Τα ένζυμα είναι βιοκαταλύτες που παίζουν σημαντικό ρόλο σε όλα τα στάδια του μεταβολισμού και τις βιοχημικές αντιδράσεις. Έχουν ιδιαίτερο ενδιαφέρον και χρησιμοποιούνται ως οργανικοί καταλύτες σε πολυάριθμες διεργασίες βιομηχανικής κλίμακας. Αυτό το άρθρο παρέχει μια επισκόπηση των μικροβιακών ενζύμων και την ταξινόμησή τους.
Εισαγωγή
Διαφορετικές βιοβιομηχανίες απαιτούν ένζυμα με συγκεκριμένα χαρακτηριστικά για τη χρήση τους στην επεξεργασία υποστρωμάτων και πρώτων υλών. Τα μικροβιακά ένζυμα δρουν ως βιοκαταλύτες για τη διεξαγωγή αντιδράσεων σε βιολογικές διεργασίες με οικονομικό και φιλικό προς το περιβάλλον τρόπο σε σύγκριση με τη χρήση χημικών καταλυτών. Τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά τους χρησιμοποιούνται για εμπορικό ενδιαφέρον και βιομηχανικές εφαρμογές. Τα ένζυμα είναι πολύ συγκεκριμένα, καταλύουν περίπου 4000 βιοχημικές αντιδράσεις. Ο νομπελίστας Emil Fischer πρότεινε ότι αυτό συμβαίνει επειδή τόσο το ένζυμο όσο και το υπόστρωμα έχουν συγκεκριμένες συμπληρωματικές γεωμετρίες που είναι ακριβώςταιριάζουν μεταξύ τους.
Ορισμός
Τα ένζυμα είναι μεγάλα βιολογικά μόρια υπεύθυνα για όλες εκείνες τις σημαντικές χημικές ανταλλαγές που είναι απαραίτητες για τη διατήρηση της ζωής. Είναι εξαιρετικά εκλεκτικοί καταλύτες που μπορούν να επιταχύνουν σημαντικά τόσο τον ρυθμό όσο και την ειδικότητα των μεταβολικών αντιδράσεων που κυμαίνονται από την πέψη των τροφίμων έως τη σύνθεση DNA. Όλες οι μεταβολικές διεργασίες που συμβαίνουν σε αυτά εξαρτώνται από τα ένζυμα που σχηματίζονται στα κύτταρα των μικροοργανισμών.
Ιστορία
Το 1877, ο Wilhelm Friedrich Kuehne, καθηγητής φυσιολογίας στο Πανεπιστήμιο της Χαϊδελβέργης, χρησιμοποίησε για πρώτη φορά τον όρο «ένζυμο», που προέρχεται από τη λατινική λέξη fermentum, που σημαίνει «σε προζύμι». Η λήψη ενζύμων μικροοργανισμών ξεκίνησε στην αρχαία Ελλάδα. Χρησιμοποιήθηκαν για τη συντήρηση των τροφίμων και των ποτών.
Το 1783, ο διάσημος Ιταλός καθολικός ιερέας Lazzaro Spallanzani ανέφερε για πρώτη φορά τη σημασία αυτού του βιομορίου στο έργο του για τη βιογένεση.
Το 1812, ο Gottlieb Sigismund Kirchhoff ερεύνησε τη διαδικασία μετατροπής του αμύλου σε γλυκόζη. Στο πείραμά του, τονίζει τη χρήση των ενζύμων ως καταλύτη.
Το 1833, ο Γάλλος χημικός Anselm Payen ανακάλυψε το πρώτο ένζυμο, τη διαστάση.
Δεκαετίες αργότερα, το 1862, ενώ μελετούσε τη ζύμωση της ζάχαρης σε αλκοόλ, ο Λουί Παστέρ κατέληξε στο συμπέρασμα ότι καταλύθηκε από τη ζωτική δύναμη που περιέχεται στα κύτταρα της ζύμης.
Βιομόρια που βρίσκονται στη φύσηέχουν χρησιμοποιηθεί ευρέως από την αρχαιότητα στην κατασκευή προϊόντων όπως λινό, δέρμα και indigo. Όλες αυτές οι διεργασίες προκλήθηκαν από μικροοργανισμούς - παραγωγούς ενζύμων.
