Enzimele sunt biocatalizatori care joacă un rol important în toate etapele metabolismului și reacțiilor biochimice. Sunt de interes deosebit și sunt utilizați ca catalizatori organici în numeroase procese la scară industrială. Acest articol oferă o prezentare generală a enzimelor microbiene și a clasificării acestora.
Introducere
Diferitele bioindustrii necesită enzime cu caracteristici specifice pentru utilizarea lor în prelucrarea substraturilor și a materiilor prime. Enzimele microbiene acționează ca biocatalizatori pentru a desfășura reacții în procesele biologice într-o manieră economică și ecologică în comparație cu utilizarea catalizatorilor chimici. Caracteristicile lor speciale sunt utilizate pentru interes comercial și aplicații industriale. Enzimele sunt foarte specifice, ele catalizează aproximativ 4000 de reacții biochimice. Laureatul Nobel Emil Fischer a sugerat că acest lucru se datorează faptului că atât enzima, cât și substratul au geometrii complementare specifice care sunt exactse potrivesc unul cu celăl alt.
Definiție
Enzimele sunt molecule biologice mari responsabile pentru toate acele schimburi chimice importante care sunt necesare pentru a susține viața. Sunt catalizatori extrem de selectivi care pot accelera foarte mult atât viteza, cât și specificitatea reacțiilor metabolice care variază de la digestia alimentelor până la sinteza ADN-ului. Toate procesele metabolice care au loc în ele depind de ce enzime se formează în celulele microorganismelor.
Istorie
În 1877, Wilhelm Friedrich Kuehne, profesor de fiziologie la Universitatea din Heidelberg, a folosit pentru prima dată termenul „enzimă”, care provine din cuvântul latin fermentum, care înseamnă „în aluat”. Obținerea enzimelor de microorganisme a început în Grecia antică. Au fost folosite pentru a conserva alimente și băuturi.
În 1783, celebrul preot catolic italian Lazzaro Spallanzani a menționat pentru prima dată importanța acestei biomolecule în lucrarea sa asupra biogenezei.
În 1812, Gottlieb Sigismund Kirchhoff a investigat procedura de transformare a amidonului în glucoză. În experimentul său, el subliniază utilizarea enzimelor ca catalizator.
În 1833, chimistul francez Anselm Payen a descoperit prima enzimă, diastaza.
Decenii mai târziu, în 1862, în timp ce studia fermentarea zahărului în alcool, Louis Pasteur a ajuns la concluzia că acesta a fost catalizat de forța vitală conținută în celulele de drojdie.
Biomolecule găsite în naturăau fost utilizate pe scară largă din cele mai vechi timpuri la fabricarea de produse precum in, piele și indigo. Toate aceste procese au fost cauzate de microorganisme - producători de enzime.
Semnificat
Enzimele sunt necesare pentru a facilita reacțiile chimice. Rolul lor în viața microorganismelor este foarte important. Constă în asigurarea proceselor metabolice, a respirației, a digestiei și a altor tipuri de viață. Când enzimele funcționează corect, homeostazia este menținută. Un alt rol al enzimelor în microorganisme este de a accelera metabolismul.
Funcții speciale
Proprietățile enzimelor microorganismelor includ:
- rezistență la căldură;
- natura termofilă;
- toleranță la modificarea intervalului de pH;
- Stabilitatea activitățiila schimbarea temperaturii și a pH-ului;
- alte condiții de reacție stricte.
Sunt clasificate ca termofile, acidofile sau alcalifile. Microorganismele cu sisteme enzimatice termostabile reduc posibilitatea contaminării microbiene în reacțiile industriale la scară mare de lungă durată. Enzimele microbiene ajută la creșterea transferului de masă și la reducerea vâscozității substratului în timpul procesului de hidroliză a materiei prime.
Clasificare
Din cauza gamei largi de activități bazate pe natura reacției lor, enzimele sunt clasificate în funcție de cataliză:
- Oxidoreductaze. Reacțiile de oxidare implică transferul de electroni dintr-o singură moleculă altcuiva. În sistemele biologice, aceasta este eliminarea hidrogenului din substrat.
- Transferaze. Această clasă de enzime catalizează transferul de grupuri de atomi de la o moleculă la alta. Aminotransferazele sau transaminazele facilitează transferul unei grupări amino de la un aminoacid la un alfa-oxo acid.
- Hidrolaze. Catalizează hidroliza, scindarea substraturilor cu apă. Reacțiile includ clivarea legăturilor peptidice în proteine, legături glicozidice în carbohidrați și legături esterice în lipide. În general, moleculele mai mari se descompun în fragmente mai mici.
- Liase. Catalizați adăugarea de grupări la duble legături sau formarea acestora din urmă prin îndepărtarea primelor. De exemplu, pectat liazele scindează legăturile glicozidice prin eliminarea beta.
- Izomeraze. Ele catalizează transferul de grupări dintr-o poziție în alta în aceeași moleculă. Schimbați structura substratului, rearanjandu-i atomii.
- Ligase. Conectați moleculele împreună cu legături covalente. Ei participă la reacții de biosinteză, în care se formează noi grupuri de legătură. Astfel de reacții necesită un aport de energie sub formă de cofactori.
Aplicație
Fermentarea este folosită la prepararea multor alimente. Utilizarea enzimelor microbiene în industria alimentară este un proces de lungă durată. Următoarele tipuri sunt utilizate pe scară largă:
- Amilază. Lichefierea amidonului, îmbunătățirea calității pâinii, clarificarea sucurilor de fructe.
