Entsyymit ovat biokatalyyttejä, joilla on tärkeä rooli aineenvaihdunnan ja biokemiallisten reaktioiden kaikissa vaiheissa. Ne ovat erityisen kiinnostavia ja niitä käytetään orgaanisina katalyytteinä lukuisissa teollisen mittakaavan prosesseissa. Tämä artikkeli tarjoaa yleiskatsauksen mikrobientsyymeistä ja niiden luokittelusta.
Esittely
Eri bioteollisuus tarvitsee entsyymejä, joilla on erityisominaisuudet, käyttääkseen niitä substraattien ja raaka-aineiden käsittelyssä. Mikrobientsyymit toimivat biokatalyytteinä ja suorittavat reaktioita biologisissa prosesseissa taloudellisesti ja ympäristöystävällisesti verrattuna kemiallisten katalyyttien käyttöön. Niiden erityisominaisuuksia käytetään kaupallisiin ja teollisiin sovelluksiin. Entsyymit ovat hyvin spesifisiä, ne katalysoivat noin 4000 biokemiallista reaktiota. Nobel-palkittu Emil Fischer ehdotti, että tämä johtuu siitä, että sekä entsyymillä että substraatilla on erityisiä toisiaan täydentäviä geometrioita, jotka ovat täsmälleensopivat toisiinsa.
Määritelmä
Entsyymit ovat suuria biologisia molekyylejä, jotka vastaavat kaikista tärkeistä kemiallisista vaihdoista, jotka ovat välttämättömiä elämän ylläpitämiseksi. Ne ovat erittäin selektiivisiä katalyyttejä, jotka voivat nopeuttaa huomattavasti sekä aineenvaihduntareaktioiden nopeutta että spesifisyyttä, jotka vaihtelevat ruoansulatuksesta DNA-synteesiin. Kaikki niissä tapahtuvat aineenvaihduntaprosessit riippuvat siitä, mitä entsyymejä mikro-organismien soluissa muodostuu.
Historia
Vuonna 1877 Wilhelm Friedrich Kuehne, fysiologian professori Heidelbergin yliopistosta, käytti ensimmäisen kerran termiä "entsyymi", joka tulee latinan sanasta fermentum, joka tarkoittaa "hapatuksessa". Mikro-organismien entsyymien hankkiminen alkoi antiikin Kreikassa. Niitä käytettiin ruoan ja juoman säilöntään.
Vuonna 1783 kuuluisa italialainen katolinen pappi Lazzaro Spallanzani mainitsi ensimmäisen kerran tämän biomolekyylin merkityksen biogeneesiä koskevassa työssään.
Vuonna 1812 Gottlieb Sigismund Kirchhoff tutki menetelmää tärkkelyksen muuntamiseksi glukoosiksi. Kokeessaan hän korostaa entsyymien käyttöä katalysaattorina.
Vuonna 1833 ranskalainen kemisti Anselm Payen löysi ensimmäisen entsyymin, diastaasin.
Vuosikymmeniä myöhemmin, vuonna 1862, tutkiessaan sokerin käymistä alkoholiksi Louis Pasteur tuli siihen tulokseen, että sen katalysoi hiivasolujen sisältämä elämänvoima.
Biomolekyylejä luonnossaNiitä on käytetty laajasti muinaisista ajoista lähtien sellaisten tuotteiden valmistuksessa kuin pellava, nahka ja indigo. Kaikki nämä prosessit ovat mikro-organismien – entsyymien tuottajien – aiheuttamia.
Merkitys
Entsyymejä tarvitaan helpottamaan kemiallisia reaktioita. Niiden rooli mikro-organismien elämässä on erittäin tärkeä. Se koostuu aineenvaihduntaprosessien, hengityksen, ruoansulatuksen ja muun elämän varmistamisesta. Kun entsyymit toimivat oikein, homeostaasi säilyy. Toinen entsyymien tehtävä mikro-organismeissa on nopeuttaa aineenvaihduntaa.
Erikoisominaisuudet
Mikro-organismien entsyymiominaisuuksiin kuuluvat:
- lämmönkesto;
- termofiilinen luonne;
- sietokyky muuttuvalle pH-alueelle;
- aktiivisuuden stabiilisuus lämpötilan ja pH:n muuttuessa;
- muut tiukat reaktio-olosuhteet.
