Enzimi su biokatalizatori koji igraju važnu ulogu u svim fazama metabolizma i biohemijskih 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 zahtevaju enzime sa specifičnim karakteristikama za njihovu upotrebu u preradi supstrata i sirovina. Mikrobni enzimi djeluju kao biokatalizatori za izvođenje 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, katalizuju oko 4000 biohemijskih reakcija. Nobelovac Emil Fischer sugerirao je da je to zato što i enzim i supstrat imaju specifične komplementarne geometrije koje su upravouklapaju jedno u drugo.
Definicija
Enzimi su veliki biološki molekuli odgovorni za sve one važne hemijske razmene koje su neophodne za održavanje života. Oni su visoko 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 zavise od toga koji se enzimi formiraju u ćelijama mikroorganizama.
Historija
Godine 1877. Wilhelm Friedrich Kuehne, profesor fiziologije na Univerzitetu u Hajdelbergu, prvi je upotrijebio izraz "enzim", koji dolazi od latinske riječi fermentum, što znači "u kvascu". Dobivanje enzima mikroorganizama počelo je u staroj Grčkoj. Korišćene su za čuvanje hrane i pića.
Godine 1783., poznati italijanski katolički sveštenik Lazzaro Spallanzani prvi je spomenuo važnost ove biomolekule u svom radu o biogenezi.
Gottlieb Sigismund Kirchhoff je 1812. godine istraživao postupak pretvaranja škroba u glukozu. U svom eksperimentu, on ističe upotrebu enzima kao katalizatora.
1833. godine francuski hemičar Anselm Payen otkrio je prvi enzim, dijastazu.
Desetljećima kasnije, 1862. godine, proučavajući fermentaciju šećera u alkohol, Louis Pasteur je došao do zaključka da je to katalizirala životna sila sadržana u ćelijama kvasca.
Biomolekule pronađene u prirodiod davnina se naširoko koristi u proizvodnji proizvoda kao što su lan, koža i indigo. Sve ove procese izazvali su mikroorganizmi - proizvođači enzima.
Značenje
Enzimi su potrebni da bi se olakšale hemijske reakcije. Njihova uloga u životu mikroorganizama je veoma važna. Sastoji se od osiguravanja metaboličkih procesa, disanja, probave i drugih vrsta života. Kada enzimi pravilno funkcionišu, homeostaza se održava. Druga uloga enzima u mikroorganizmima je da ubrzaju metabolizam.
Posebne karakteristike
Svojstva enzima mikroorganizama uključuju:
- otpornost na toplinu;
- termofilna priroda;
- tolerancija na promjenu pH raspona;
- stabilnost aktivnosti pri promjeni temperature i pH;
- drugi strogi uslovi reakcije.
Klasifikovani su kao termofilni, acidofilni ili alkalifilni. Mikroorganizmi sa termostabilnim enzimskim sistemima smanjuju mogućnost mikrobne kontaminacije u velikim industrijskim reakcijama dugog trajanja. Mikrobni enzimi pomažu u povećanju prijenosa mase i smanjenju viskoziteta supstrata tokom procesa hidrolize sirovog materijala.
Klasifikacija
Zbog širokog spektra aktivnosti zasnovanih na prirodi njihove reakcije, enzimi se klasifikuju prema katalizi:
- Oxidoreductases. Reakcije oksidacije uključuju prijenos elektrona s jedne molekuledrugome. U biološkim sistemima, ovo je uklanjanje vodonika iz supstrata.
- Transferases. Ova klasa enzima katalizira prijenos grupa atoma s jednog molekula na drugi. Aminotransferaze ili transaminaze olakšavaju prijenos amino grupe iz aminokiseline u alfa-okso kiselinu.
- Hidrolaze. Katalizuju hidrolizu, cijepanje supstrata vodom. Reakcije uključuju cijepanje peptidnih veza u proteinima, glikozidnih veza u ugljikohidratima i estarskih veza u lipidima. Generalno, veći molekuli se razlažu na manje fragmente.
- Liase. Katalizirajte dodavanje grupa dvostrukim vezama ili formiranje potonjih uklanjanjem prvih. Na primjer, pektatne lijaze cijepaju glikozidne veze beta eliminacijom.
- Izomeraze. Oni kataliziraju prijenos grupa s jedne pozicije na drugu u istoj molekuli. Promijenite strukturu supstrata, preuredite njegove atome.
- Ligases. Povežite molekule zajedno kovalentnim vezama. Oni učestvuju u biosintetskim reakcijama, gdje se formiraju nove grupe veza. Takve reakcije zahtijevaju unos energije u obliku kofaktora.
Prijava
Fermentacija se koristi u pripremi mnogih namirnica. Upotreba mikrobnih enzima u prehrambenoj industriji je dugotrajan proces. Sljedeći tipovi se široko koriste:
- Amilaza. Ukapljivanje skroba, poboljšanje kvaliteta hleba, bistrenje voćnih sokova.
