Enzymy jsou biokatalyzátory, které hrají důležitou roli ve všech fázích metabolismu a biochemických reakcí. Jsou zvláště zajímavé a používají se jako organické katalyzátory v mnoha procesech v průmyslovém měřítku. Tento článek poskytuje přehled mikrobiálních enzymů a jejich klasifikaci.
Úvod
Různá bioodvětví vyžadují enzymy se specifickými vlastnostmi pro jejich použití při zpracování substrátů a surovin. Mikrobiální enzymy působí jako biokatalyzátory pro provádění reakcí v biologických procesech ekonomickým a ekologickým způsobem ve srovnání s použitím chemických katalyzátorů. Jejich speciální vlastnosti se používají pro komerční účely a průmyslové aplikace. Enzymy jsou velmi specifické, katalyzují asi 4000 biochemických reakcí. Nositel Nobelovy ceny Emil Fischer navrhl, že je to proto, že jak enzym, tak substrát mají specifické komplementární geometrie, které jsou přesnězapadají do sebe.
Definice
Enzymy jsou velké biologické molekuly zodpovědné za všechny ty důležité chemické výměny, které jsou nezbytné k udržení života. Jsou vysoce selektivními katalyzátory, které mohou výrazně urychlit jak rychlost, tak specifičnost metabolických reakcí, které sahají od trávení potravy až po syntézu DNA. Všechny metabolické procesy probíhající v nich závisí na tom, jaké enzymy se tvoří v buňkách mikroorganismů.
Historie
V roce 1877 Wilhelm Friedrich Kuehne, profesor fyziologie na univerzitě v Heidelbergu, poprvé použil termín „enzym“, který pochází z latinského slova fermentum, což znamená „v kvásku“. Získávání enzymů mikroorganismů začalo ve starověkém Řecku. Používaly se ke konzervaci jídla a pití.
V roce 1783 se slavný italský katolický kněz Lazzaro Spallanzani poprvé zmínil o důležitosti této biomolekuly ve své práci o biogenezi.
V roce 1812 Gottlieb Sigismund Kirchhoff zkoumal postup přeměny škrobu na glukózu. Ve svém experimentu zdůrazňuje použití enzymů jako katalyzátoru.
V roce 1833 objevil francouzský chemik Anselm Payen první enzym, diastázu.
O desetiletí později, v roce 1862, Louis Pasteur při studiu fermentace cukru na alkohol dospěl k závěru, že to bylo katalyzováno životní silou obsaženou v buňkách kvasinek.
Biomolekuly nalezené v příroděse od starověku široce používají při výrobě produktů, jako je len, kůže a indigo. Všechny tyto procesy byly způsobeny mikroorganismy - výrobci enzymů.
Význam
Enzymy jsou potřebné k usnadnění chemických reakcí. Jejich role v životě mikroorganismů je velmi důležitá. Spočívá v zajištění metabolických procesů, dýchání, trávení a dalších druhů života. Když enzymy fungují správně, homeostáza je zachována. Další úlohou enzymů v mikroorganismech je urychlení metabolismu.
Speciální funkce
Vlastnosti enzymů mikroorganismů zahrnují:
- tepelná odolnost;
- termofilní povaha;
- tolerance ke změně rozsahu pH;
- stabilita aktivity při změně teplot a pH;
- další přísné reakční podmínky.
Jsou klasifikovány jako termofilní, acidofilní nebo alkalifilní. Mikroorganismy s termostabilními enzymovými systémy snižují možnost mikrobiální kontaminace ve velkých průmyslových reakcích s dlouhým trváním. Mikrobiální enzymy pomáhají zvýšit přenos hmoty a snížit viskozitu substrátu během procesu hydrolýzy suroviny.
Klasifikace
Vzhledem k široké škále aktivit podle povahy jejich reakce jsou enzymy klasifikovány podle katalýzy:
- Oxidoreduktázy. Oxidační reakce zahrnují přenos elektronů z jedné molekulyjinému. V biologických systémech se jedná o odstranění vodíku ze substrátu.
- Převody. Tato třída enzymů katalyzuje přenos skupin atomů z jedné molekuly do druhé. Aminotransferázy nebo transaminázy usnadňují přenos aminoskupiny z aminokyseliny na alfa-oxokyselinu.
- Hydrolázy. Katalyzujte hydrolýzu, štěpení substrátů vodou. Reakce zahrnují štěpení peptidových vazeb v proteinech, glykosidických vazeb v sacharidech a esterových vazeb v lipidech. Obecně platí, že větší molekuly se rozpadají na menší fragmenty.
- Liase. Katalyzujte adici skupin na dvojné vazby nebo tvorbu dvojných vazeb odstraněním prvních. Například pektátové lyázy štěpí glykosidické vazby beta eliminací.
- Isomerázy. Katalyzují přenos skupin z jedné polohy do druhé ve stejné molekule. Změňte strukturu substrátu a přeskupte jeho atomy.
- Ligasy. Spojte molekuly dohromady kovalentními vazbami. Účastní se biosyntetických reakcí, kde vznikají nové vazebné skupiny. Takové reakce vyžadují přísun energie ve formě kofaktorů.
Aplikace
Fermentace se používá při přípravě mnoha potravin. Využití mikrobiálních enzymů v potravinářském průmyslu je dlouhodobý proces. Široce se používají následující typy:
- Amyláza. Zkapalnění škrobu, zlepšení kvality chleba, vyčeření ovocných šťáv.
