Enzime microbiene: modul de formare, clasificare și proprietăți

Enzimele sunt biocatalizatori care joacă un rol important în toate etapele metabolismului și ale reacțiilor biochimice. Aceștia prezintă un 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 lor.

Introducere

Diferite bioindustrii au nevoie de enzime cu caracteristici specifice pentru aplicarea lor în prelucrarea substraturilor și a materiilor prime. Enzimele microorganismelor acționează ca biocatalizatori pentru a realiza reacții în procesele biologice într-un mod economic și ecologic în comparație cu utilizarea catalizatorilor chimici. Caracteristicile lor speciale sunt utilizate pentru aplicații de interes comercial și industrial. Enzimele sunt foarte specifice, catalizând aproape 4000 de reacții biochimice. Emile Fischer, laureat al premiului Nobel, a sugerat că acest lucru se datorează faptului că atât enzima, cât și substratul au geometrii complementare specifice care se potrivesc cu precizie unul în celălalt.

Definiție

Enzimele sunt molecule biologice mari, responsabile pentru toate acele interconversii chimice importante care sunt esențiale pentru suport de viață. Aceștia sunt catalizatori extrem de selectivi care pot accelera semnificativ atât viteza, cât și specificitatea reacțiilor metabolice care variază de la digestia alimentelor la sinteza ADN. Toate procesele metabolice care au loc în celulele microbiene depind de enzimele care se formează.

Istorie

În 1877, Wilhelm Friedrich Kühne, profesor de fiziologie la Universitatea din Heidelberg, a folosit pentru prima dată termenul de "enzimă", care provine din cuvântul latin fermentum, adică "în drojdie.". Producția de enzime microbiene a început în Grecia antică. Erau folosite pentru a conserva alimentele și băuturile.

În 1783, celebrul preot catolic italian Lazzaro Spallanzani a menționat pentru prima dată importanța acestei biomolecule în lucrarea sa despre biogeneză.

În 1812, Gottlieb Sigismund Kirchhoff a investigat transformarea amidonului în glucoză. În experimentul său, el evidențiază utilizarea enzimelor ca catalizatori.

În 1833, chimistul francez Anselm Payen a descoperit prima enzimă, diastaza.

câteva decenii mai târziu, în 1862, studiul lui Louis Pasteur privind fermentarea zahărului în alcool a concluzionat că aceasta este catalizată de forța vitală conținută în celulele de drojdie.

Biomoleculele găsite în natură au fost utilizate pe scară largă încă din cele mai vechi timpuri la fabricarea unor produse precum inul, pielea și indigoul. Toate aceste procese au fost cauzate de microorganisme care produc enzime.

Importanța

Enzimele sunt necesare pentru a facilita reacțiile chimice. Rolul lor în activitatea de viață a microorganismelor este foarte important. Este de a asigura procesele metabolice, respirația, digestia și alte activități vitale. Atunci când enzimele funcționează corect, se menține homeostazia. Un alt rol al enzimelor în microorganisme este acela de a facilita metabolismul.

caracteristici specifice

Printre proprietățile enzimelor microbiene se numără:

• toleranță la temperatură;
• de natură termofilă;
• toleranță la schimbarea intervalelor de pH
• stabilitatea activității în funcție de schimbările de temperatură și pH;
• alte condiții stricte de reacție.

Acestea se împart în termofile, acidofile sau alcalofile. Microorganismele cu sisteme enzimatice termostabile reduc posibilitatea contaminării microbiene în reacțiile industriale la scară largă și de lungă durată. Enzimele microbiene ajută la creșterea transferului de masă și la scăderea vâscozității substratului în timpul procesului de hidroliză a materiei prime.

Clasificare

Datorită gamei largi de activități bazate pe natura reacției lor, enzimele sunt clasificate în funcție de cataliză

1. Oxidoreductaze. Reacțiile de oxidare implică transferul de electroni de la o moleculă la alta. În sistemele biologice, eliminarea hidrogenului dintr-un substrat.
2. Transferaze. Această clasă de enzime catalizează transferul de grupe de atomi de la o moleculă la alta. Aminotransferazele sau transaminazele ajută la transferul unei grupări amino de la un aminoacid la un acid alfa-oxoic.
3. Hidrolaze. Catalizează hidroliza, scindarea substraturilor de către apă. Reacțiile includ scindarea legăturilor peptidice din proteine, a legăturilor glicozidice din carbohidrați și a legăturilor esterice din lipide. În general, moleculele mari sunt descompuse în fragmente mai mici.
4. Lilaza. Catalizează adăugarea de grupe la duble legături sau formarea de a doua legătură prin eliminarea primei legături. De exemplu, lipazele pectate descompun legăturile glicozidice prin beta-eliminare.
5. Izomeraze. Catalizează transferul de grupe dintr-o poziție în alta în aceeași moleculă. Modifică structura substratului prin rearanjarea atomilor săi.
6. Ligaze. Legarea moleculelor între ele prin legături covalente. Participă la reacții de biosinteză în care se formează noi grupe de legătură. Astfel de reacții necesită un aport de energie sub formă de cofactori.