- Glucoamilaze. Producția de bere și siropuri cu conținut ridicat de glucoză și fructoză.
- Protease. Tenderizarecarne, coagulare a laptelui.
- Lactază. Reducerea intoleranței la lactoză la om, suplimente nutritive prebiotice.
- Lipaza. Producția de brânză cheddar.
- Fosfolipaze. Producția de grăsime din lapte lipolizată.
- Esteraza. Îmbunătățirea gustului și aromei în sucul de fructe. Deesterificarea fibrelor alimentare. Producția de esteri cu lanț scurt.
- Celulaze. Hrană pentru animale.
- Glucozooxidază. Îmbunătățirea duratei de valabilitate a alimentelor.
- Lacaze. Eliminarea polifenolilor din vin.
- Catalaze. Conservarea alimentelor. Eliminarea peroxidului de hidrogen din lapte înainte de producerea brânzei.
- Peroxidază. Dezvoltarea gustului, culorii și calității alimentelor.
Protease
Proteazele derivate din sistemele microbiene sunt de trei tipuri: acide, neutre și alcaline. Proteazele serin alcaline au cea mai mare aplicație în bioindustrie. Au activitate ridicată și stabilitate în condiții anormale de parametri fiziologici extremi. Proteazele alcaline au proprietatea de stabilitate ridicată a activității enzimatice atunci când sunt utilizate în detergenți. Au găsit o largă aplicație în industria bio:
- producție de praf de spălat;
- industria alimentară;
- prelucrare piele;
- farmaceutice;
- cercetare în biologie moleculară și sinteza peptidelor.
Amilază
Aceasta este o enzimă de microorganisme care catalizează descompunerea amidonului în zaharuri. El a fostdescoperit și izolat de Anselm Peyen în 1833. Toate amilazele sunt glicozide hidrolaze. Sunt utilizate pe scară largă în industrie și reprezintă aproape 25% din piața enzimelor. Folosit în industrii precum:
- mâncare;
- brutărie;
- hârtie și material textil;
- îndulcitori și sucuri de fructe;
- siropuri de glucoză și fructoză;
- detergenți;
- combustibil etanol din amidon;
- băuturi alcoolice;
- ajutor digestiv;
- pentru îndepărtarea petelor la curățătorie chimică.
Folosit și în chimia clinică, medicală și analitică.
Xylanase
Hemiceluloza este unul dintre constituenții principali ai reziduurilor agricole, împreună cu celuloza, lignina și pectina. Xylan este componenta sa principală. Importanța xilanazei a crescut semnificativ datorită aplicațiilor sale biotehnologice pentru producerea de pentoză, purificarea sucurilor de fructe, îmbunătățirea digestiei și bioconversia deșeurilor agricole lignocelulozice în combustibili și substanțe chimice. Și-a găsit aplicația în industria alimentară, textilă și a celulozei și hârtiei, eliminarea deșeurilor agricole, producția de etanol și hrana animalelor.
Laccase
Enzimele liginolitice sunt utile în hidroliza reziduurilor agricole lignocelulozice, în special pentru degradarea ligninei constituente complexe și nepompante. Sunt foarte versatile în natură și pot fi utilizate într-o serie de procese industriale. Sistemul de enzime lignolitice este utilizat în biodecolorarea celulozei și în alte industrii, cum ar fi stabilizarea vinului și a sucurilor de fructe, spălarea denimului, cosmetice și biosenzori.
Lipaza
Aceasta este o enzimă a microorganismelor care catalizează descompunerea și hidroliza grăsimilor. Lipazele sunt o subclasă de esteraze. Ele joacă un rol semnificativ în digestia, transportul și procesarea grăsimilor. Majoritatea lipazelor sunt implicate într-o anumită poziție pe coloana vertebrală de glicerol a substratului gras, în special în intestinul subțire. Unele dintre ele sunt exprimate de organisme patogene secretate în timpul unei boli infecțioase. Lipazele sunt considerate grupul principal de enzime valoroase din punct de vedere biotehnologic, în principal datorită versatilității proprietăților lor aplicate și ușurinței producției în masă.
Aplicație lipază
Aceste enzime sunt implicate într-o varietate de procese biologice, variind de la metabolismul de rutină a trigliceridelor din dietă până la semnalizare și inflamație celulară. Unele activități ale lipazei sunt limitate la anumite compartimente din interiorul celulelor, în timp ce altele lucrează în spații extracelulare:
- Lipazele pancreatice sunt secretate în spațiile extracelulare unde servesc la transformarea lipidelor dietetice în forme mai simple care sunt transportate în întregul corp.
- Facilitați absorbția nutrienților din mediu.
- Activitatea crescută a lipazei înlocuieștecatalizatori convenționali în procesarea biodieselului.
- Folosit în aplicații precum coacerea, detergenții de rufe, ca biocatalizatori.
- În industria textilă, este folosit pentru a crește absorbția țesăturii și uniformitatea la vopsire.
- Pentru a modifica gustul alimentelor prin sintetizarea esterilor de acizi grași și alcooli cu lanț scurt.
- Prezența sau nivelurile ridicate de lipaze pot indica o anumită infecție sau boală și pot fi folosite ca instrument de diagnostic.
- Au un efect bactericid. Poate fi folosit în tratamentul tumorilor maligne.
- Au o mare valoare comercială în produse cosmetice și farmaceutice (produse de îngrijire a pielii, ondulatori de păr).
