Ферменттер метаболизмнің және биохимиялық реакциялардың барлық кезеңдерінде маңызды рөл атқаратын биокатализаторлар. Олар ерекше қызығушылық тудырады және көптеген өнеркәсіптік масштабтағы процестерде органикалық катализаторлар ретінде пайдаланылады. Бұл мақалада микробтық ферменттер мен олардың жіктелуіне шолу берілген.
Кіріспе
Әртүрлі биоөнеркәсіптер субстраттар мен шикізатты өңдеуде қолдану үшін ерекше сипаттамалары бар ферменттерді қажет етеді. Микробтық ферменттер химиялық катализаторларды қолданумен салыстырғанда үнемді және экологиялық таза түрде биологиялық процестерде реакцияларды жүргізу үшін биокатализатор ретінде әрекет етеді. Олардың ерекше сипаттамалары коммерциялық қызығушылық пен өнеркәсіптік қолдану үшін қолданылады. Ферменттер өте ерекше, олар 4000-ға жуық биохимиялық реакцияларды катализдейді. Нобель сыйлығының лауреаты Эмиль Фишер мұның себебі ферменттің де, субстраттың да нақты бір-бірін толықтыратын геометриялары бар деп болжайды.бір-біріне сәйкес келеді.
Анықтама
Ферменттер - тіршілікті қамтамасыз ету үшін қажетті барлық маңызды химиялық алмасуларға жауапты үлкен биологиялық молекулалар. Олар тағамның қорытылуынан ДНҚ синтезіне дейінгі аралықтағы метаболикалық реакциялардың жылдамдығын да, ерекшелігін де айтарлықтай жеделдете алатын жоғары селективті катализаторлар. Оларда болатын барлық метаболикалық процестер микроорганизмдердің жасушаларында қандай ферменттер түзілетініне байланысты.
Тарих
1877 жылы Гейдельберг университетінің физиология профессоры Вильгельм Фридрих Куен алғаш рет латынның fermentum сөзінен шыққан, «ашытқыдағы» дегенді білдіретін «фермент» терминін қолданды. Микроорганизмдердің ферменттерін алу ежелгі Грецияда басталды. Олар тамақ пен сусынды сақтау үшін қолданылған.
1783 жылы атақты итальяндық католиктік діни қызметкер Лацзаро Спалланзани биогенез жөніндегі жұмысында бұл биомолекуланың маңыздылығын алғаш рет айтқан.
1812 жылы Готлиб Сигизмунд Кирхгоф крахмалды глюкозаға айналдыру процедурасын зерттеді. Өз тәжірибесінде ол ферменттерді катализатор ретінде пайдалануды атап көрсетеді.
1833 жылы француз химигі Ансельм Паен диастаза ферментін ашты.
Ондаған жылдар өткен соң, 1862 жылы Луи Пастер қанттың спиртке ашыту процесін зерттей отырып, оны ашытқы жасушаларында болатын тіршілік күші катализдейді деген қорытындыға келді.
Табиғатта кездесетін биомолекулаларзығыр, былғары және индиго сияқты бұйымдарды жасауда көне заманнан кеңінен қолданылған. Бұл процестердің барлығына микроорганизмдер – фермент продуценттері себеп болды.
Мағынасы
Ферменттер химиялық реакцияларды жеңілдету үшін қажет. Олардың микроорганизмдер тіршілігіндегі рөлі өте маңызды. Ол зат алмасу процестерін, тыныс алуды, ас қорытуды және өмірдің басқа түрлерін қамтамасыз етуден тұрады. Ферменттер дұрыс жұмыс істегенде, гомеостаз сақталады. Микроорганизмдердегі ферменттердің тағы бір рөлі – зат алмасуды жылдамдату.
Арнайы мүмкіндіктер
Микроорганизм ферменттерінің қасиеттеріне мыналар жатады:
- ыстыққа төзімділік;
- термофильді табиғат;
- рН диапазонының өзгеруіне төзімділік;
- температура мен рН өзгерген кездегі белсенділік тұрақтылығы;
- басқа қатаң реакция шарттары.
Олар термофильді, ацидофильді немесе сілті болып бөлінеді. Термотұрақты фермент жүйелері бар микроорганизмдер ұзаққа созылатын кең ауқымды өндірістік реакцияларда микробтардың ластану мүмкіндігін азайтады. Микробтық ферменттер шикізаттың гидролизі процесінде масса алмасуды арттыруға және субстраттың тұтқырлығын төмендетуге көмектеседі.
Жіктеу
Реакция сипатына негізделген белсенділік ауқымы кең болғандықтан, ферменттер катализіне қарай жіктеледі:
- Оксидоредуктазалар. Тотығу реакциялары бір молекуладан электрондарды тасымалдауды қамтидыбасқасына. Биологиялық жүйелерде бұл субстраттан сутегінің жойылуы болып табылады.
- Трансферазалар. Ферменттердің бұл класы атомдар топтарының бір молекуладан екінші молекулаға ауысуын катализдейді. Аминотрансферазалар немесе трансаминазалар амин тобының амин қышқылынан альфа-оксо қышқылына ауысуын жеңілдетеді.