- Glukoamilaze. Proizvodnja piva i sirupa sa visokim sadržajem glukoze i fruktoze.
- Proteaza. Tenderizacijakoagulacija mesa, mlijeka.
- Lactase. Smanjenje intolerancije na laktozu kod ljudi, prebiotski dodaci ishrani.
- Lipase. Proizvodnja cheddar sira.
- Fosfolipaze. Proizvodnja lipolizirane mliječne masti.
- Esterase. Poboljšanje ukusa i arome voćnog soka. Deesterifikacija dijetalnih vlakana. Proizvodnja kratkolančanih estera.
- Cellulases. Hrana za životinje.
- Glukoza oksidaza. Produžavanje roka trajanja hrane.
- Laccases. Uklanjanje polifenola iz vina.
- Catalases. Očuvanje hrane. Uklanjanje vodikovog peroksida iz mlijeka prije proizvodnje sira.
- Peroksidaza. Razvoj ukusa, boje i kvaliteta hrane.
Protease
Proteaze izvedene iz mikrobnih sistema su tri tipa: kisele, neutralne i alkalne. Alkalne serinske proteaze imaju najveću primjenu u bioindustriji. Imaju visoku aktivnost i stabilnost u abnormalnim uslovima ekstremnih fizioloških parametara. Alkalne proteaze imaju svojstvo visoke stabilnosti enzimske aktivnosti kada se koriste u deterdžentima. Našle su široku primenu u bioindustriji:
- proizvodnja praškova za pranje rublja;
- prehrambena industrija;
- prerada kože;
- pharmaceuticals;
- istraživanje u molekularnoj biologiji i sintezi peptida.
Amilaza
Ovo je enzim mikroorganizama koji katalizuje razgradnju škroba u šećere. On je biootkrio i izolirao Anselm Peyen 1833. Sve amilaze su glikozidne hidrolaze. Oni se široko koriste u industriji i čine skoro 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 hemijskom čišćenju.
Takođe se koristi u kliničkoj, medicinskoj i analitičkoj hemiji.
Xylanase
Hemiceluloza je jedan od glavnih sastojaka poljoprivrednih ostataka zajedno sa celulozom, ligninom i pektinom. Xylan je njegova glavna komponenta. Značaj ksilanaze značajno je porastao zbog njene biotehnološke primjene za proizvodnju pentoze, prečišćavanje 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, odlaganju poljoprivrednog otpada, proizvodnji etanola i stočnoj hrani.
Laccase
Liginolitički enzimi su korisni u hidrolizi lignoceluloznih poljoprivrednih ostataka, posebno za razgradnju kompleksnog i ne-pumpajućeg konstituenta lignina. Vrlo su raznovrsne prirode i mogu se koristiti u brojnim industrijskim procesima. Sistem lignolitičkih enzima koristi se u biodekoloraciji celuloze i drugim industrijama kao što su stabilizacija vina i voćnih sokova, pranje teksasa, kozmetika i biosenzori.
Lipase
Ovo je enzim mikroorganizama koji katalizuje razgradnju i hidrolizu masti. Lipaze su podklasa esteraza. Oni igraju značajnu ulogu u varenju, transportu i preradi masti. Većina lipaza je uključena u određenom položaju na glicerolnoj kičmi masnog supstrata, posebno u tankom crijevu. Neki od njih su izraženi izlučenim patogenim organizmima tokom zarazne bolesti. Lipaze se smatraju glavnom grupom biotehnološki vrednih enzima, uglavnom zbog raznovrsnosti njihovih primenjenih svojstava i lakoće masovne proizvodnje.
Primjena lipaze
Ovi enzimi su uključeni u različite biološke procese, u rasponu od rutinskog metabolizma triglicerida u ishrani do signalizacije i upale ćelija. Neke aktivnosti lipaze su ograničene na određene odjeljke unutar ćelija, dok druge djeluju u ekstracelularnim prostorima:
- Lipaze pankreasa se izlučuju u ekstracelularne prostore gdje služe za pretvaranje lipida u ishrani u jednostavnije oblike koji se prenose kroz tijelo.
- Olakšajte apsorpciju nutrijenata iz okoline.
- Povećana aktivnost lipaze zamjenjujekonvencionalni katalizatori u preradi biodizela.
- Koristi se u aplikacijama kao što su pečenje, deterdženti za pranje rublja, kao biokatalizatori.
- U tekstilnoj industriji koristi se za povećanje upijanja tkanine i ujednačenosti prilikom bojenja.
- Za modificiranje okusa hrane sintetiziranjem estera kratkolančanih masnih kiselina i alkohola.
- Prisustvo ili visoki nivoi lipaza mogu ukazivati na specifičnu infekciju ili bolest i mogu se koristiti kao dijagnostički alat.
- Imaju baktericidni efekat. Može se koristiti u liječenju malignih tumora.
- Imaju veliku komercijalnu vrijednost u kozmetici i farmaceutskim proizvodima (proizvodi za njegu kože, uvijači za kosu).
