Enzimi mikroorganizama: metode formiranja, klasifikacija i svojstva

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 procesima u industrijskim razmjerima. Ovaj članak daje pregled enzima mikroorganizama i njihovu klasifikaciju.

Uvod

Raznim bioindustrijama potrebni su enzimi sa posebnim karakteristikama za njihovu upotrebu u preradi podloga i sirovina. Enzimi mikroorganizama djeluju kao biokatalizatori za provođenje reakcija u biološkim procesima na ekonomičan i ekološki prihvatljiv način u odnosu na upotrebu hemijskih katalizatora. Njihove posebne karakteristike koriste se za komercijalni interes i industrijsku primjenu. Enzimi su vrlo specifični, kataliziraju oko 4000 biohemijskih reakcija. Nobelovac Emil Fischer sugerira da je to zato što i enzim i supstrat imaju specifične komplementarne geometrijske oblike koji se tačno uklapaju jedan u drugi.

Definicije

Enzimi su veliki biološki molekuli odgovorni za sve one važne hemijske interakcije koje su neophodni za održavajte život. Oni su visoko selektivni katalizatori koji mogu značajno ubrzati i brzinu i specifičnost metaboličkih reakcija koje se kreću od probave hrane do sinteze DNK. Svi metabolički procesi koji se dešavaju u mikroorganizmima zavise od toga koji enzimi nastaju u ćelijama mikroorganizama.

Historija

1877. godine Wilhelm Friedrich Kuehne, profesor fiziologije na Univerzitetu u Heidelbergu, prvi je upotrijebio izraz "enzim", koji dolazi od latinske riječi fermentum, značenje "in leaven". Proizvodnja enzima mikroorganizama počela je u drevnoj Grčkoj. Korišćeni su za očuvanje hrane i pića.

Godine 1783. poznati talijanski katolički svećenik Lazzaro Spallanzani prvi je put spomenuo važnost ove biomolekule u svom radu na biogenezi.

Gottlieb Sigismund Kirchhoff je 1812. godine istraživao proceduru za pretvaranje skroba u glukozu. U svom eksperimentu ističe upotrebu enzima kao katalizatora.

Godine 1833. francuski hemičar Anselm Payen otkrio je prvi enzim, dijastazu.

Nekoliko decenija kasnije, 1862. godine, proučavajući fermentaciju šećera u alkohol, Louis Pasteur je došao do zaključka da ga katalizira vitalna sila sadržana u ćelijama kvasca.

Biomolekule pronađene u prirodi široko su korištene od davnina u proizvodnji proizvoda kao što su platno, koža i indigo. Svi ovi procesi uzrokovani su mikroorganizmima koji proizvode enzime.

Značenje

Enzimi su potrebni za olakšavanje hemijskih reakcija. Njihova uloga u vitalnoj aktivnosti mikroorganizama je veoma važna. Sastoji se u obezbjeđivanju metaboličkih procesa, disanju, probavi i drugim vrstama vitalne aktivnosti. Kada enzimi pravilno funkcionišu, homeostaza traje. Druga uloga enzima u mikroorganizmima je ubrzanje metabolizma.

Posebne Karakteristike

Svojstva mikrobnih enzima uključuju:

• termička stabilnost;
• termofilne prirode;
• tolerancija na promjenjivi pH raspon;
• stabilnost aktivnosti sa promjenama temperature i PH;
• ostali teški uslovi reakcije.

Dijele se na termofilne, acidofilne ili alkalofilne. Mikroorganizmi sa termostabilnim enzimskim sistemima smanjuju mogućnost mikrobne kontaminacije u velikim industrijskim reakcijama dugog trajanja. Enzimi mikroorganizama pomažu u povećanju prenosa mase i smanjenju viskoznosti podloge tokom procesa hidrolize sirovina.

Kla_sifikacija:

Zbog širokog spektra aktivnosti na osnovu prirode njihove reakcije, enzimi se klasifikuju prema katalizi:

1. Oksidoreduktaze. Reakcije oksidacije uključuju prijenos elektrona s jednog molekula na drugi. U biološkim sistemima to je uklanjanje vodonika iz podloge.
2. Transferaze. Ova klasa enzima katalizira prijenos grupa atoma iz jedne molekule u drugu. Aminotransferaze ili transaminaze potiču prijenos amino grupe iz aminokiseline u alfa-oksoacid.
3. Hidrolaze. Katalizirajte hidrolizu, cijepanje podloga vodom. Reakcije uključuju cijepanje peptidnih veza u proteinima, glikozidnih veza u ugljikohidratima i esterskih veza u lipidima. Po pravilu, veći molekuli se razlažu na manje fragmente.
4. Lijaze. Katalizirajte dodavanje grupa u dvostruke veze ili formiranje druge uklanjanjem prve. Naprimjer, pektat lijaze razlažu glikozidne veze beta-eliminacijom.
5. Izomeraze. Katalizirajte prijenos grupa s jedne pozicije na drugu u istoj molekuli. Oni mijenjaju strukturu podloge preuređivanjem njegovih atoma.
6. Ligaze. Povežite molekule zajedno sa kovalentnim vezama. Učestvuju u biosintetičkim reakcijama, gdje se formiraju nove grupe veza. Takve reakcije zahtijevaju unos energije u obliku kofaktora.