- Glukoamylázy. Výroba piva a sirupů s vysokým obsahem glukózy a fruktózy.
- Proteáza. Výběrové řízenímaso, srážení mléka.
- Laktáza. Snížení intolerance laktózy u lidí, prebiotické výživové doplňky.
- Lipasa. Výroba sýru čedar.
- Fosfolipázy. Výroba lipolyzovaného mléčného tuku.
- Esteráza. Zlepšení chuti a vůně v ovocné šťávě. Deesterifikace vlákniny. Výroba esterů s krátkým řetězcem.
- Celulázy. Krmivo pro zvířata.
- Glukózooxidáza. Zlepšení trvanlivosti potravin.
- Laccases. Odstranění polyfenolů z vína.
- Katalázy. Konzervace potravin. Odstranění peroxidu vodíku z mléka před výrobou sýra.
- Peroxidáza. Vývoj chuti, barvy a kvality potravin.
Proteáza
Proteázy odvozené z mikrobiálních systémů jsou tří typů: kyselé, neutrální a zásadité. Alkalické serinové proteázy mají největší uplatnění v bioprůmyslu. Mají vysokou aktivitu a stabilitu za abnormálních podmínek extrémních fyziologických parametrů. Alkalické proteázy mají při použití v detergentech vlastnost vysoké stability enzymatické aktivity. Našli široké uplatnění v bioprůmyslu:
- výroba pracích prášků;
- potravinářský průmysl;
- zpracování kůže;
- pharmaceuticals;
- výzkum v molekulární biologii a syntéze peptidů.
Amyláza
Jedná se o enzym mikroorganismů, který katalyzuje rozklad škrobu na cukry. Bylobjevil a izoloval Anselm Peyen v roce 1833. Všechny amylázy jsou glykosidové hydrolázy. Jsou široce používány v průmyslu a představují téměř 25 % trhu s enzymy. Používá se v průmyslových odvětvích jako:
- jídlo;
- pekárna;
- papír a textil;
- sladidla a ovocné šťávy;
- glukózové a fruktózové sirupy;
- detergenty;
- palivo etanol ze škrobů;
- alkoholické nápoje;
- podpora trávení;
- odstraňovač skvrn při chemickém čištění.
Používá se také v klinické, lékařské a analytické chemii.
Xylanáza
Hemicelulóza je spolu s celulózou, ligninem a pektinem jednou z hlavních složek zemědělských zbytků. Xylan je jeho hlavní složkou. Význam xylanázy výrazně vzrostl díky jejím biotechnologickým aplikacím pro výrobu pentózy, čištění ovocných šťáv, zlepšení trávení a biopřeměnu lignocelulózového zemědělského odpadu na paliva a chemikálie. Své uplatnění našel v potravinářském, textilním a celulózo-papírenském průmyslu, likvidaci zemědělského odpadu, výrobě etanolu a krmení zvířat.
Laccase
Liginolytické enzymy jsou užitečné při hydrolýze lignocelulózových zemědělských zbytků, zejména pro degradaci komplexního a nečerpajícího ligninu. Jsou svou povahou velmi univerzální a lze je použít v řadě průmyslových procesů. Lignolytický enzymový systém se používá při bioodbarvování celulózy a dalších průmyslových odvětvích, jako je stabilizace vína a ovocných šťáv, praní džínoviny, kosmetika a biosenzory.
Lipasa
Jedná se o enzym mikroorganismů, který katalyzuje rozklad a hydrolýzu tuků. Lipázy jsou podtřídou esteráz. Hrají významnou roli při trávení, transportu a zpracování tuků. Většina lipáz je zapojena v určité poloze na glycerolové kostře tukového substrátu, zejména v tenkém střevě. Některé z nich jsou exprimovány vylučovanými patogenními organismy během infekčního onemocnění. Lipázy jsou považovány za hlavní skupinu biotechnologicky cenných enzymů, především díky všestrannosti jejich aplikovaných vlastností a snadné hromadné výrobě.
Aplikace lipázy
Tyto enzymy se podílejí na řadě biologických procesů, od rutinního metabolismu triglyceridů ve stravě až po signalizaci a zánět buněk. Některé aktivity lipázy jsou omezeny na určité kompartmenty v buňkách, zatímco jiné fungují v extracelulárních prostorech:
- Pankreatické lipázy jsou vylučovány do extracelulárních prostor, kde slouží k přeměně lipidů v potravě na jednodušší formy, které jsou transportovány po celém těle.
- Usnadnit vstřebávání živin z prostředí.
- Nahrazuje zvýšenou aktivitu lipázykonvenční katalyzátory při zpracování bionafty.
- Používá se v aplikacích, jako je pečení, prací prostředky, jako biokatalyzátory.
- V textilním průmyslu se používá ke zvýšení savosti látky a rovnoměrnosti při barvení.
- Upravit chuť potravin syntézou esterů mastných kyselin s krátkým řetězcem a alkoholů.
- Přítomnost nebo vysoké hladiny lipáz mohou indikovat konkrétní infekci nebo onemocnění a lze je použít jako diagnostický nástroj.
- Mají baktericidní účinek. Může být použit při léčbě zhoubných nádorů.
- Mají velkou komerční hodnotu v kosmetice a léčivech (přípravky pro péči o pleť, natáčky na vlasy).
