Ферменты - это биокатализаторы, играющие важную роль на всех этапах обмена веществ и биохимических реакций. Они представляют особый интерес и используются в качестве органических катализаторов в многочисленных процессах в промышленном масштабе. В этой статье дается обзор ферментов микроорганизмов и их классификация.
Введение
Различные биопромышленности нуждаются в ферментах, обладающих особыми характеристиками для их применения при обработке субстратов и сырья. Ферменты микроорганизмов действуют как биокатализаторы для осуществления реакций в биологических процессах экономичным и экологически чистым способом по сравнению с использованием химических катализаторов. Их особые характеристики используются для коммерческого интереса и промышленного применения. Ферменты очень специфичны, они катализируют около 4000 биохимических реакций. Нобелевский лауреат Эмиль Фишер предположил, что это происходит потому, что и фермент, и субстрат обладают специфическими комплементарными геометрическими формами, которые точно вписываются друг в друга.
Определение
Ферменты - это крупные биологические молекулы, ответственные за все те важные химические взаимопревращения, которые необходимы для поддержания жизни. Они являются высокоселективными катализаторами, которые могут значительно ускорить как скорость, так и специфичность метаболических реакций, которые варьируются от переваривания пищи до синтеза ДНК. От того, какие ферменты образуются в клетках микроорганизмов, зависят все метаболические процессы, происходящие в них.
История
В 1877 году Вильгельм Фридрих Кюне, профессор физиологии в Гейдельбергском университете, впервые использовал термин «фермент», который происходит от латинского слова fermentum, означающего «в закваске». Получение ферментов микроорганизмов началось в Древней Греции. Они использовались для сохранения еды и напитков.
В 1783 году известный итальянский католический священник Лаззаро Спалланцани впервые упомянул важность этой биомолекулы в своей работе по биогенезу.
В 1812 году Готтлиб Сигизмунд Кирхгоф исследовал процедуру превращения крахмала в глюкозу. В своем эксперименте он освещает применение ферментов в качестве катализатора.
В 1833 году французский химик Ансельм Пайен открыл первый фермент, диастазу.
Несколько десятилетий спустя, в 1862 году, при изучении ферментации сахара до спирта Луи Пастер пришел к выводу, что она была катализирована жизненной силой, содержащейся в клетках дрожжей.
Найденные в природе биомолекулы широко использовались с древних времен при производстве таких изделий, как лен, кожа и индиго. Все эти процессы были вызваны микроорганизмами - продуцентами ферментов.
Значение
Для облегчения химических реакций необходимы ферменты. Их роль в жизнедеятельности микроорганизмов очень важна. Она заключается в обеспечении метаболических процессов, дыхания, пищеварения и других видов жизнедеятельности. Когда ферменты функционируют должным образом, гомеостаз сохраняется. Еще одна роль ферментов в микроорганизмах - это ускорение обмена веществ.
Особые характеристики
Свойства ферментов микроорганизмов включают в себя:
- термоустойчивость;
- термофильную природу;
- толерантность к изменяющемуся диапазону РН;
- стабильность активности при изменении температур и РН;
- другие жесткие условия реакции.
Они подразделяются на термофильные, ацидофильные или алкалофильные. Микроорганизмы с системами термостабильных ферментов уменьшают возможность микробного загрязнения в крупномасштабных промышленных реакциях длительной продолжительности. Ферменты микроорганизмов помогают в увеличении массообмена и снижении вязкости субстрата во время процесса гидролиза сырья.
Классификация
Из-за широкого спектра активностей, основанных на природе их реакции, ферменты классифицируются в соответствии с катализом:
- Оксидоредуктазы. Реакции окисления включают перенос электронов от одной молекулы к другой. В биологических системах - это удаление водорода из субстрата.
- Трансферазы. Этот класс ферментов катализирует перенос групп атомов из одной молекулы в другую. Аминотрансферазы или трансаминазы способствуют переносу аминогруппы из аминокислоты в альфа-оксокислоту.
- Гидролазы. Катализируют гидролиз, расщепление субстратов водой. Реакции включают расщепление пептидных связей в белках, гликозидных связей в углеводах и сложноэфирных связей в липидах. Как правило, более крупные молекулы распадаются на более мелкие фрагменты.
- Лиазы. Катализируют добавление групп к двойным связям или образование вторых посредством удаления первых. Например, пектат-лиазы расщепляют гликозидные связи путем бета-элиминации.
- Изомеразы. Катализируют перенос групп из одного положения в другое в одной и той же молекуле. Изменяют структуру субстрата, перестраивая его атомы.
- Лигазы. Соединяют молекулы вместе с ковалентными связями. Участвуют в биосинтетических реакциях, где образуются новые группы связей. Такие реакции требуют ввода энергии в виде кофакторов.
Применение
Ферментация применяется при приготовлении многих пищевых продуктов. Использование ферментов микроорганизмов в пищевой промышленности - это давний процесс. Широкое применение нашли следующие виды:
- Амилаза. Разжижение крахмала, улучшение качества хлеба, осветление фруктовых соков.
