Enzimi mikroorganizama: metode formiranja, klasifikacija i svojstva

Enzimi su biokatalizatori koji igraju važnu ulogu u svim fazama metabolizma i biokemijskih reakcija. Oni su od posebnog interesa i koriste se kao organski katalizatori u brojnim procesima na industrijskoj razini. Ovaj članak daje pregled enzima mikroorganizama i njihovu klasifikaciju.

Uvod

Različite bioindustrije trebaju enzime koji imaju posebne karakteristike za njihovu primjenu u obradi supstrata i sirovina. Enzimi mikroorganizama djeluju kao biokatalizatori za provođenje reakcija u biološkim procesima na ekonomičan i ekološki prihvatljiv način u usporedbi s upotrebom kemijskih katalizatora. Njihove posebne karakteristike koriste se za komercijalni interes i industrijsku primjenu. Enzimi su vrlo specifični, kataliziraju oko 4000 biokemijskih reakcija. Nobelovac Emil Fischer sugerirao je da je to zato što i enzim i supstrat posjeduju specifične komplementarne geometrijske oblike koji se točno uklapaju.

Definicija

Enzimi su velike biološke molekule odgovorne za sve one važne kemijske interkonverzije koje potrebno za održavanje života. Oni su visoko selektivni katalizatori koji mogu uvelike ubrzati brzinu i specifičnost metaboličkih reakcija koje se kreću od probave hrane do sinteze DNA. Svi metabolički procesi koji se u njima odvijaju ovise o tome koji enzimi nastaju u stanicama mikroorganizama.

Povijest

1877. Vilhelm Friedrich Kuehne, profesor fiziologije na Sveučilištu u Heidelbergu, prvi je put upotrijebio izraz "enzim", koji potječe od latinske riječi opacia, označitelj "u kiselom tijestu". Proizvodnja enzima mikroorganizama započela je u staroj Grčkoj. Koristili su se za očuvanje hrane i pića.

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

1812. Gottlieb Sigismund Kirchhoff istraživao je postupak pretvaranja škroba u glukozu. U svom eksperimentu osvjetljava primjenu enzima kao katalizatora.

1833. francuski kemičar Anselm Pien otkrio je prvi enzim, dijastazu.

Nekoliko desetljeća kasnije, 1862. godine, proučavajući fermentaciju šećera u alkohol, Louis Pasteur zaključio je da ga je katalizirala životna sila sadržana u stanicama kvasca.

Prirodno pronađene biomolekule široko su se koristile od davnina u proizvodnji proizvoda poput lana, kože i indiga. Svi su ti procesi uzrokovani mikroorganizmima koji proizvode enzime.

Vrijednost

Enzimi su potrebni za olakšavanje kemijskih reakcija. Njihova uloga u životu mikroorganizama vrlo je važna. Sastoji se u pružanju metaboličkih procesa, disanja, probave i drugih vrsta vitalne aktivnosti. Kada enzimi pravilno funkcioniraju, homeostaza se održava. Druga uloga enzima u mikroorganizmima je ubrzanje metabolizma.

Posebne značajke

Svojstva enzima mikroorganizama uključuju:

• otpornost na toplinu;
• termofilna priroda;
• tolerancija na promjenjivi raspon pH;
• stabilnost aktivnosti s promjenama temperature i pH;
• ostali teški uvjeti reakcije.

Klasificirani su kao termofilni, acidofilni ili alkalofilni. Mikroorganizmi s termostabilnim enzimskim sustavima smanjuju mogućnost mikrobne kontaminacije u velikim industrijskim reakcijama dugog trajanja. Enzimi mikroorganizama pomažu u povećanju prijenosa mase i smanjenju viskoznosti supstrata tijekom procesa hidrolize sirovina.

Klasifikacija

Zbog širokog spektra aktivnosti na temelju prirode njihove reakcije, enzimi se klasificiraju prema katalizi:

1. Oksidoreduktaze. Reakcije oksidacije uključuju prijenos elektrona s jedne molekule na drugu. U biološkim sustavima je uklanjanje vodika iz supstrata.
2. Transferaze. Ova klasa enzima katalizira prijenos skupina atoma iz jedne molekule u drugu. Aminotransferaze ili transaminaze olakšavaju prijenos amino skupine iz aminokiseline u alfa-oksokiselinu.
3. Hidrolaze. Katalizirajte hidrolizu, cijepanje supstrata vodom. Reakcije uključuju cijepanje peptidnih veza u proteinima, glikozidnih veza u ugljikohidratima i esterskih veza u lipidima. Općenito, veće molekule se raspadaju na manje fragmente.
4. Liaze. Kataliziraju dodavanje skupina dvostrukim vezama ili stvaranje drugih uklanjanjem prvih. Na primjer, pektatne liaze cijepaju glikozidne veze beta eliminacijom.
5. Izomeraze. Kataliziraju prijenos skupina s jednog položaja na drugi u istoj molekuli. Mijenjaju strukturu supstrata, preuređujući njegove atome.
6. Ligaze. Povezati molekule zajedno s kovalentnim vezama. Sudjeluju u biosintetskim reakcijama, gdje nastaju nove skupine veza. Takve reakcije zahtijevaju unos energije u obliku kofaktora.

