Mikrobni encimi: način nastanka, klasifikacija in lastnosti

Encimi so biokatalizatorji, ki imajo pomembno vlogo v vseh fazah presnove in biokemijskih reakcij. So posebej zanimivi in se uporabljajo kot organski katalizatorji v številnih procesih na industrijski ravni. Ta članek vsebuje pregled mikrobnih encimov in njihovo razvrstitev.

Uvod

Različne bioindustrije potrebujejo encime s posebnimi lastnostmi za njihovo uporabo pri predelavi substratov in surovin. Mikrobni encimi delujejo kot biokatalizatorji za izvajanje reakcij v bioloških procesih na ekonomičen in okolju prijazen način v primerjavi z uporabo kemičnih katalizatorjev. Njihove posebne lastnosti se uporabljajo za komercialne in industrijske namene. Encimi so zelo specifični, saj katalizirajo skoraj 4000 biokemičnih reakcij. Nobelov nagrajenec Emile Fischer je postavil hipotezo, da je to zato, ker imata encim in substrat specifično komplementarno geometrijo, ki se natančno prilegata drug drugemu.

Opredelitev

Encimi so velike biološke molekule, odgovorne za vse pomembne kemijske pretvorbe, ki so bistvenega pomena za življenjska podpora. So zelo selektivni katalizatorji, ki lahko znatno povečajo hitrost in specifičnost presnovnih reakcij, od prebave hrane do sinteze DNK. Vsi presnovni procesi, ki potekajo v celicah mikroorganizmov, so odvisni od tega, kateri encimi se tvorijo.

Zgodovina

Leta 1877 je Wilhelm Friedrich Kühne, profesor fiziologije na univerzi v Heidelbergu, prvič uporabil izraz "encim", ki izhaja iz latinske besede fermentum, pomen "v kvasu". Proizvodnja mikrobnih encimov se je začela v antični Grčiji. Uporabljali so jih za konzerviranje hrane in pijače.

Leta 1783 je znani italijanski katoliški duhovnik Lazzaro Spallanzani v svojem delu o biogenezi prvič omenil pomen te biomolekule.

Leta 1812 je Gottlieb Sigismund Kirchhoff raziskal pretvorbo škroba v glukozo. V svojem poskusu poudarja uporabo encimov kot katalizatorja.

Leta 1833 je francoski kemik Anselm Payen odkril prvi encim diastazo.

Nekaj desetletij pozneje, leta 1862, je Louis Pasteur med preučevanjem fermentacije sladkorja v alkohol prišel do zaključka, da jo katalizira življenjska sila v celicah kvasovk.

Biomolekule, ki jih najdemo v naravi, se že od nekdaj pogosto uporabljajo pri izdelavi izdelkov, kot so platno, usnje in indigo. Vse te procese so povzročili mikroorganizmi, ki proizvajajo encime.

Pomembnost

Encimi so potrebni za pospeševanje kemijskih reakcij. Njihova vloga v življenjski dejavnosti mikroorganizmov je zelo pomembna. Vključuje presnovne procese, dihanje, prebavo in druge dejavnosti. Če encimi delujejo pravilno, se ohranja homeostaza. Druga vloga encimov v mikroorganizmih je pospeševanje presnove.

Posebne značilnosti

Lastnosti mikrobnih encimov so:

• termostabilnost;
• termofilne narave;
• Toleranca na spreminjajoče se območje pH;
• stabilnost aktivnosti pri spremembah temperature in pH;
• drugi težki reakcijski pogoji.

Delimo jih na termofilne, acidofilne ali alkalnofilne. Mikroorganizmi s termostabilnimi encimskimi sistemi zmanjšujejo možnost mikrobne kontaminacije pri obsežnih in dolgotrajnih industrijskih reakcijah. Mikrobni encimi pomagajo povečati prenos mase in zmanjšati viskoznost substrata med postopkom hidrolize.

Razvrstitev

Zaradi širokega spektra dejavnosti, ki temeljijo na naravi njihove reakcije, encime razvrščamo glede na njihovo katalizo:

1. Oksidoreduktaze. Oksidacijske reakcije vključujejo prenos elektronov z ene molekule na drugo. V bioloških sistemih gre za odstranjevanje vodika iz substrata.
2. Transferaze. Ta razred encimov katalizira prenos skupin atomov iz ene molekule v drugo. Aminotransferaze ali transaminaze omogočajo prenos aminoskupine z aminokisline na alfa-okso kislino.
3. Hidrolaze. Katalizirajo hidrolizo, cepljenje substratov z vodo. Reakcije vključujejo cepitev peptidnih vezi v beljakovinah, glikozidnih vezi v ogljikovih hidratih in estrskih vezi v lipidih. Na splošno se večje molekule razgradijo na manjše dele.
4. Lijaze. Katalizirajo dodajanje skupin dvojnim vezem ali nastanek dvojnih vezi z odstranjevanjem prvih. Pektatne liaze na primer razgrajujejo glikozidne vezi z eliminacijo beta.
5. Izomeraze. katalizirajo prenos skupin z enega položaja na drugega v isti molekuli. spremeni strukturo substrata s preureditvijo njegovih atomov.
6. Ligaze. molekule povezuje s kovalentnimi vezmi. Sodelujejo v biosinteznih reakcijah, pri katerih nastajajo nove vezne skupine. Takšne reakcije zahtevajo vnos energije v obliki kofaktorjev.

