Ферменты микроорганизмов: способы образования, классификация и свойства

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:

1. Оксидоредуктазы. Реакции окисления включают перенос электронов от одной молекулы к другой. В биологических системах - это удаление водорода из субстрата.
2. Трансферазы. Этот класс ферментов катализирует перенос групп атомов из одной молекулы в другую. Аминотрансферазы или трансаминазы способствуют переносу аминогруппы из аминокислоты в альфа-оксокислоту.
3. 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.
4. Лиазы. Катализируют добавление групп к двойным связям или образование вторых посредством удаления первых. Например, пектат-лиазы расщепляют гликозидные связи путем бета-элиминации.
5. Изомеразы. Катализируют перенос групп из одного положения в другое в одной и той же молекуле. Изменяют структуру субстрата, перестраивая его атомы.
6. 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).