Enzymer är biokatalysatorer som spelar en viktig roll i alla stadier av metabolism och biokemiska reaktioner. De är av särskilt intresse och används som organiska katalysatorer i många processer i industriell skala. Den här artikeln ger en översikt över mikrobiella enzymer och deras klassificering.
Introduktion
Olika bioindustrier kräver enzymer med specifika egenskaper för deras användning vid bearbetning av substrat och råvaror. Mikrobiella enzymer fungerar som biokatalysatorer för att utföra reaktioner i biologiska processer på ett ekonomiskt och miljövänligt sätt jämfört med användningen av kemiska katalysatorer. Deras speciella egenskaper används för kommersiellt intresse och industriella tillämpningar. Enzymer är mycket specifika, de katalyserar cirka 4000 biokemiska reaktioner. Nobelpristagaren Emil Fischer föreslog att detta beror på att både enzymet och substratet har specifika komplementära geometrier som är exaktpassa in i varandra.
Definition
Enzymer är stora biologiska molekyler som ansvarar för alla dessa viktiga kemiska utbyten som är nödvändiga för att upprätthålla liv. De är mycket selektiva katalysatorer som avsevärt kan accelerera både hastigheten och specificiteten för metaboliska reaktioner som sträcker sig från matsmältning till DNA-syntes. Alla metaboliska processer som förekommer i dem beror på vilka enzymer som bildas i mikroorganismernas celler.
Historia
År 1877 använde Wilhelm Friedrich Kuehne, professor i fysiologi vid universitetet i Heidelberg, för första gången termen "enzym", som kommer från det latinska ordet fermentum, som betyder "i surdeg". Att få fram enzymer av mikroorganismer började i antikens Grekland. De användes för att konservera mat och dryck.
År 1783 nämnde den berömda italienska katolske prästen Lazzaro Spallanzani för första gången vikten av denna biomolekyl i sitt arbete med biogenes.
År 1812 undersökte Gottlieb Sigismund Kirchhoff proceduren för att omvandla stärkelse till glukos. I sitt experiment lyfter han fram användningen av enzymer som katalysator.
År 1833 upptäckte den franske kemisten Anselm Payen det första enzymet, diastas.
Decennier senare, 1862, när han studerade jäsningen av socker till alkohol, kom Louis Pasteur till slutsatsen att det katalyserades av livskraften i jästcellerna.
Biomolekyler som finns i naturenhar använts i stor utsträckning sedan urminnes tider vid tillverkning av produkter som linne, läder och indigo. Alla dessa processer orsakades av mikroorganismer - enzymproducenter.
Meaning
Enzymer behövs för att underlätta kemiska reaktioner. Deras roll i mikroorganismernas liv är mycket viktig. Det består i att säkerställa metaboliska processer, andning, matsmältning och andra typer av liv. När enzymer fungerar korrekt upprätthålls homeostasen. En annan roll för enzymer i mikroorganismer är att påskynda ämnesomsättningen.
Specialfunktioner
Mikroorganismens enzymegenskaper inkluderar:
- värmemotstånd;
- termofil natur;
- tolerans mot ändrat pH-område;
- aktivitetsstabilitet vid ändring av temperaturer och pH;
- andra stringenta reaktionsvillkor.
De klassificeras som termofila, acidofila eller alkalifila. Mikroorganismer med termostabila enzymsystem minskar risken för mikrobiell kontaminering i storskaliga industriella reaktioner av lång varaktighet. Mikrobiella enzymer hjälper till att öka massöverföringen och minska substratets viskositet under råmaterialets hydrolysprocess.
Klassificering
På grund av det breda utbudet av aktiviteter baserade på typen av reaktion klassificeras enzymer enligt katalys:
- Oxidoreduktaser. Oxidationsreaktioner involverar överföring av elektroner från en enda molekyltill en annan. I biologiska system är detta avlägsnande av väte från substratet.
- Överföringar. Denna klass av enzymer katalyserar överföringen av grupper av atomer från en molekyl till en annan. Aminotransferaser eller transaminaser underlättar överföringen av en aminogrupp från en aminosyra till en alfa-oxosyra.
- Hydrolaser. Katalysera hydrolys, spjälkning av substrat med vatten. Reaktionerna inkluderar klyvning av peptidbindningar i proteiner, glykosidbindningar i kolhydrater och esterbindningar i lipider. I allmänhet bryts större molekyler ner till mindre fragment.
- Liase. Katalysera tillägget av grupper till dubbelbindningar eller bildningen av de senare genom att ta bort de förra. Till exempel klyver pektatlyaser glykosidbindningar genom beta-eliminering.
- Isomeraser. De katalyserar överföringen av grupper från en position till en annan i samma molekyl. Ändra strukturen på substratet, ordna om dess atomer.
- Ligases. Koppla samman molekyler med kovalenta bindningar. De deltar i biosyntetiska reaktioner, där nya bindningsgrupper bildas. Sådana reaktioner kräver tillförsel av energi i form av kofaktorer.
Application
Jäsning används vid beredning av många livsmedel. Användningen av mikrobiella enzymer i livsmedelsindustrin är en långvarig process. Följande typer används ofta:
- Amylase. Flytande av stärkelse, förbättring av brödkvalitet, klarning av fruktjuicer.