Aplikacije

Fermentacija se uporablja pri pripravi številnih živil. Uporaba mikrobnih encimov v živilski industriji je dolgotrajen proces. Pogosto se uporabljajo naslednje vrste:

• Amilaza. utekočinjanje škroba, izboljšanje kakovosti kruha, prečiščevanje sadnih sokov.
• Glukoamilaze. Proizvodnja piva in sirupov z visoko vsebnostjo glukoze in fruktoze.
• Proteaza. Mehčanje mesa, koagulacija mleka.
• Laktaza. Zmanjšuje laktozno intoleranco pri ljudeh, prebiotična prehranska dopolnila.
• Lipaza. Proizvodnja sira čedar.
• Fosfolipaze. Proizvodnja lipolizirane mlečne maščobe.
• Esteraza. Izboljšanje okusa in arome sadnega soka. Desterifikacija prehranskih vlaknin. Proizvodnja kratkoverižnih estrov.
• Celulaze. Krma za živali.
• Glukoza oksidaza. Izboljšanje roka uporabnosti živil.
• Laccases. Odstranjevanje polifenolov iz vina.
• Katalaze. Ohranjanje hrane. Odstranjevanje vodikovega peroksida iz mleka pred proizvodnjo sira.
• Peroksidaza. Razvoj okusa, barve in kakovosti živil.

Proteaza

Proteaze, pridobljene iz mikrobnih sistemov, so treh vrst: kisle, nevtralne in alkalne. Alkalne serinske proteaze se najbolj uporabljajo v bioindustriji. Imajo visoko aktivnost in stabilnost v nenormalnih pogojih ekstremnih fizioloških parametrov. Alkalne proteaze imajo pri uporabi v detergentih zelo stabilno encimsko aktivnost. Našli so široko uporabo v bioindustriji:

• proizvodnja detergentov;
• prehrambena industrija;
• obdelava usnja;
• farmacevtskih izdelkov;
• raziskave na področju molekularne biologije in sinteze peptidov.

amilaza

Je mikrobni encim, ki katalizira razgradnjo škroba v sladkorje. Leta 1833 ga je odkril in izoliral Anselm Peyen. Vse amilaze so glikozidne hidrolaze. Široko se uporabljajo v industriji in predstavljajo skoraj 25 % trga encimov. Uporablja se v panogah, kot so:

• prehransko;
• pekarna;
• papir in tekstil;
• sladila in sadni sokovi;
• glukozni in fruktozni sirupi;
• detergenti;
• etanol za gorivo iz škroba;
• alkoholne pijače
• pomoč pri prebavi;
• odstranjevalec madežev v kemičnem čiščenju.

Uporablja se tudi v klinični, medicinski in analitični kemiji.

Ksilanaza

Hemiceluloza je poleg celuloze, lignina in pektina ena glavnih sestavin kmetijskih ostankov. Njegova glavna sestavina je ksilan. Pomen ksilanaze se je znatno povečal zaradi njene biotehnološke uporabe za proizvodnjo pentoz, čiščenje sadnih sokov, izboljšanje prebave in biokonverzijo lignoceluloznih kmetijskih ostankov v goriva in kemikalije. Uporablja se v živilski, tekstilni, celulozni in papirni industriji, pri ravnanju s kmetijskimi odpadki, proizvodnji etanola in krmi za živali.

Lakaza

Ligninolitični encimi se uporabljajo pri hidrolizi lignoceluloznih kmetijskih ostankov, zlasti za razgradnjo kompleksne in neprenosljive sestavine lignina. So zelo vsestranski in se lahko uporabljajo v številnih industrijskih procesih. Lignolitični encimski sistem se uporablja pri biološkem beljenju celuloze in v drugih industrijah, kot so stabilizacija vina in sadnih sokov, pranje džinsa, kozmetika in biosenzorji.

Lipaza

Je mikrobni encim, ki katalizira razgradnjo in hidrolizo maščob. Lipaze so podrazred esteraz. Imajo pomembno vlogo pri prebavi, transportu in predelavi maščob. Večina lipaz sodeluje na določenem mestu na glicerinski hrbtenici maščobnega substrata, zlasti v tankem črevesu. Nekateri se izražajo z izločanjem patogenov med nalezljivimi boleznimi. Lipaze veljajo za glavno skupino biotehnološko dragocenih encimov, predvsem zaradi njihovih vsestranskih lastnosti in enostavne množične proizvodnje.

Uporaba lipaze

Ti encimi sodelujejo v različnih bioloških procesih, od rutinske presnove trigliceridov v prehrani do prenosa signalov in celičnih vnetij. Nekatere lipaze so omejene na določene predele v celicah, druge pa delujejo v zunajceličnem prostoru:

• Pankreatične lipaze se izločajo v zunajcelične prostore, kjer služijo za recikliranje prehranskih lipidov v enostavnejše oblike, ki se prenašajo po telesu.
• Olajša absorpcijo hranil iz zunanjega okolja.
• Povečana aktivnost lipaze nadomešča tradicionalne katalizatorje pri predelavi biodizla.
• Uporablja se na področjih, kot so izdelki za peko, pralni detergenti, kot biokatalizatorji.
• V tekstilni industriji se uporablja za povečanje vpojnosti tkanine in enakomernosti med barvanjem.
• Spreminjanje okusa živil s sintezo estrov kratkoverižnih maščobnih kislin in alkoholov.
• Prisotnost ali visoka raven lipaze lahko kaže na določeno okužbo ali bolezen in se lahko uporablja kot diagnostično orodje.
• imajo baktericidni učinek. Lahko se uporablja pri zdravljenju malignih tumorjev.
• imajo velik komercialni pomen v kozmetiki in farmacevtskih izdelkih (izdelki za nego kože, pripravki za kodranje lasje).