Ферменти - це біокаталізатори, які відіграють важливу роль на всіх етапах обміну речовин і біохімічних реакцій. Вони представляють особливий інтерес і використовуються в якості органічних каталізаторів в численних процесах в промисловому масштабі. У цій статті дається огляд ферментів мікроорганізмів і їх класифікація.

Введення

Різні биопромышленности потребують у ферментах, що володіють особливими характеристиками для їх застосування при обробці субстратів і сировини. Ферменти мікроорганізмів діють як біокаталізатори для здійснення реакцій в біологічних процесах економічним і екологічно чистим способом порівняно з використанням хімічних каталізаторів. Їх особливі характеристики використовуються для комерційного інтересу і промислового застосування. Ферменти дуже специфічні, вони каталізують близько 4000 біохімічних реакцій. Нобелівський лауреат Еміль Фішер припустив, що це відбувається тому, що і фермент, і субстрат володіють специфічними комплементарними геометричними формами, які точно вписуються один в одного.

Визначення

Ферменти - це великі біологічні молекули, відповідальні за всі ті важливі хімічні взаємоперетворення, які необхідні для підтримки життя. Вони є високоселективні каталізаторами, які можуть значно прискорити як швидкість, так і специфічність метаболічних реакцій, які варіюються від перетравлення їжі до синтезу ДНК. Від того, які ферменти утворюються в клітинах мікроорганізмів, залежать всі метаболічні процеси, що відбуваються в них.

Історія

У 1877 році Вільгельм Фрідріх Кюне, професор фізіології в Гейдельберзькому університеті, вперше використав термін «фермент», який походить від латинського слова fermentum , що означає «заквасці». Отримання ферментів мікроорганізмів почалося в Стародавній Греції. Вони використовувалися для зберігання їжі та напоїв. У 1783 році відомий італійський католицький священик Лаззаро Спалланцани вперше згадав важливість цієї біомолекули в своїй роботі по биогенезу. У 1812 році Готтліб Сигізмунд Кірхгоф досліджував процедуру перетворення крохмалю в глюкозу. У своєму експерименті він висвітлює застосування ферментів в якості каталізатора. У 1833 році французький хімік Ансельм Пайен відкрив перший фермент, діастазу. Кілька десятиліть тому, у 1862 році, при вивченні ферментації цукру до спирту Луї Пастер прийшов до висновку, що вона була катализирована життєвою силою, що міститься в клітинах дріжджів. Знайдені у природі біомолекули широко використовувалися з давніх часів при виробництві таких виробів, як льон, шкіра і індиго. Всі ці процеси були викликані мікроорганізмами - продуцентами ферментів.

Значення

Для полегшення хімічних реакцій необхідні ферменти. Їх роль у життєдіяльності мікроорганізмів дуже важлива. Вона полягає в забезпеченні метаболічних процесів, дихання, травлення та інших видів життєдіяльності. Коли ферменти функціонують належним чином, гомеостаз зберігається. Ще одна роль ферментів в мікроорганізмах - це прискорення обміну речовин.

Особливі характеристики

Властивості ферментів мікроорганізмів включають в себе:

термостійкість;

термофильную природу;

толерантність до змінюється діапазону РН;

стабільність активності при зміні температур і РН;

інші жорсткі умови реакції.

Вони поділяються на термофільні, ацидофільні або алкалофильные. Мікроорганізми з системами термостабільних ферментів зменшують можливість мікробного забруднення у великомасштабних промислових реакціях довготривалості. Ферменти мікроорганізмів допомагають у збільшенні масообміну і зниження в'язкості субстрату під час процесу гідролізу сировини.

Класифікація

З-за широкого спектру активностей, заснованих на природі їх реакції, ферменти класифікуються згідно з каталізом:

Оксидоредуктазы. Реакції окислення включають перенесення електронів від однієї молекули до іншої. У біологічних системах - це видалення водню з субстрату.

Трансферази. Цей клас ферментів каталізує перенесення груп атомів з однієї молекули до іншої. Амінотрансферази або трансамінази сприяють перенесення аміногрупи з амінокислоти в альфа-оксокислоту.

Гідролази. Каталізують гідроліз, розщеплення субстратів водою. Реакції включають розщеплення пептидних зв'язків у білках, глікозидних зв'язків у вуглеводах і сложноэфирных зв'язків в ліпідах. Як правило, більш великі молекули розпадаються на більш дрібні фрагменти.

Ліази. Каталізують додавання груп до подвійних зв'язків або освіта друге допомогою видалення перших. Наприклад, пектат-ліази розщеплюють глікозидні зв'язки шляхом бета-елімінації.

Изомеразы. Каталізують перенесення груп з одного положення в інше в одній і тій же молекулі. Змінюють структуру субстрату, перебудовуючи його атоми.

Лігази. З'єднують молекули разом з ковалентными зв'язками. Беруть участь в біосинтетичних реакціях, де утворюються нові групи зв'язків. Такі реакції вимагають введення енергії у вигляді кофакторів.

Застосування

Ферментація застосовується при приготуванні багатьох харчових продуктів. Використання ферментів мікроорганізмів у харчовій промисловості - це давній процес. Широке застосування знайшли такі види:

Амілаза. Розрідження крохмалю, поліпшення якості хліба, освітлення фруктових соків.