Σημασία
Τα ένζυμα απαιτούνται για τη διευκόλυνση των χημικών αντιδράσεων. Ο ρόλος τους στη ζωή των μικροοργανισμών είναι πολύ σημαντικός. Συνίσταται στη διασφάλιση μεταβολικών διεργασιών, αναπνοής, πέψης και άλλων τύπων ζωής. Όταν τα ένζυμα λειτουργούν σωστά, διατηρείται η ομοιόσταση. Ένας άλλος ρόλος των ενζύμων στους μικροοργανισμούς είναι η επιτάχυνση του μεταβολισμού.
Ειδικές δυνατότητες
Οι ιδιότητες των ενζύμων μικροοργανισμών περιλαμβάνουν:
- αντοχή στη θερμότητα;
- θερμοφιλική φύση;
- ανοχή στην αλλαγή του εύρους pH;
- σταθερότητα δραστηριότητας κατά την αλλαγή θερμοκρασίας και pH;
- άλλες αυστηρές συνθήκες αντίδρασης.
Ταξινομούνται ως θερμόφιλα, οξεόφιλα ή αλκαλόφιλα. Οι μικροοργανισμοί με θερμοσταθερά ενζυμικά συστήματα μειώνουν την πιθανότητα μικροβιακής μόλυνσης σε μεγάλης κλίμακας βιομηχανικές αντιδράσεις μεγάλης διάρκειας. Τα μικροβιακά ένζυμα βοηθούν στην αύξηση της μεταφοράς μάζας και στη μείωση του ιξώδους του υποστρώματος κατά τη διαδικασία υδρόλυσης της πρώτης ύλης.
Ταξινόμηση
Λόγω του ευρέος φάσματος δραστηριοτήτων που βασίζονται στη φύση της αντίδρασής τους, τα ένζυμα ταξινομούνται σύμφωνα με την κατάλυση:
- Οξειδοαναγωγάσες. Οι αντιδράσεις οξείδωσης περιλαμβάνουν τη μεταφορά ηλεκτρονίων από ένα μόνο μόριοσε άλλο. Στα βιολογικά συστήματα, αυτή είναι η απομάκρυνση του υδρογόνου από το υπόστρωμα.
- Μεταφορές. Αυτή η κατηγορία ενζύμων καταλύει τη μεταφορά ομάδων ατόμων από το ένα μόριο στο άλλο. Οι αμινοτρανσφεράσες ή τρανσαμινάσες διευκολύνουν τη μεταφορά μιας αμινομάδας από ένα αμινοξύ σε ένα άλφα-οξοξύ.
- Υδρολάσες. Καταλύει την υδρόλυση, διάσπαση των υποστρωμάτων με νερό. Οι αντιδράσεις περιλαμβάνουν τη διάσπαση των πεπτιδικών δεσμών στις πρωτεΐνες, των γλυκοσιδικών δεσμών στους υδατάνθρακες και των εστερικών δεσμών στα λιπίδια. Γενικά, μεγαλύτερα μόρια διασπώνται σε μικρότερα θραύσματα.
- Liase. Καταλύστε την προσθήκη ομάδων σε διπλούς δεσμούς ή το σχηματισμό των δεύτερων αφαιρώντας τους πρώτους. Για παράδειγμα, οι πηκτικές λυάσες διασπούν τους γλυκοσιδικούς δεσμούς με την αποβολή βήτα.
- Ισομεράσες. Καταλύουν τη μεταφορά ομάδων από τη μια θέση στην άλλη στο ίδιο μόριο. Αλλάξτε τη δομή του υποστρώματος, αναδιατάσσοντας τα άτομα του.
- Λιγάσες. Συνδέστε τα μόρια μαζί με ομοιοπολικούς δεσμούς. Συμμετέχουν σε βιοσυνθετικές αντιδράσεις, όπου σχηματίζονται νέες ομάδες δεσμών. Τέτοιες αντιδράσεις απαιτούν εισροή ενέργειας με τη μορφή συμπαραγόντων.
Αίτηση
Η ζύμωση χρησιμοποιείται στην παρασκευή πολλών τροφίμων. Η χρήση μικροβιακών ενζύμων στη βιομηχανία τροφίμων είναι μια μακροχρόνια διαδικασία. Οι ακόλουθοι τύποι χρησιμοποιούνται ευρέως:
- Αμυλάση. Υγροποίηση αμύλου, βελτίωση της ποιότητας του ψωμιού, διαύγαση χυμών φρούτων.