- Glukoamylaser. Tillverkning av öl och sirap med hög h alt av glukos och fruktos.
- Proteas. Mörningkött, mjölkkoagulering.
- Laktas. Minskning av laktosintolerans hos människor, prebiotiska näringstillskott.
- Lipas. Tillverkning av cheddarost.
- Fosfolipaser. Produktion av lipolyserat mjölkfett.
- Esterase. Förbättring av smak och arom i fruktjuice. Deesterifiering av kostfiber. Tillverkning av kortkedjiga estrar.
- Cellulaser. Djurfoder.
- Glukosoxidas. Förbättrar livsmedels hållbarhet.
- Laccases. Borttagning av polyfenoler från vin.
- Catalases. Matkonservering. Avlägsnande av väteperoxid från mjölk före osttillverkning.
- Peroxidas. Utveckling av smak, färg och kvalitet på maten.
Protease
Proteaser som härrör från mikrobiella system är av tre typer: sura, neutrala och alkaliska. Alkaliska serinproteaser har den största tillämpningen inom bioindustrin. De har hög aktivitet och stabilitet under onormala förhållanden med extrema fysiologiska parametrar. Alkaliska proteaser har egenskapen att de har hög stabilitet av enzymatisk aktivitet när de används i detergenter. De har hittat bred tillämpning inom bioindustrin:
- tillverkning av tvättmedel;
- livsmedelsindustrin;
- läderbearbetning;
- pharmaceuticals;
- forskning inom molekylärbiologi och peptidsyntes.
Amylase
Detta är ett enzym av mikroorganismer som katalyserar nedbrytningen av stärkelse till sockerarter. Han varupptäcktes och isolerades av Anselm Peyen 1833. Alla amylaser är glykosidhydrolaser. De används ofta inom industrin och står för nästan 25 % av enzymmarknaden. Används i branscher som:
- mat;
- bageri;
- papper och textil;
- sötningsmedel och fruktjuicer;
- glukos- och fruktossirap;
- tvättmedel;
- bränsleetanol från stärkelse;
- alkoholh altiga drycker;
- matsmältningshjälp;
- fläckborttagningsmedel i kemtvätt.
Används även inom klinisk, medicinsk och analytisk kemi.
Xylanase
Hemicellulosa är en av huvudbeståndsdelarna i jordbruksrester tillsammans med cellulosa, lignin och pektin. Xylan är dess huvudkomponent. Betydelsen av xylanas har ökat avsevärt på grund av dess biotekniska tillämpningar för produktion av pentos, rening av fruktjuicer, förbättring av matsmältningen och bioomvandlingen av lignocellulosah altigt jordbruksavfall till bränslen och kemikalier. Det har funnit sin tillämpning inom livsmedels-, textil- och massa- och pappersindustrin, bortskaffande av jordbruksavfall, etanolproduktion och djurfoder.
Laccase
Liginolytiska enzymer är användbara vid hydrolys av lignocellulosah altiga jordbruksrester, speciellt för nedbrytning av den komplexa och icke-pumpande beståndsdelen lignin. De är mycket mångsidiga till sin natur och kan användas i ett antal industriella processer. Det lignolytiska enzymsystemet används i bioavfärgning av cellulosa och andra industrier som stabilisering av vin och fruktjuice, denimtvätt, kosmetika och biosensorer.
Lipase
Detta är ett enzym av mikroorganismer som katalyserar nedbrytning och hydrolys av fetter. Lipaser är en underklass av esteraser. De spelar en betydande roll vid matsmältning, transport och bearbetning av fetter. De flesta av lipaserna är involverade i en viss position på glycerolryggraden i fettsubstratet, särskilt i tunntarmen. Vissa av dem uttrycks av utsöndrade patogena organismer under en infektionssjukdom. Lipaser anses vara huvudgruppen av biotekniskt värdefulla enzymer, främst på grund av mångsidigheten hos deras applicerade egenskaper och enkla massproduktion.
Lipasapplikation
Dessa enzymer är involverade i en mängd olika biologiska processer, allt från rutinmässig triglyceridmetabolism i kosten till signalering och cellinflammation. Vissa lipasaktiviteter är begränsade till vissa fack i celler, medan andra fungerar i extracellulära utrymmen:
- Bukspottkörtellipas utsöndras i extracellulära utrymmen där de tjänar till att omvandla dietlipider till enklare former som transporteras genom kroppen.
- Underlätta upptaget av näringsämnen från miljön.
- Ökad lipasaktivitet ersätterkonventionella katalysatorer för bearbetning av biodiesel.
- Används i applikationer som bakning, tvättmedel, som biokatalysatorer.
- Inom textilindustrin används det för att öka tygets sugförmåga och jämnhet vid färgning.
- Att modifiera matsmaken genom att syntetisera estrar av kortkedjiga fettsyror och alkoholer.
- Närvaron eller höga nivåer av lipaser kan indikera en specifik infektion eller sjukdom och kan användas som ett diagnostiskt verktyg.
- Har en bakteriedödande effekt. Kan användas vid behandling av maligna tumörer.
- Har stort kommersiellt värde inom kosmetika och läkemedel (hudvårdsprodukter, hårrullar).
