Enzymer er biokatalysatorer som spiller en viktig rolle i alle stadier av metabolisme og biokjemiske reaksjoner. De er av spesiell interesse og brukes som organiske katalysatorer i en rekke prosesser i industriell skala. Denne artikkelen gir en oversikt over mikrobielle enzymer og deres klassifisering.
Introduksjon
Ulike bioindustrier krever enzymer med spesifikke egenskaper for bruk i prosessering av substrater og råvarer. Mikrobielle enzymer fungerer som biokatalysatorer for å utføre reaksjoner i biologiske prosesser på en økonomisk og miljøvennlig måte sammenlignet med bruk av kjemiske katalysatorer. Deres spesielle egenskaper brukes til kommersiell interesse og industrielle applikasjoner. Enzymer er veldig spesifikke, de katalyserer rundt 4000 biokjemiske reaksjoner. Nobelprisvinner Emil Fischer antydet at dette er fordi både enzymet og substratet har spesifikke komplementære geometrier som er nøyaktigpasse inn i hverandre.
Definition
Enzymer er store biologiske molekyler som er ansvarlige for alle de viktige kjemiske utvekslingene som er nødvendige for å opprettholde liv. De er svært selektive katalysatorer som i stor grad kan akselerere både hastigheten og spesifisiteten til metabolske reaksjoner som spenner fra matfordøyelse til DNA-syntese. Alle metabolske prosesser som skjer i dem avhenger av hvilke enzymer som dannes i cellene til mikroorganismer.
Historie
I 1877 brukte Wilhelm Friedrich Kuehne, professor i fysiologi ved Universitetet i Heidelberg, først begrepet "enzym", som kommer fra det latinske ordet fermentum, som betyr "i surdeig". Innhenting av enzymer av mikroorganismer begynte i antikkens Hellas. De ble brukt til å konservere mat og drikke.
I 1783 nevnte den berømte italienske katolske presten Lazzaro Spallanzani for første gang viktigheten av dette biomolekylet i sitt arbeid med biogenese.
I 1812 undersøkte Gottlieb Sigismund Kirchhoff prosedyren for å omdanne stivelse til glukose. I eksperimentet fremhever han bruken av enzymer som katalysator.
I 1833 oppdaget den franske kjemikeren Anselm Payen det første enzymet, diastase.
Tiår senere, i 1862, mens han studerte gjæringen av sukker til alkohol, kom Louis Pasteur til den konklusjon at det ble katalysert av livskraften i gjærcellene.
Biomolekyler som finnes i naturenhar vært mye brukt siden antikken i produksjon av produkter som lin, lær og indigo. Alle disse prosessene ble forårsaket av mikroorganismer - enzymprodusenter.
Meaning
Enzymer er nødvendig for å lette kjemiske reaksjoner. Deres rolle i livet til mikroorganismer er veldig viktig. Den består i å sikre metabolske prosesser, respirasjon, fordøyelse og andre typer liv. Når enzymer fungerer som de skal, opprettholdes homeostase. En annen rolle for enzymer i mikroorganismer er å øke hastigheten på metabolismen.
Spesialfunksjoner
Mikroorganismens enzymegenskaper inkluderer:
- varmemotstand;
- termofil natur;
- toleranse for endret pH-område;
- aktivitetsstabilitet ved endring av temperaturer og pH;
- andre strenge reaksjonsbetingelser.
De er klassifisert som termofile, acidofile eller alkalifile. Mikroorganismer med termostabile enzymsystemer reduserer muligheten for mikrobiell forurensning i storskala industrielle reaksjoner av lang varighet. Mikrobielle enzymer hjelper til med å øke masseoverføringen og redusere viskositeten til substratet under hydrolyseprosessen av råmaterialet.
klassifisering
På grunn av det store spekteret av aktiviteter basert på reaksjonens art, blir enzymer klassifisert i henhold til katalyse:
- Oxidoreductases. Oksidasjonsreaksjoner involverer overføring av elektroner fra et enkelt molekyltil en annen. I biologiske systemer er dette fjerning av hydrogen fra substratet.
- Overføringer. Denne klassen av enzymer katalyserer overføringen av grupper av atomer fra ett molekyl til et annet. Aminotransferaser eller transaminaser letter overføringen av en aminogruppe fra en aminosyre til en alfa-oksosyre.
- Hydrolaser. Katalysere hydrolyse, sp alting av underlag med vann. Reaksjonene inkluderer sp altning av peptidbindinger i proteiner, glykosidbindinger i karbohydrater og esterbindinger i lipider. Vanligvis brytes større molekyler ned til mindre fragmenter.
- Liase. Katalyser tilsetningen av grupper til dobbeltbindinger eller dannelsen av sistnevnte ved å fjerne førstnevnte. For eksempel sp alter pektatlyaser glykosidbindinger ved beta-eliminering.
- Isomeraser. De katalyserer overføringen av grupper fra en posisjon til en annen i samme molekyl. Endre strukturen til substratet ved å omorganisere atomene.
- Ligases. Koble molekyler sammen med kovalente bindinger. De deltar i biosyntetiske reaksjoner, hvor nye bindingsgrupper dannes. Slike reaksjoner krever tilførsel av energi i form av kofaktorer.
Application
Fermentering brukes i tilberedning av mange matvarer. Bruken av mikrobielle enzymer i næringsmiddelindustrien er en langvarig prosess. Følgende typer er mye brukt:
- Amylase. Flytendegjøring av stivelse, forbedring av brødkvalitet, klaring av fruktjuicer.