- Γλυκοαμυλάσες. Παραγωγή μπύρας και σιροπιών με υψηλή περιεκτικότητα σε γλυκόζη και φρουκτόζη.
- Πρωτεάση. Διαγωνισμόςκρέας, πήξη γάλακτος.
- Λακτάση. Μείωση της δυσανεξίας στη λακτόζη στον άνθρωπο, πρεβιοτικά συμπληρώματα διατροφής.
- Λιπάση. Παραγωγή τυριού τσένταρ.
- Φωσφολιπάσες. Παραγωγή λιπολυμένου λίπους γάλακτος.
- Esterase. Βελτίωση γεύσης και αρώματος στον χυμό φρούτων. Αποεστεροποίηση διαιτητικών ινών. Παραγωγή εστέρων μικρής αλυσίδας.
- Κυτταρίνες. Ζωοτροφές.
- οξειδάση γλυκόζης. Βελτίωση της διάρκειας ζωής των τροφίμων.
- Λακκάσες. Αφαίρεση πολυφαινολών από το κρασί.
- Καταλάσες. Συντήρηση τροφίμων. Αφαίρεση υπεροξειδίου του υδρογόνου από το γάλα πριν από την παραγωγή τυριού.
- Υπεροξειδάση. Ανάπτυξη γεύσης, χρώματος και ποιότητας φαγητού.
Πρωτεάση
Οι πρωτεάσες που προέρχονται από μικροβιακά συστήματα είναι τριών τύπων: όξινες, ουδέτερες και αλκαλικές. Οι αλκαλικές πρωτεάσες σερίνης έχουν τη μεγαλύτερη εφαρμογή στη βιοβιομηχανία. Έχουν υψηλή δραστηριότητα και σταθερότητα κάτω από μη φυσιολογικές συνθήκες ακραίων φυσιολογικών παραμέτρων. Οι αλκαλικές πρωτεάσες έχουν την ιδιότητα της υψηλής σταθερότητας της ενζυματικής δραστηριότητας όταν χρησιμοποιούνται σε απορρυπαντικά. Έχουν βρει ευρεία εφαρμογή στη βιοβιομηχανία:
- παραγωγή σκονών πλυσίματος;
- βιομηχανία τροφίμων;
- επεξεργασία δέρματος;
- pharmaceuticals;
- έρευνα στη μοριακή βιολογία και τη σύνθεση πεπτιδίων.
Αμυλάση
Αυτό είναι ένα ένζυμο μικροοργανισμών που καταλύει τη διάσπαση του αμύλου σε σάκχαρα. Αυτός ήτανανακαλύφθηκε και απομονώθηκε από τον Anselm Peyen το 1833. Όλες οι αμυλάσες είναι γλυκοσιδικές υδρολάσες. Χρησιμοποιούνται ευρέως στη βιομηχανία και αντιπροσωπεύουν σχεδόν το 25% της αγοράς ενζύμων. Χρησιμοποιείται σε βιομηχανίες όπως:
- food;
- αρτοποιείο;
- χαρτί και ύφασμα;
- γλυκαντικά και χυμοί φρούτων;
- σιρόπια γλυκόζης και φρουκτόζης;
- απορρυπαντικά;
- καύσιμο αιθανόλης από άμυλα;
- αλκοολούχα ποτά;
- πεπτική βοήθεια;
- αφαίρεση λεκέδων στο στεγνό καθάρισμα.
Χρησιμοποιείται επίσης στην κλινική, ιατρική και αναλυτική χημεία.
Ξυλανάση
Η ημικυτταρίνη είναι ένα από τα κύρια συστατικά των γεωργικών υπολειμμάτων μαζί με την κυτταρίνη, τη λιγνίνη και την πηκτίνη. Το Xylan είναι το κύριο συστατικό του. Η σημασία της ξυλανάσης έχει αυξηθεί σημαντικά λόγω των βιοτεχνολογικών της εφαρμογών για την παραγωγή πεντόζης, τον καθαρισμό των χυμών φρούτων, τη βελτίωση της πέψης και τη βιομετατροπή των λιγνοκυτταρινικών γεωργικών αποβλήτων σε καύσιμα και χημικά. Βρήκε την εφαρμογή του στις βιομηχανίες τροφίμων, κλωστοϋφαντουργίας και χαρτοπολτού και χαρτιού, στη διάθεση γεωργικών απορριμμάτων, στην παραγωγή αιθανόλης και στις ζωοτροφές.