- Глюкоамилазы. Производство пива и сиропов с высоким содержанием глюкозы и фруктозы.
- Протеаза. Тендеризация мяса, коагуляция молока.
- Лактаза. Снижение непереносимости лактозы у людей, пребиотические пищевые добавки.
- Липаза. Производство сыра чеддер.
- Фосфолипазы. Производство липолизированного молочного жира.
- Эстеразам. Улучшение вкуса и аромата во фруктовом соке. Деэтерификация пищевых волокон. Производство короткоцепных сложных эфиров.
- Целлюлазы. Корма для животных.
- Глюкозооксидаза. Улучшение срока годности продуктов питания.
- Лакказы. Удаление полифенолов из вина.
- Каталазы. Пищевая консервация. Удаление перекиси водорода из молока до производства сыра.
- Пероксидаза. Развитие вкуса, цвета и качества пищи.
Протеаза
Протеазы, полученные из микробных систем, бывают трех типов: кислые, нейтральные и щелочные. Щелочные сериновые протеазы имеют наибольшее применение в биоиндустрии. Они обладают высокой активностью и стабильностью в аномальных условиях экстремальных физиологических параметров. Щелочные протеазы обладают свойством высокой стабильности ферментативной активности при использовании в моющих средствах. Они нашли широкое применение в биоиндустрии:
- производство стиральных порошков;
- пищевая промышленность;
- обработка кожи;
- фармацевтика;
- исследования в области молекулярной биологии и синтеза пептидов.
Амилаза
Это фермент микроорганизмов, катализирующий расщепление крахмала на сахара. Он был обнаружен и выделен Ансельмом Пейеном в 1833 году. Все амилазы являются гликозидгидролазами. Они широко используются в промышленности и занимают почти 25% рынка ферментов. Применяются в таких отраслях, как:
- пищевая;
- хлебопекарная;
- бумажная и текстильная;
- подсластители и фруктовые соки;
- глюкозные и фруктозные сиропы;
- моющие средства;
- топливный этанол из крахмалов;
- алкогольные напитки;
- пищеварительная помощь;
- пятновыводитель в химчистке.
Также используются в клинической, медицинской и аналитической химии.
Ксиланаза
Гемицеллюлоза является одной из основных составляющих сельскохозяйственных остатков наряду с целлюлозой, лигнином и пектином. Ксилан является основным ее компонентом. Важность ксиланазы значительно возросла благодаря ее биотехнологическим применениям для производства пентозы, очищения фруктовых соков, улучшения пищеварения и биоконверсии лигноцеллюлозных сельскохозяйственных отходов в топливо и химические вещества. Она нашла свое применение в пищевой, текстильной и целлюлозно-бумажной промышленности, утилизации отходов сельского хозяйства, производства этанола и кормов для животных.
Лакказа
Лигинолитические ферменты применимы в гидролизе лигноцеллюлозных сельскохозяйственных остатков, особенно для деградации сложного и неперекачивающего составляющего лигнина. Они очень универсальны по своей природе и могут быть использованы в ряде промышленных процессов. Лигнолитическая ферментная система используется в биообесцвечивании целлюлозы, и в других отраслях, таких как стабилизация винных и фруктовых соков, стирка денима, косметическая промышленность и биосенсоры.
Липаза
Это фермент микроорганизмов, катализирующий расщепление и гидролиз жиров. Липазы - это подкласс эстераз. Они играют значительную роль в пищеварении, транспорте и переработке жиров. Большая часть липаз задействованы в определенном положении на глицериновом остове жирового субстрата, особенно в тонкой кишке. Некоторые из них экспрессируются при помощи секретируемых патогенных организмов во время инфекционного заболевания. Липазы считаются основной группой биотехнологически ценных ферментов, главным образом благодаря универсальности их применяемых свойств и легкости массового производства.
Применение липазы
Эти ферменты участвуют в разнообразных биологических процессах, начиная от рутинного метаболизма триглицеридов в рационе питания до передачи сигналов и воспаления клеток. Некоторые липазные активности ограничены определенными компартментами внутри клеток, тогда как другие работают во внеклеточных пространствах:
- Липазы поджелудочной железы секретируются во внеклеточные пространства, где они служат для переработки пищевых липидов в более простые формы, которые переносятся по всему организму.
- Облегчают поглощение питательных веществ из внешней среды.
- Повышенная активность липазы заменяет традиционные катализаторы при переработке биодизеля.
- Используется в таких областях, как выпечка, моющие средства для стирки, в качестве биокатализаторов.
- В текстильной промышленности применяется для увеличения впитывающей способности ткани и ровности при крашении.
- Для модификации пищевого вкуса путем синтеза сложных эфиров короткоцепочечных жирных кислот и спиртов.
- Наличие или высокий уровень липаз может указывать на определенную инфекцию или заболевание и может использоваться в качестве диагностического инструмента.
- Оказывают бактерицидное действие. Могут быть использованы при лечении злокачественных опухолей.
- Имеют большое коммерческое значение в косметике и фармацевтике (средства по уходу за кожей, препараты для завивки волос).
