. Smanjenje netolerancije na laktozu kod ljudi, prebiotski dodaci prehrani.
- Lipaza. Proizvodnja cheddar sira.
- fosfolipaze. Proizvodnja lipolizirane mliječne masti.
- Esterase. Poboljšanje okusa i arome voćnog soka. Deesterifikacija dijetalnih vlakana. Proizvodnja kratkolančanih estera.
- Celulaze. Hrana za životinje.
- Glukoza oksidaza. Produžavanje roka trajanja hrane.
- Laccases. Uklanjanje polifenola iz vina.
- Katalaze. Očuvanje hrane. Uklanjanje vodikovog peroksida iz mlijeka prije proizvodnje sira.
- Peroksidaza. Razvoj okusa, boje i kvalitete hrane.
Proteaza
Proteaze dobivene iz mikrobnih sustava su tri vrste: kisele, neutralne i alkalne. Alkalne serinske proteaze imaju najveću primjenu u bioindustriji. Imaju visoku aktivnost i stabilnost u abnormalnim uvjetima ekstremnih fizioloških parametara. Alkalne proteaze imaju svojstvo visoke stabilnosti enzimske aktivnosti kada se koriste u deterdžentima. Našli su široku primjenu u bioindustriji:
- proizvodnja prašaka za pranje rublja;
- prehrambena industrija;
- prerada kože;
- farmaceutika;
- istraživanje u molekularnoj biologiji i sintezi peptida.
amilaza
Ovo je enzim mikroorganizama koji katalizira razgradnju škroba u šećere. One je biootkrio i izolirao Anselm Peyen 1833. Sve amilaze su glikozidne hidrolaze. Oni se široko koriste u industriji i čine gotovo 25% tržišta enzima. Koristi se u industrijama kao što su:
- hrana;
- pekara;
- papir i tekstil;
- zaslađivači i voćni sokovi;
- glukozni i fruktozni sirupi;
- deterdženti;
- gorivo etanol iz škroba;
- alkoholna pića;
- pomoć za probavu;
- odstranjivač mrlja u kemijskom čišćenju.
Također se koristi u kliničkoj, medicinskoj i analitičkoj kemiji.
ksilanaza
Hemiceluloza je jedan od glavnih sastojaka poljoprivrednih ostataka zajedno s celulozom, ligninom i pektinom. Xylan je njegova glavna komponenta. Važnost ksilanaze značajno je porasla zbog njezine biotehnološke primjene za proizvodnju pentoze, pročišćavanje voćnih sokova, poboljšanje probave i biokonverzije lignoceluloznog poljoprivrednog otpada u goriva i kemikalije. Našao je svoju primjenu u prehrambenoj, tekstilnoj i industriji celuloze i papira, zbrinjavanju poljoprivrednog otpada, proizvodnji etanola i stočnoj hrani.
Laccase
Liginolitički enzimi korisni su u hidrolizi lignoceluloznih poljoprivrednih ostataka, posebno za razgradnju složenog i ne-pumpajućeg sastavnog lignina. Vrlo su svestrane prirode i mogu se koristiti u brojnim industrijskim procesima. Sustav lignolitičkih enzima koristi se u biodekoloraciji celuloze i drugim industrijama kao što su stabilizacija vina i voćnih sokova, pranje trapera, kozmetika i biosenzori.
Lipaza
Ovo je enzim mikroorganizama koji katalizira razgradnju i hidrolizu masti. Lipaze su podklasa esteraza. Imaju značajnu ulogu u probavi, transportu i preradi masti. Većina lipaza sudjeluje u određenom položaju na glicerolnoj okosnici masnog supstrata, posebno u tankom crijevu. Neki od njih su izraženi izlučenim patogenim organizmima tijekom zarazne bolesti. Lipaze se smatraju glavnom skupinom biotehnološki vrijednih enzima, uglavnom zbog svestranosti njihovih primijenjenih svojstava i lakoće masovne proizvodnje.
Primjena lipaze
Ovi enzimi su uključeni u razne biološke procese, u rasponu od rutinskog metabolizma triglicerida u prehrani do signalizacije i upale stanica. Neke aktivnosti lipaze ograničene su na određene odjeljke unutar stanica, dok druge djeluju u izvanstaničnim prostorima:
- Lipaze gušterače izlučuju se u izvanstanične prostore gdje služe za pretvaranje prehrambenih lipida u jednostavnije oblike koji se prenose po cijelom tijelu.
- Olakšajte apsorpciju hranjivih tvari iz okoliša.
- Povećana aktivnost lipaze zamjenjujekonvencionalni katalizatori u preradi biodizela.
- Koristi se u primjenama kao što su pečenje, deterdženti za pranje rublja, kao biokatalizatori.
- U tekstilnoj industriji koristi se za povećanje upijanja tkanine i ujednačenosti prilikom bojenja.
- Za promjenu okusa hrane sintetiziranjem estera kratkolančanih masnih kiselina i alkohola.
- Prisutnost ili visoka razina lipaza može ukazivati na specifičnu infekciju ili bolest i može se koristiti kao dijagnostički alat.
- Imaju baktericidni učinak. Može se koristiti u liječenju malignih tumora.
- Imaju veliku komercijalnu vrijednost u kozmetici i farmaceutskim proizvodima (proizvodi za njegu kože, uvijači za kosu).
