Fermenti ir biokatalizatori, kuriem ir svarīga loma visos vielmaiņas un bioķīmisko reakciju posmos. Tie ir īpaši interesanti un tiek izmantoti kā organiskie katalizatori daudzos rūpnieciska mēroga procesos. Šajā rakstā ir sniegts pārskats par mikrobu fermentiem un to klasifikāciju.
Ievads
Dažādām biorūpniecībām substrātu un izejvielu apstrādē ir nepieciešami fermenti ar īpašām īpašībām. Mikrobu fermenti darbojas kā biokatalizatori, lai veiktu reakcijas bioloģiskajos procesos ekonomiski un videi draudzīgi, salīdzinot ar ķīmisko katalizatoru izmantošanu. To īpašās īpašības tiek izmantotas komerciālām interesēm un rūpnieciskiem lietojumiem. Fermenti ir ļoti specifiski, tie katalizē ap 4000 bioķīmisko reakciju. Nobela prēmijas laureāts Emīls Fišers ierosināja, ka tas ir tāpēc, ka gan fermentam, gan substrātam ir specifiskas komplementāras ģeometrijas, kas ir precīziiederas viens otrā.
Definīcija
Fermenti ir lielas bioloģiskas molekulas, kas ir atbildīgas par visām svarīgām ķīmiskajām apmaiņām, kas nepieciešamas dzīvības uzturēšanai. Tie ir ļoti selektīvi katalizatori, kas var ievērojami paātrināt vielmaiņas reakciju ātrumu un specifiku, sākot no pārtikas gremošanas līdz DNS sintēzei. Visi tajos notiekošie vielmaiņas procesi ir atkarīgi no tā, kādi fermenti veidojas mikroorganismu šūnās.
Vēsture
1877. gadā Vilhelms Frīdrihs Kūne, Heidelbergas universitātes fizioloģijas profesors, pirmo reizi lietoja terminu "enzīms", kas cēlies no latīņu vārda fermentum, kas nozīmē "ieraugā". Mikroorganismu enzīmu iegūšana sākās senajā Grieķijā. Tos izmantoja pārtikas un dzērienu konservēšanai.
1783. gadā slavenais itāļu katoļu priesteris Lacaro Spallanzani pirmo reizi pieminēja šīs biomolekulas nozīmi savā darbā par bioģenēzi.
1812. gadā Gotlībs Sigismunds Kirhhofs pētīja cietes pārvēršanas glikozē procedūru. Savā eksperimentā viņš izceļ fermentu izmantošanu kā katalizatoru.
1833. gadā franču ķīmiķis Anselms Pajens atklāja pirmo enzīmu diastāzi.
Daudzus gadu desmitus vēlāk, 1862. gadā, pētot cukura fermentāciju līdz spirtam, Luiss Pastērs nonāca pie secinājuma, ka to katalizēja rauga šūnās esošais dzīvības spēks.
Dabā atrodamas biomolekulasir plaši izmantoti kopš seniem laikiem tādu izstrādājumu ražošanā kā lins, āda un indigo. Visus šos procesus izraisīja mikroorganismi – enzīmu ražotāji.
Nozīme
Fermenti ir nepieciešami, lai veicinātu ķīmiskās reakcijas. Viņu loma mikroorganismu dzīvē ir ļoti svarīga. Tas sastāv no vielmaiņas procesu, elpošanas, gremošanas un cita veida dzīvības nodrošināšanas. Ja fermenti darbojas pareizi, homeostāze tiek uzturēta. Vēl viena fermentu loma mikroorganismos ir vielmaiņas paātrināšana.
Īpašas funkcijas
Mikroorganismu enzīmu īpašības ietver:
- karstumizturība;
- termofīls raksturs;
- tolerance pret mainīgu pH diapazonu;
- aktivitātes stabilitāte, mainot temperatūru un pH;
- citi stingri reakcijas apstākļi.
Tos ir klasificētas kā termofīlas, acidofīlas vai sārmainas. Mikroorganismi ar termostabilām enzīmu sistēmām samazina mikrobu piesārņojuma iespējamību liela mēroga rūpnieciskās ilgstošas reakcijās. Mikrobu fermenti palīdz palielināt masas pārnesi un samazināt substrāta viskozitāti izejmateriāla hidrolīzes procesā.