Aplikacije

Fermentacija se koristi u pripremi mnogih namirnica. Korišćenje mikrobnih enzima u prehrambenoj industriji je dugogodišnji proces. Sljedeće vrste su široko korištene: amilaza

• . Razrjeđivanje škroba, poboljšanje kvaliteta hljeba, pojašnjenje voćnog soka.
• Glukoamilaze. Proizvodnja piva i sirupa sa visokim sadržajem glukoze i fruktoze.
• Proteaza. Omekšavanje mesa, koagulacija mlijeka.
• Laktaze. Smanjenje intolerancije na laktozu kod ljudi, prebiotički dijetetski suplementi.
• Lipaze. Proizvodnja sira cheddar.
• Fosfolipaze. Proizvodnja lipolizovane mlečne masti.
• Esterazam. Poboljšanje ukusa i mirisa u voćnom soku. Deesterifikacija dijetalnih vlakana. Proizvodnja estera kratkog lanca.
• Celulaze. Hrana za životinje.
• Glukoza oksidaza. Poboljšanje roka trajanja hrane.
• Laccases. Uklanjanje polifenola iz vina.
• Katalaze. Čuvanje hrane. Uklanjanje vodonik peroksida iz mlijeka prije proizvodnje sira.
• Peroksidaza. Razvoj ukusa, boje i kvaliteta hrane.

Proteaza

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. Pronašli su široku primjenu u bioindustriji:

• proizvodnja praškova za pranje;
• prehrambena industrija;
• tretman kože;
• farmacija;
• istraživanja u oblasti molekularne biologije i sinteze peptida.

Amilaze

To je enzim mikroorganizama koji katalizira razgradnju skroba na šećere. Otkrio ga je i izolovao Anselm Payen 1833. godine. Sve amilaze su glikozid-hidrolaze. Široko se koriste u industriji i zauzimaju skoro 25% tržišta enzima. Koriste se u industrijama kao što su:

• hrana;
• pekara;
• papir i tekstil;
• zaslađivači i voćni sokovi;
• sirupi glukoze i fruktoze;
• deterdženti;
• etanol goriva sa skroba;
• alkoholna pića;
• pomoć za varenje;
• sredstvo za uklanjanje mrlja u hemijskom čišćenju.

Takođe se koristi u kliničkoj, medicinskoj i analitičkoj hemiji.

Ksilanaza

Hemiceluloza je jedna od glavnih komponenti poljoprivrednih ostataka zajedno sa celulozom, ligninom i pektinom. Xylan je njegova glavna komponenta. Značaj ksilanaze je značajno povećan zbog njene biotehnološke primene za proizvodnju pentoze, prečišćavanje voćnih sokova, poboljšanje varenja i biookonverziju lignoceluloznog poljoprivrednog otpada u goriva i hemikalije. Našla je svoju primenu u industriji hrane, tekstila i celuloze i papira, odlaganju poljoprivrednog otpada, proizvodnji etanola i stočnoj hrani.

Laccase

Lignolitički enzimi su primjenjivi u hidrolizi lignoceluloznih poljoprivrednih ostataka, posebno za razgradnju kompleksnog i nepumpirajućeg konstitutivnog lignina. Vrlo su raznovrsne prirode i mogu se koristiti u brojnim industrijskim procesima. Lignolitički enzimski sistem koristi se u bio-izbjeljivanju celuloze, te u drugim industrijama kao što su stabilizacija vinskih i voćnih sokova, pranje trapera, kozmetička industrija i biosenzori.

Lipaze

To je enzim mikroorganizama koji katalizira cijepanje i hidrolizu masti. Lipaze su podklasa esteraza. Oni igraju značajnu ulogu u varenju, transportu i preradi masti. Većina lipaza je uključena u određeni položaj na glicerinskoj okosnici masnog supstrata, posebno u tankom crijevu. Neki od njih su izraženi izlučenim patogenim organizmima tokom zarazne bolesti. Lipaze se smatraju glavnom grupom biotehnološki vrijednih enzima, uglavnom zbog svestranosti njihovih primijenjenih svojstava i lakoće masovne proizvodnje.

Primjena lipaze

Ovi enzimi su uključeni u različite biološke procese, u rasponu od rutinskog metabolizma triglicerida u prehrani do signalizacije i upale stanica. Neke aktivnosti lipaze ograničene su na određene odjeljke unutar ćelija, dok druge djeluju u izvanstaničnim prostorima.:

• Lipaze pankreasa se luče u vanćelijske prostore, gdje služe za preradu prehrambenih lipida u jednostavnije oblike koji se prenose po cijelom tijelu.
• Olakšajte apsorpciju hranljivih materija iz spoljašnje sredine.
• Povećana aktivnost lipaze zamjenjuje tradicionalne katalizatore u preradi biodizela.
• Koristi se u oblastima kao što su pečenje, deterdženti za pranje, kao biokatalizatori.
• U tekstilnoj industriji koristi se za povećanje upijanja tkanine i ujednačenosti tokom bojenja.
• Za modifikaciju ukusa hrane sintezom estera kratkolančanih masnih kiselina i alkohola.
• Prisustvo ili visok nivo lipaza može ukazivati na specifičnu infekciju ili bolest i može se koristiti kao dijagnostičko sredstvo.
• Imaju baktericidno dejstvo. Može se koristiti u liječenju malignih tumora.
• Od velikog su komercijalnog značaja u kozmetici i farmaciji (proizvodi za njegu kože, pripreme za uvijanje kosa).