Ne luokitellaan termofiilisiksi, acidofiilisiksi tai alkalofiilisiksi. Mikro-organismit, joissa on lämpöstabiilit entsyymijärjestelmät, vähentävät mikrobikontaminaation mahdollisuutta laajamittaisissa ja pitkäkestoisissa teollisissa reaktioissa. Mikrobientsyymit auttavat lisäämään massansiirtoa ja vähentämään substraatin viskositeettia raaka-aineen hydrolyysiprosessin aikana.
Luokittelu
Entsyymit luokitellaan katalyysin mukaan, koska niiden reaktion luonteeseen perustuva toiminta on laajaa:
- Oksidoreduktaasit. Hapetusreaktioihin liittyy elektronien siirto yhdestä molekyylistätoiselle. Biologisissa järjestelmissä tämä on vedyn poistamista alustasta.
- Siirrot. Tämä entsyymiluokka katalysoi atomiryhmien siirtymistä molekyylistä toiseen. Aminotransferaasit tai transaminaasit helpottavat aminoryhmän siirtymistä aminohaposta alfa-oksohappoon.
- Hydrolaasit. Katalysoi hydrolyysiä, substraattien halkeilua vedellä. Reaktioihin kuuluvat peptidisidosten katkeaminen proteiineissa, glykosidisidokset hiilihydraateissa ja esterisidokset lipideissä. Yleensä suuremmat molekyylit hajoavat pienemmiksi fragmenteiksi.
- Liase. Katalysoi ryhmien lisääminen kaksoissidoksiin tai jälkimmäisten muodostuminen poistamalla edellinen. Esimerkiksi pektaattilyaasit katkaisevat glykosidisidoksia beeta-eliminaatiolla.
- Isomeraasit. Ne katalysoivat ryhmien siirtymistä paikasta toiseen samassa molekyylissä. Muuta substraatin rakennetta järjestämällä sen atomit uudelleen.
- Ligases. Yhdistä molekyylit yhteen kovalenttisilla sidoksilla. Ne osallistuvat biosynteettisiin reaktioihin, joissa muodostuu uusia sidosryhmiä. Tällaiset reaktiot vaativat energian syöttöä kofaktorien muodossa.
Hakemus
Kermentointia käytetään monien ruokien valmistuksessa. Mikrobientsyymien käyttö elintarviketeollisuudessa on pitkäaikainen prosessi. Seuraavat tyypit ovat laaj alti käytössä:
- Amylaasi. Tärkkelyksen nesteyttäminen, leivän laadun parantaminen, hedelmämehujen selkeytys.
- Glukoamylaasit. Korkean glukoosi- ja fruktoosipitoisuuden omaavien oluiden ja siirappien valmistus.
- Proteaasi. Tarjousliha, maidon hyytyminen.
- Laktaasi. Laktoosi-intoleranssin vähentäminen ihmisillä, prebioottiset ravintolisät.
- Lipaasi. Cheddar-juuston tuotanto.
- Fosfolipaasit. Lipolysoidun maitorasvan tuotanto.
- Esterase. Hedelmämehun maun ja aromin parantaminen. Ravintokuidun deesteröinti. Lyhytketjuisten esterien tuotanto.
- Sellulaasit. Eläinten rehu.
- Glukoosioksidaasi. Ruoan säilyvyyden parantaminen.
- Laccases. Polyfenolien poistaminen viinistä.
- Katalaasit. Ruoan säilöntä. Vetyperoksidin poisto maidosta ennen juuston valmistusta.
- Peroksidaasi. Ruoan maun, värin ja laadun kehittyminen.
Proteaasi
Mikrobijärjestelmistä peräisin olevia proteaaseja on kolmenlaisia: happamia, neutraaleja ja emäksisiä. Alkalisilla seriiniproteaaseilla on suurin käyttö bioteollisuudessa. Niillä on korkea aktiivisuus ja stabiilisuus äärimmäisten fysiologisten parametrien epänormaaleissa olosuhteissa. Alkalisilla proteaaseilla on ominaisuus entsymaattisen aktiivisuuden korkea stabiilisuus, kun niitä käytetään pesuaineissa. He ovat löytäneet laajan sovelluksen bioteollisuudessa:
- pesujauheiden tuotanto;
- elintarviketeollisuus;
- nahankäsittely;
- lääkkeet;
- molekyylibiologian ja peptidisynteesin tutkimusta.
amylaasi
Tämä on mikro-organismien entsyymi, joka katalysoi tärkkelyksen hajoamista sokereiksi. Hän oliAnselm Peyen löysi ja eristi vuonna 1833. Kaikki amylaasit ovat glykosidihydrolaaseja. Niitä käytetään laajasti teollisuudessa, ja niiden osuus on lähes 25 % entsyymimarkkinoista. Käytetään seuraavilla aloilla:
- ruoka;
- leipomo;
- paperi ja tekstiilit;
- makeutusaineet ja hedelmämehut;
- glukoosi- ja fruktoosisiirapit;
- pesuaineet;
- polttoaineetanoli tärkkelyksestä;
- alkoholijuomat;
- ruoansulatuselimistön tuki;
- tahrojenpoistoaine kuivapesussa.