Klasifikācija
Tā kā enzīmi ir ļoti dažādi, pamatojoties uz to reakcijas raksturu, tos klasificē pēc katalīzes:
- Oksidoreduktāzes. Oksidācijas reakcijas ietver elektronu pārnešanu no vienas molekulascitam. Bioloģiskās sistēmās tā ir ūdeņraža noņemšana no substrāta.
- Pārskaitījumi. Šī enzīmu klase katalizē atomu grupu pārnešanu no vienas molekulas uz otru. Aminotransferāzes vai transamināzes atvieglo aminogrupas pāreju no aminoskābes uz alfa-oksskābi.
- Hidrolāzes. Katalizēt hidrolīzi, substrātu sadalīšanu ar ūdeni. Reakcijās ietilpst peptīdu saišu šķelšanās olb altumvielās, glikozīdu saites ogļhidrātos un estera saites lipīdos. Parasti lielākas molekulas sadalās mazākos fragmentos.
- Liase. Katalizējiet grupu pievienošanu dubultajām saitēm vai pēdējo veidošanos, noņemot pirmās. Piemēram, pektāta liāzes sašķeļ glikozīdu saites ar beta elimināciju.
- Izomerāzes. Tie katalizē grupu pārnešanu no vienas pozīcijas uz otru tajā pašā molekulā. Mainiet substrāta struktūru, pārkārtojot tā atomus.
- Ligases. Savienojiet molekulas kopā ar kovalentām saitēm. Tie piedalās biosintētiskās reakcijās, kurās veidojas jaunas saišu grupas. Šādām reakcijām nepieciešama enerģijas ievade kofaktoru veidā.
Pieteikums
Raudzēšanu izmanto daudzu ēdienu gatavošanā. Mikrobu enzīmu izmantošana pārtikas rūpniecībā ir ilgstošs process. Plaši tiek izmantoti šādi veidi:
- Amilāze. Cietes sašķidrināšana, maizes kvalitātes uzlabošana, augļu sulu dzidrināšana.
- Glikoamilāzes. Alus un sīrupu ar augstu glikozes un fruktozes saturu ražošana.
- Proteāze. Tenderizācijagaļas, piena koagulācija.
- Laktāze. Laktozes nepanesības mazināšana cilvēkiem, prebiotiskie uztura bagātinātāji.
- Lipase. Čedaras siera ražošana.
- Fosfolipāzes. Lipolizētu piena tauku ražošana.
- Esterāze. Augļu sulas garšas un aromāta uzlabošana. Diētisko šķiedrvielu deesterifikācija. Īso ķēžu esteru ražošana.
- Cellulāzes. Dzīvnieku barība.
- Glikozes oksidāze. Pārtikas produktu glabāšanas laika uzlabošana.
- Lakas. Polifenolu noņemšana no vīna.
- Katalāzes. Pārtikas konservēšana. Ūdeņraža peroksīda noņemšana no piena pirms siera ražošanas.
- Peroksidāze. Ēdienu garšas, krāsas un kvalitātes attīstība.
Proteāze
No mikrobu sistēmām iegūtās proteāzes ir trīs veidu: skāba, neitrāla un sārmaina. Sārmainās serīna proteāzes ir vislielākais pielietojums biorūpniecībā. Viņiem ir augsta aktivitāte un stabilitāte ekstremālos fizioloģiskos parametru patoloģiskos apstākļos. Sārmainām proteāzēm piemīt augsta fermentatīvās aktivitātes stabilitāte, ja tās tiek izmantotas mazgāšanas līdzekļos. Tie ir atraduši plašu pielietojumu biorūpniecībā:
- veļas pulveru ražošana;
- pārtikas rūpniecība;
- ādas apstrāde;
- pharmaceuticals;
- pētījumi molekulārajā bioloģijā un peptīdu sintēzē.