Λακκάση
Τα λιγινολυτικά ένζυμα είναι χρήσιμα στην υδρόλυση λιγνοκυτταρινικών γεωργικών υπολειμμάτων, ειδικά για την αποικοδόμηση της σύνθετης και μη αντλητικής συστατικής λιγνίνης. Είναι πολύ ευέλικτα στη φύση τους και μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε διάφορες βιομηχανικές διεργασίες. Το σύστημα λιγνολυτικών ενζύμων χρησιμοποιείται στον βιοαποχρωματισμό κυτταρίνης και σε άλλες βιομηχανίες όπως η σταθεροποίηση κρασιού και χυμών φρούτων, το ξέπλυμα τζιν, τα καλλυντικά και οι βιοαισθητήρες.
Λιπάση
Αυτό είναι ένα ένζυμο μικροοργανισμών που καταλύει τη διάσπαση και την υδρόλυση των λιπών. Οι λιπάσες είναι μια υποκατηγορία εστερασών. Παίζουν σημαντικό ρόλο στην πέψη, τη μεταφορά και την επεξεργασία των λιπών. Οι περισσότερες από τις λιπάσες εμπλέκονται σε μια ορισμένη θέση στη σπονδυλική στήλη της γλυκερίνης του λιπαρού υποστρώματος, ειδικά στο λεπτό έντερο. Κάποια από αυτά εκφράζονται από εκκρινόμενους παθογόνους οργανισμούς κατά τη διάρκεια μιας λοιμώδους νόσου. Οι λιπάσες θεωρούνται η κύρια ομάδα βιοτεχνολογικά πολύτιμων ενζύμων, κυρίως λόγω της ευελιξίας των εφαρμοζόμενων ιδιοτήτων τους και της ευκολίας μαζικής παραγωγής.
Εφαρμογή λιπάσης
Αυτά τα ένζυμα εμπλέκονται σε μια ποικιλία βιολογικών διεργασιών, που κυμαίνονται από τον συνηθισμένο μεταβολισμό των τριγλυκεριδίων στη διατροφή μέχρι τη σηματοδότηση και τη φλεγμονή των κυττάρων. Ορισμένες δραστηριότητες λιπάσης περιορίζονται σε ορισμένα διαμερίσματα εντός των κυττάρων, ενώ άλλες λειτουργούν σε εξωκυτταρικούς χώρους:
- Οι παγκρεατικές λιπάσες εκκρίνονται σε εξωκυτταρικούς χώρους όπου χρησιμεύουν για τη μετατροπή των διατροφικών λιπιδίων σε απλούστερες μορφές που μεταφέρονται σε όλο το σώμα.
- Διευκολύνετε την απορρόφηση των θρεπτικών ουσιών από το περιβάλλον.
- Αυξημένη δραστηριότητα λιπάσης αντικαθιστάσυμβατικοί καταλύτες στην επεξεργασία βιοντίζελ.
- Χρησιμοποιείται σε εφαρμογές όπως το ψήσιμο, τα απορρυπαντικά πλυντηρίων ρούχων, ως βιοκαταλύτες.
- Στην κλωστοϋφαντουργία, χρησιμοποιείται για να αυξήσει την απορροφητικότητα του υφάσματος και την ομοιομορφία κατά τη βαφή.
- Για να τροποποιήσετε τη γεύση του φαγητού συνθέτοντας εστέρες λιπαρών οξέων και αλκοολών βραχείας αλυσίδας.
- Η παρουσία ή τα υψηλά επίπεδα λιπασών μπορεί να υποδηλώνουν μια συγκεκριμένη μόλυνση ή ασθένεια και μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως διαγνωστικό εργαλείο.
- Έχουν βακτηριοκτόνο δράση. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί στη θεραπεία κακοήθων όγκων.
- Έχουν μεγάλη εμπορική αξία σε καλλυντικά και φαρμακευτικά προϊόντα (προϊόντα περιποίησης δέρματος, σίδερα μαλλιών).