Käytetään myös kliinisessä, lääketieteellisessä ja analyyttisessä kemiassa.
Ksylanaasi
Hemiselluloosa on selluloosan, ligniinin ja pektiinin ohella yksi tärkeimmistä maatalousjätteiden ainesosista. Ksylaani on sen pääkomponentti. Ksylanaasin merkitys on kasvanut merkittävästi sen bioteknisten sovellusten ansiosta pentoosin valmistuksessa, hedelmämehujen puhdistuksessa, ruuansulatuksen parantamisessa sekä lignoselluloosapitoisen maatalousjätteen biokonversiossa polttoaineiksi ja kemikaaleiksi. Se on löytänyt sovelluksensa elintarvike-, tekstiili- ja massa- ja paperiteollisuudessa, maatalousjätteiden hävittämisessä, etanolin tuotannossa ja eläinten rehussa.
Laccase
Liginolyyttiset entsyymit ovat hyödyllisiä lignoselluloosapitoisten maatalousjätteiden hydrolyysissä, erityisesti monimutkaisen ja ei-pumppaavan ligniinin hajottamisessa. Ne ovat luonteeltaan erittäin monipuolisia ja niitä voidaan käyttää useissa teollisissa prosesseissa. Lignolyyttistä entsyymijärjestelmää käytetään selluloosan biovärinpoistossa ja muilla aloilla, kuten viinin ja hedelmämehun stabiloinnissa, farkkujen pesussa, kosmetiikassa ja biosensoreissa.
Lipase
Tämä on mikro-organismien entsyymi, joka katalysoi rasvojen hajoamista ja hydrolyysiä. Lipaasit ovat esteraasien alaluokka. Niillä on merkittävä rooli ruuansulatuksessa, kuljetuksessa ja rasvojen käsittelyssä. Suurin osa lipaaseista on mukana tietyssä paikassa rasvasubstraatin glyserolirungossa, erityisesti ohutsuolessa. Jotkut niistä ilmentyvät erittyneiden patogeenisten organismien toimesta tartuntataudin aikana. Lipaaseja pidetään bioteknisesti arvokkaiden entsyymien pääryhmänä pääasiassa niiden sovellettavien ominaisuuksien monipuolisuuden ja massatuotannon helppouden vuoksi.
Lipaasisovellus
Nämä entsyymit osallistuvat moniin biologisiin prosesseihin aina rutiininomaisesta triglyseridien aineenvaihdunnasta ruokavaliossa signalointiin ja solutulehduksiin. Jotkut lipaasitoiminnot rajoittuvat tiettyihin solujen osastoihin, kun taas toiset toimivat solunulkoisissa tiloissa:
- Haiman lipaasit erittyvät solunulkoisiin tiloihin, joissa ne muuntavat ravinnon lipidejä yksinkertaisemmiksi muodoiksi, jotka kulkeutuvat koko kehoon.
- Helpottaa ravinteiden imeytymistä ympäristöstä.
- Lippaasiaktiivisuuden lisääntyminen korvaatavanomaiset katalyytit biodieselin valmistuksessa.
- Käytetään sovelluksissa, kuten leivonnassa, pyykinpesuaineissa, biokatalyytteinä.
- Tekstiiliteollisuudessa sitä käytetään lisäämään kankaan imukykyä ja tasaisuutta värjäyksessä.
- Muokkaa ruoan makua syntetisoimalla lyhytketjuisten rasvahappojen ja alkoholien estereitä.
- Lipaasien esiintyminen tai korkea taso voi viitata tiettyyn infektioon tai sairauteen, ja sitä voidaan käyttää diagnostisena työkaluna.
- On bakterisidinen vaikutus. Voidaan käyttää pahanlaatuisten kasvainten hoidossa.
- Sillä on suuri kaupallinen arvo kosmetiikassa ja lääkkeissä (ihonhoitotuotteet, kihartimet).