Primjena

Fermentacija se koristi u pripremi mnogih prehrambenih proizvoda. Korištenje enzima mikroorganizama u prehrambenoj industriji dugogodišnji je proces. Sljedeće vrste su se široko koristile:

• Amilaza. Ukapljivanje škroba, poboljšanje kvalitete kruha, posvjetljivanje voćnih sokova.
• Glukoamilaze. Proizvodnja piva i sirupa s visokim udjelom glukoze i fruktoze.
• Proteaza. Tenderizacija mesa, koagulacija mlijeka.
• Laktaza. Smanjena netolerancija na laktozu kod ljudi, prebiotički dodaci prehrani.
• Lipaza. Proizvodnja sira Cheddar.
• Fosfolipaze. Proizvodnja lipolizirane mliječne masti.
• Esterazam. Poboljšanje okusa i arome u voćnom soku. Deesterifikacija dijetalnih vlakana. Proizvodnja estera kratkog lanca.
• Celulaze. Hrana za životinje.
• Glukoza oksidaza. Poboljšanje roka trajanja hrane.
• Lakaze. Uklanjanje polifenola iz vina.
• Katalaze. Konzerviranje hrane. Uklanjanje vodikovog peroksida iz mlijeka prije proizvodnje sira.
• Peroksidaza. Razvoj okusa, boje i kvalitete hrane.

Proteaza

Proteaze dobivene iz mikrobnih sustava su tri vrste: kisele, neutralne i alkalne. Alkalne serinske proteaze imaju najveću primjenu u bioindustriji. Imaju visoku aktivnost i stabilnost u abnormalnim uvjetima ekstremnih fizioloških parametara. Alkalne proteaze imaju svojstvo visoke stabilnosti enzimske aktivnosti kada se koriste u deterdžentima. Pronašli su široku primjenu u bioindustriji:

• proizvodnja deterdženata za pranje rublja;
• prehrambena industrija;
• obrada kože;
• farmaceutski proizvodi;
• istraživanje molekularne biologije i sinteze peptida.

Amilaza

To je enzim mikroorganizama koji katalizira razgradnju škroba na šećere. Otkrio ga je i izolirao Anselm Peien 1833. godine. Sve amilaze su glikozidne hidrolaze. Široko se koriste u industriji i zauzimaju gotovo 25% tržišta enzima. Koristi se u industrijama kao što su:

• hrana;
• pekara;
• papir i Tekstil;
• zaslađivači i voćni sokovi;
• glukozni i fruktozni sirupi;
• deterdženti;
• etanol goriva iz škroba;
• alkoholna pića;
• probavna pomoć;
• sredstvo za uklanjanje mrlja u kemijskom čišćenju.

Također se koriste u kliničkoj, medicinskoj i analitičkoj kemiji.

Ksilanaza

Hemiceluloza je jedan od glavnih sastojaka poljoprivrednih ostataka zajedno s celulozom, ligninom i pektinom. Ksilan je njegova glavna komponenta. Važnost ksilanaze uvelike se povećala zbog svojih biotehnoloških primjena u proizvodnji pentoze, pročišćavanju voćnih sokova, poboljšanju probave i biokonverziji lignoceluloznog poljoprivrednog otpada u goriva i kemikalije. Svoju primjenu pronašao je u prehrambenoj, tekstilnoj i celulozno-papirnoj industriji, recikliranju poljoprivrednog otpada, proizvodnji etanola i stočnoj hrani.

Lakaza

Liginolitički enzimi primjenjivi su u hidrolizi lignoceluloznih poljoprivrednih ostataka, posebno za razgradnju složenog i neprenosivog sastojka lignina. Vrlo su svestrane prirode i mogu se koristiti u brojnim industrijskim procesima. Lignolitički enzimski sustav koristi se u biobijeljenju celuloze, te u drugim industrijama kao što su stabilizacija vina i voćnih sokova, pranje trapera, kozmetička industrija i biosenzori.

Lipaza

To je enzim mikroorganizama koji katalizira razgradnju i hidrolizu masti. Lipaze su podrazred esteraza. Oni igraju značajnu ulogu u probavi, transportu i preradi masti. Većina lipaza uključeni su u određeni položaj na glicerolnoj okosnici masnog supstrata, posebno u tankom crijevu. Neki od njih se izražavaju uz pomoć izlučenih patogenih organizama tijekom zarazne bolesti. Lipaze se smatraju glavnom skupinom biotehnološki vrijednih enzima, uglavnom zbog svestranosti njihovih primijenjenih svojstava i lakoće masovne proizvodnje.

Primjena lipaze

Ti enzimi sudjeluju u raznim biološkim procesima, od rutinskog metabolizma triglicerida u prehrani do signalizacije i upale stanica. Neke aktivnosti lipaze ograničene su na određene odjeljke unutar stanica, dok druge djeluju u izvanstaničnim prostorima:

• Lipaze gušterače izlučuju se u izvanstanične prostore, gdje služe za preradu prehrambenih lipida u jednostavnije oblike koji se prenose po cijelom tijelu.
• Olakšavaju apsorpciju hranjivih tvari iz vanjskog okruženja.
• Povećana aktivnost lipaze zamjenjuje tradicionalne katalizatore u preradi biodizela.
• Koristi se u područjima kao što su pečenje, deterdženti za pranje rublja, kao biokatalizatori.
• U tekstilnoj industriji koristi se za povećanje upijanja tkanine i ujednačenosti prilikom bojenja.
• Za modificiranje okusa hrane sintezom estera masnih kiselina kratkog lanca i alkohola.
• Prisutnost ili visoka razina lipaza može ukazivati na određenu infekciju ili bolest i može se koristiti kao dijagnostički alat.
• Imaju baktericidni učinak. Može se koristiti u liječenju malignih tumora.
• Od velike komercijalne važnosti u kozmetici i farmaceutskim proizvodima (proizvodi za njegu kože, pripreme za uvijanje kose).