Aplicații

Fermentarea este folosită la prepararea multor produse alimentare. Utilizarea enzimelor microbiene în industria alimentară este o activitate de lungă durată. Următoarele specii sunt utilizate pe scară largă:

• Amilază. Lichefierea amidonului, îmbunătățirea calității pâinii, clarificarea sucurilor de fructe.
• Glucoamilaze. Producția de bere și de siropuri cu conținut ridicat de glucoză și fructoză.
• Protează. Tenderizarea cărnii, coagularea laptelui.
• Lactază. Reduce intoleranța la lactoză la om, suplimente alimentare prebiotice.
• Lipază. Producția de brânză Cheddar.
• Fosfolipaze. Producerea de grăsime din lapte lipolizată.
• Esterază. Îmbunătățirea gustului și a aromei în sucul de fructe. Deesterificarea fibrelor alimentare. Producerea de esteri cu lanț scurt.
• Celuloză. Hrană pentru animale.
• Glucoză oxidază. Îmbunătățirea duratei de valabilitate a alimentelor.
• Lăcașuri. Îndepărtarea polifenolilor din vin.
• Catalaza. Conservarea alimentelor. Îndepărtarea peroxidului de hidrogen din lapte înainte de producerea brânzei.
• Peroxidază. Îmbunătățirea gustului, a culorii și a calității alimentelor.

Protează

Proteazele derivate din sistemele microbiene sunt de trei tipuri: acide, neutre și alcaline. Proteazele serice alcaline au cea mai mare aplicabilitate în bioindustrie. Ele sunt foarte active și stabile în condiții anormale de parametri fiziologici extremi. Proteazele alcaline prezintă o stabilitate ridicată a activității enzimatice atunci când sunt utilizate în detergenți. Acestea au găsit o largă aplicare în bioindustrie:

• producția de detergenți;
• industria alimentară;
• prelucrarea pielii;
• produse farmaceutice;
• Cercetare în domeniul biologiei moleculare și sinteza peptidelor.

Amilază

Este o enzimă microbiană care catalizează descompunerea amidonului în zaharuri. A fost descoperit și izolat de Anselm Peyen în 1833. Toate amilazele sunt glicozid hidrolaze. Acestea sunt utilizate pe scară largă în industrie și reprezintă aproape 25% din piața enzimelor. Folosit în industrii precum:

• de calitate alimentară;
• coacere;
• hârtie și textile
• îndulcitori și sucuri de fructe;
• siropuri de glucoză și fructoză
• detergenți;
• Etanolul carburant din amidon;
• băuturi alcoolice;
• ajutor digestiv;
• îndepărtarea petelor în curățarea uscată.

Utilizat, de asemenea, în chimia clinică, medicamentoasă și analitică.

xilanază

Hemiceluloza este unul dintre principalii constituenți ai reziduurilor agricole, alături de celuloză, lignină și pectină. Xylanul este componenta sa principală. Importanța xilanazei a crescut semnificativ datorită aplicațiilor sale biotehnologice pentru producția de pentoză, purificarea sucului de fructe, îmbunătățirea digestiei și bioconversia deșeurilor agricole lignocelulozice în combustibili și substanțe chimice. A găsit aplicații în industria alimentară, textilă și a hârtiei, în gestionarea deșeurilor agricole, în producția de etanol și în hrana pentru animale.

Lactoză

Enzimele ligninolitice sunt aplicabile în hidroliza reziduurilor agricole lignocelulozice, în special pentru degradarea ligninei, componentă complexă și netransferabilă. Acestea sunt foarte versatile în natură și pot fi utilizate într-o serie de procese industriale. Sistemul enzimatic lignolitic este utilizat în bioblanșirea celulozei și în alte industrii, cum ar fi stabilizarea vinului și a sucurilor de fructe, spălarea denimului, industria cosmetică și biosenzorii.

Lipază

Este o enzimă microbiană care catalizează descompunerea și hidroliza grăsimilor. Lipazele sunt o subclasă de esteraze. Acestea joacă un rol important în digestia, transportul și procesarea grăsimilor. Cele mai multe lipaze sunt implicate într-o poziție specifică pe coloana vertebrală de glicerol a substratului de grăsime, în special în intestinul subțire. Unele sunt exprimate de agenții patogeni secretați în timpul bolilor infecțioase. Lipazele sunt considerate a fi un grup major de enzime valoroase din punct de vedere biotehnologic, în principal datorită proprietăților lor versatile și ușurinței de producție în masă.

Utilizarea lipazei

Aceste enzime sunt implicate într-o varietate de procese biologice, de la metabolismul de rutină al trigliceridelor din alimentație până la transducția semnalelor și inflamația celulară. Unele activități de lipază au fost limitate la compartimente specifice din interiorul celulelor, în timp ce altele au funcționat în spațiile extracelulare:

• Lipazele pancreatice sunt secretate în spațiile extracelulare, unde sunt utilizate pentru a recicla lipidele alimentare în forme mai simple care sunt transportate în tot corpul.
• Facilitează absorbția nutrienților din mediul extern.
• Activitatea crescută a lipazei înlocuiește catalizatorii tradiționali în procesarea biodieselului.
• Utilizați în domenii precum produsele de panificație, detergenții pentru detergenți de spălat, ca biocatalizatori.
• În industria textilă este utilizat pentru a crește absorbția și uniformitatea țesutului în timpul vopsitului.
• Modificarea aromei alimentelor prin sinteza esterilor de acizi grași cu lanț scurt și alcooli.
• Prezența sau nivelurile ridicate de lipază pot indica o anumită infecție sau boală și pot fi utilizate ca instrument de diagnosticare.
• Au un efect bactericid. Poate fi utilizat în tratamentul tumorilor maligne.
• au o mare importanță comercială în domeniul cosmetic și farmaceutic (produse de îngrijire a pielii, Pregătiri pentru bucle păr).