Amilāze
Šis ir mikroorganismu enzīms, kas katalizē cietes sadalīšanos cukuros. Viņš bijaatklāja un izolēja Anselms Pejens 1833. gadā. Visas amilāzes ir glikozīdu hidrolāzes. Tos plaši izmanto rūpniecībā, un tie veido gandrīz 25% no fermentu tirgus. Izmanto tādās nozarēs kā:
- ēdiens;
- maizes ceptuve;
- papīrs un tekstils;
- saldinātāji un augļu sulas;
- glikozes un fruktozes sīrupi;
- mazgāšanas līdzekļi;
- degvielas etanols no cietes;
- alkoholiskie dzērieni;
- gremošanas līdzeklis;
- traipu tīrīšanas līdzeklis ķīmiskajā tīrīšanā.
Izmanto arī klīniskajā, medicīniskajā un analītiskajā ķīmijā.
Ksilanāze
Hemiceluloze kopā ar celulozi, lignīnu un pektīnu ir viena no galvenajām lauksaimniecības atlieku sastāvdaļām. Ksilāns ir tā galvenā sastāvdaļa. Ksilanāzes nozīme ir ievērojami palielinājusies, pateicoties tās biotehnoloģijas pielietojumam pentozes ražošanai, augļu sulu attīrīšanai, gremošanas uzlabošanai un lignocelulozes lauksaimniecības atkritumu biopārvēršanai degvielā un ķīmiskās vielās. Tas ir atradis savu pielietojumu pārtikas, tekstila un celulozes un papīra rūpniecībā, lauksaimniecības atkritumu apglabāšanā, etanola ražošanā un dzīvnieku barībā.
Laccase
Liginolītiskie enzīmi ir noderīgi lignocelulozes lauksaimniecības atlieku hidrolīzē, īpaši kompleksā un nesūknējošā lignīna noārdīšanai. Tie ir ļoti daudzpusīgi, un tos var izmantot vairākos rūpnieciskos procesos. Lignolītiskā enzīmu sistēma tiek izmantota celulozes biokrāsošanā un citās nozarēs, piemēram, vīna un augļu sulu stabilizācijā, džinsu atmazgāšanā, kosmētikā un biosensoros.
Lipase
Šis ir mikroorganismu enzīms, kas katalizē tauku sadalīšanos un hidrolīzi. Lipāzes ir esterāžu apakšklase. Viņiem ir nozīmīga loma tauku sagremošanā, transportēšanā un pārstrādē. Lielākā daļa lipāžu ir iesaistītas noteiktā stāvoklī uz tauku substrāta glicerīna mugurkaula, īpaši tievajās zarnās. Dažus no tiem izdalās izdalītie patogēni organismi infekcijas slimības laikā. Lipāzes tiek uzskatītas par galveno biotehnoloģiski vērtīgo enzīmu grupu, galvenokārt pateicoties to pielietoto īpašību daudzpusībai un vieglai masveida ražošanai.
Lipase aplikācija
Šie enzīmi ir iesaistīti dažādos bioloģiskos procesos, sākot no ikdienas triglicerīdu metabolisma uzturā līdz signalizācijai un šūnu iekaisumam. Dažas lipāzes aktivitātes ir ierobežotas noteiktos šūnu nodalījumos, savukārt citas darbojas ārpusšūnu telpās:
- Aizkuņģa dziedzera lipāzes tiek izdalītas ārpusšūnu telpās, kur tās pārvērš uztura lipīdus vienkāršākos veidos, kas tiek transportēti pa visu ķermeni.
- Atvieglojiet barības vielu uzsūkšanos no vides.
- Paaugstināta lipāzes aktivitāte aizstājparastie katalizatori biodīzeļdegvielas apstrādē.
- Izmanto tādos lietojumos kā cepšana, veļas mazgāšanas līdzekļi, kā biokatalizators.
- Tekstilrūpniecībā to izmanto, lai palielinātu auduma uzsūkšanas spēju un vienmērīgumu krāsojot.
- Lai mainītu pārtikas garšu, sintezējot īsās ķēdes taukskābju un spirtu esterus.
- Lipāžu klātbūtne vai augsts līmenis var norādīt uz konkrētu infekciju vai slimību, un to var izmantot kā diagnostikas līdzekli.
- Ir baktericīda iedarbība. Var izmantot ļaundabīgu audzēju ārstēšanā.
- Ir liela komerciālā vērtība kosmētikā un farmācijā (ādas kopšanas līdzekļi, matu ruļļi).