Глюкоамилазы. Виробництво пива і сиропів з високим вмістом глюкози і фруктози.

Протеаза. Тендеризация м'яса, коагуляція молока.

Лактаза. Зниження непереносимості лактози у людей, пребіотичні харчові добавки.

Ліпаза. Виробництво сиру чеддер.

Фосфоліпази. Виробництво липолизированного молочного жиру.

Эстеразам. Поліпшення смаку і аромату у фруктовому соці. Деетерифікація харчових волокон. Виробництво короткоцепных складних ефірів.

Целюлази. Корми для тварин.

Глюкозооксидаза. Поліпшення терміну придатності продуктів харчування.

Лакказы. Видалення поліфенолів з вина.

Каталази. Харчова консервація. Видалення перекису водню з виробництва молока до сиру.

Пероксидаза. Розвиток смаку, кольору і якості їжі.

Протеаза

Протеази, отримані з мікробних систем, бувають трьох типів: кислі, нейтральні та лужні. Лужні серинові протеази мають найбільше застосування в біоіндустрії. Вони володіють високою активністю і стабільністю в аномальних умовах надмірних фізіологічних параметрів. Лужні протеази мають властивість високої стабільності ферментативної активності при використанні в миючих засобах. Вони знайшли широке застосування в біоіндустрії:

виробництво пральних порошків;

харчова промисловість;

обробка шкіри;

фармацевтика;

дослідження в області молекулярної біології і синтезу пептидів.

Амілаза

Це фермент мікроорганізмів, що каталізує розщеплення крохмалю на цукор. Він був виявлений і виділений Ансельмом Пейеном в 1833 році. Всі амілази є гликозидгидролазами. Вони широко використовуються в промисловості і займають майже 25% ринку ферментів. Застосовуються в таких галузях, як:

харчова;

хлібопекарська;

паперова і текстильна;

підсолоджувачі і фруктові соки;

глюкозні і фруктозні сиропи;

миючі засоби;

паливний етанол з крохмалів;

алкогольні напої;

травна допомогу;

плямовивідник в хімчистці.

Також використовуються в клінічній, медичної та аналітичної хімії.

Ксиланаза

Геміцелюлоза є однією з основних складових сільськогосподарських залишків поряд з целюлозою, лігніном і пектином. Ксилан є основним її компонентом. Важливість ксиланазы значно зросла завдяки її біотехнологічних застосувань для виробництва пентозы, очищення фруктових соків, поліпшення травлення і біоконверсії лігноцелюлозних сільськогосподарських відходів в паливо і хімічні речовини. Вона знайшла своє застосування в харчової, текстильної та целюлозно-паперової промисловості, утилізації відходів сільського господарства, виробництва етанолу і кормів для тварин.

Лакказа

Лигинолитические ферменти застосовуються в гідролізі лігноцелюлозних сільськогосподарських залишків, особливо для деградації складного і неперекачивающего становить лігніну. Вони дуже універсальні за своєю природою і можуть бути використані в ряді промислових процесів. Лигнолитическая ферментна система використовується в биообесцвечивании целюлози, і в інших галузях, таких як стабілізація винних і фруктових соків, прання деніму, косметична промисловість і біосенсори.

Ліпаза

Це фермент мікроорганізмів, що каталізує розщеплення і гідроліз жирів. Ліпази - це підклас естераз. Вони відіграють значну роль у травленні, транспорті та переробці жирів. Велика частина ліпаз задіяні в певному положенні на глицериновом остові жирового субстрату, особливо в тонкій кишці. Деякі з них експресуються за допомогою секретуються патогенних організмів під час інфекційного захворювання. Ліпази вважаються основною групою біотехнологічно цінних ферментів, головним чином завдяки універсальності їх застосовуваних властивостей і легкості масового виробництва.

Застосування ліпази

Ці ферменти беруть участь в різноманітних біологічних процесах, починаючи від рутинного метаболізму тригліцеридів у раціоні харчування до передачі сигналів і запалення клітин. Деякі липазные активності обмежені певними компартментами всередині клітин, тоді як інші працюють у позаклітинних просторах:

Ліпази підшлункової залози секретуються під позаклітинні простору, де вони служать для переробки харчових ліпідів в більш прості форми, які переносяться по всьому організму.

Полегшують поглинання поживних речовин із зовнішнього середовища.

Підвищена активність ліпази замінює традиційні каталізатори при переробці біодизеля.

Використовується в таких областях, як випічка, миючі засоби для прання, як біокаталізаторів.

У текстильній промисловості застосовується для збільшення всмоктуючої здатності тканини і рівності при фарбуванні.

Для модифікації харчового смаку шляхом синтезу складних ефірів коротколанцюгових жирних кислот і спиртів.

Наявність або високий рівень ліпаз може вказувати на певну інфекцію або захворювання і може використовуватися в якості діагностичного інструменту.

Надають бактерицидну дію. Можуть бути використані при лікуванні злоякісних пухлин.

Мають велике комерційне значення в косметиці і фармацевтиці (засоби по догляду за шкірою, препарати для завивки волосся).