- Glukoamylaser. Produksjon av øl og sirup med høyt glukose- og fruktoseinnhold.
- Protease. Mørningkjøtt, melkekoagulering.
- Laktase. Reduksjon av laktoseintoleranse hos mennesker, prebiotiske kosttilskudd.
- Lipase. Produksjon av cheddarost.
- Fosfolipaser. Produksjon av lipolysert melkefett.
- Esterase. Forbedring av smak og aroma i fruktjuice. Deesterifisering av kostfiber. Produksjon av kortkjedede estere.
- Cellulaser. Dyrefor.
- Glukoseoksidase. Forbedrer matens holdbarhet.
- Laccases. Fjerning av polyfenoler fra vin.
- Catalases. Matkonservering. Fjerning av hydrogenperoksid fra melk før osteproduksjon.
- Peroksidase. Utvikling av smak, farge og kvalitet på maten.
Protease
Proteaser avledet fra mikrobielle systemer er av tre typer: sure, nøytrale og alkaliske. Alkaliske serinproteaser har størst anvendelse i bioindustrien. De har høy aktivitet og stabilitet under unormale forhold med ekstreme fysiologiske parametere. Alkaliske proteaser har egenskapen til høy stabilitet av enzymatisk aktivitet når de brukes i vaskemidler. De har funnet bred anvendelse i bioindustrien:
- produksjon av vaskepulver;
- matindustri;
- lærbehandling;
- pharmaceuticals;
- forskning i molekylærbiologi og peptidsyntese.
Amylase
Dette er et enzym av mikroorganismer som katalyserer nedbrytningen av stivelse til sukker. Han varoppdaget og isolert av Anselm Peyen i 1833. Alle amylaser er glykosidhydrolaser. De er mye brukt i industrien og står for nesten 25 % av enzymmarkedet. Brukes i bransjer som:
- mat;
- bakeri;
- papir og tekstil;
- søtningsmidler og fruktjuicer;
- glukose- og fruktosesirup;
- vaskemidler;
- drivstoffetanol fra stivelse;
- alkoholholdige drikker;
- fordøyelseshjelp;
- flekkfjerner i renseri.
Brukes også i klinisk, medisinsk og analytisk kjemi.
Xylanase
Hemicellulose er en av hovedbestanddelene i landbruksrester sammen med cellulose, lignin og pektin. Xylan er hovedkomponenten. Betydningen av xylanase har økt betydelig på grunn av dens bioteknologiske anvendelser for produksjon av pentose, rensing av fruktjuicer, forbedring av fordøyelsen og biokonvertering av lignocelluloseholdig landbruksavfall til drivstoff og kjemikalier. Den har funnet sin anvendelse i næringsmiddel-, tekstil- og tremasse- og papirindustrien, landbruksavfallshåndtering, etanolproduksjon og dyrefôr.
Laccase
Liginolytiske enzymer er nyttige i hydrolyse av lignocelluloseholdige landbruksrester, spesielt for nedbrytning av den komplekse og ikke-pumpende komponenten lignin. De er svært allsidige og kan brukes i en rekke industrielle prosesser. Det lignolytiske enzymsystemet brukes i biologisk avfarging av cellulose og andre industrier som stabilisering av vin og fruktjuice, hvitvasking av denim, kosmetikk og biosensorer.
Lipase
Dette er et enzym av mikroorganismer som katalyserer nedbrytning og hydrolyse av fett. Lipaser er en underklasse av esteraser. De spiller en betydelig rolle i fordøyelse, transport og prosessering av fett. De fleste av lipasene er involvert i en bestemt posisjon på glyserolryggraden i fettsubstratet, spesielt i tynntarmen. Noen av dem uttrykkes av utskilte patogene organismer under en smittsom sykdom. Lipaser regnes som hovedgruppen av bioteknologisk verdifulle enzymer, hovedsakelig på grunn av allsidigheten til de påførte egenskapene og den enkle masseproduksjonen.
Lipase-applikasjon
Disse enzymene er involvert i en rekke biologiske prosesser, alt fra rutinemessig triglyseridmetabolisme i kosten til signalisering og cellebetennelse. Noen lipaseaktiviteter er begrenset til visse rom i cellene, mens andre fungerer i ekstracellulære rom:
- Bukspyttkjertellipaser skilles ut i ekstracellulære rom hvor de tjener til å omdanne kostholdslipider til enklere former som transporteres gjennom kroppen.
- Lettere opptaket av næringsstoffer fra miljøet.
- Økt lipaseaktivitet erstatterkonvensjonelle katalysatorer i biodieselbehandling.
- Brukes i applikasjoner som baking, vaskemidler, som biokatalysatorer.
- I tekstilindustrien brukes det for å øke stoffets sugeevne og jevnhet ved farging.
- For å modifisere matsmaken ved å syntetisere estere av kortkjedede fettsyrer og alkoholer.
- Tilstedeværelsen eller høye nivåer av lipaser kan indikere en spesifikk infeksjon eller sykdom og kan brukes som et diagnostisk verktøy.
- Ha en bakteriedrepende effekt. Kan brukes til behandling av ondartede svulster.
- Har stor kommersiell verdi innen kosmetikk og farmasøytiske produkter (hudpleieprodukter, hårkrøllere).