- Гидролазалар. Гидролизді катализдеу, субстраттарды сумен бөлу. Реакцияларға белоктардағы пептидтік байланыстардың, көмірсулардағы гликозидтік байланыстардың және липидтердегі эфирлік байланыстардың ыдырауы жатады. Әдетте, үлкенірек молекулалар кішірек фрагменттерге ыдырайды.
- Liase. Қос байланысқа топтардың қосылуын немесе біріншісін алып тастау арқылы соңғысының түзілуін катализдеңіз. Мысалы, пектат-лиазалар бета-элиминация арқылы гликозидтік байланыстарды ажыратады.
- Изомеразалар. Олар бір молекуладағы топтардың бір позициядан екінші орынға ауысуын катализдейді. Субстрат құрылымын өзгертіп, оның атомдарын қайта реттеңіз.
- Лигалар. Молекулаларды коваленттік байланыспен байланыстырыңыз. Олар биосинтетикалық реакцияларға қатысады, онда жаңа байланыс топтары түзіледі. Мұндай реакциялар кофакторлар түріндегі энергияны енгізуді қажет етеді.
Қолданба
Ашыту көптеген тағамдарды дайындауда қолданылады. Тамақ өнеркәсібінде микробтық ферменттерді қолдану көптен бері келе жатқан процесс. Келесі түрлер кеңінен қолданылады:
- Амилаза. Крахмалды сұйылту, нан сапасын жақсарту, жеміс шырындарын мөлдірлеу.
- Глюкоамилазалар. Құрамында глюкоза мен фруктоза жоғары сыра мен сироптар өндірісі.
- Протеаза. Тендерлендірует, сүт коагуляциясы.
- Лактаза. Адамдардағы лактозаға төзбеушілікті төмендету, пребиотикалық тағамдық қоспалар.
- Липаза. Чеддер ірімшігі өндірісі.
- Фосфолипазалар. Липолизденген сүт майын өндіру.
- Эстераза. Жеміс шырынындағы дәм мен хош иісті жақсарту. Тағамдық талшықтарды эфирден тазарту. Қысқа тізбекті эфирлерді өндіру.
- Целлюлаздар. Жануарларға арналған жем.
- Глюкозаоксидаза. Тағамдарды сақтау мерзімін ұзарту.
- Лаккас. Шараптан полифенолдарды жою.
- Каталаздар. Азық-түлікті сақтау. Сүттен ірімшік өндіру алдында сутегі асқын тотығын алу.
- Пероксидаза. Тамақтың дәмін, түсін және сапасын дамыту.
Протеаза
Микробтық жүйелерден алынған протеазалар үш түрлі болады: қышқыл, бейтарап және сілтілі. Сілтілік сериндік протеазалар биоөнеркәсіпте ең көп қолданылады. Олар экстремалды физиологиялық параметрлердің қалыптан тыс жағдайларында жоғары белсенділік пен тұрақтылыққа ие. Сілтілік протеазалар жуу құралдарында қолданғанда ферментативті белсенділіктің жоғары тұрақтылық қасиетіне ие. Олар биоиндустрияда кең қолданыс тапты:
- кір жуғыш ұнтақтарды өндіру;
- тамақ өнеркәсібі;
- былғары өңдеу;
- фармацевтикалық препараттар;
- молекулярлық биология және пептидтер синтезіндегі зерттеулер.
Амилаза
Бұл крахмалдың қантқа ыдырауын катализдейтін микроорганизмдердің ферменті. Ол болды1833 жылы Ансельм Пейен ашты және оқшаулады. Барлық амилазалар гликозидті гидролазалар болып табылады. Олар өнеркәсіпте кеңінен қолданылады және ферменттер нарығының шамамен 25% құрайды. Мынадай салаларда қолданылады:
- тағам;
- наубайхана;
- қағаз және тоқыма;
- тәттілендіргіштер мен жеміс шырындары;
- глюкоза және фруктоза сироптары;
- жуғыш заттар;
- крахмалдан алынатын этанол;
- алкогольді сусындар;
- ас қорытуға көмек;
- құрғақ тазалаудағы дақ кетіргіш.
Клиникалық, медициналық және аналитикалық химияда да қолданылады.
Ксиланаза
Гемицеллюлоза целлюлоза, лигнин және пектинмен бірге ауылшаруашылық қалдықтарының негізгі құрамдастарының бірі болып табылады. Ксилан - оның негізгі құрамдас бөлігі. Ксиланазаның маңыздылығы оның пентозаны өндіру, жеміс шырындарын тазарту, ас қорытуды жақсарту және лигноцеллюлозды ауылшаруашылық қалдықтарын отын мен химиялық заттарға биоконверсиялау үшін биотехнологиялық қолдануына байланысты айтарлықтай өсті. Ол тамақ, тоқыма және целлюлоза-қағаз өнеркәсібінде, ауылшаруашылық қалдықтарын кәдеге жарату, этанол өндірісінде және мал азығында қолданылуын тапты.
Лакказ
Лигинолитикалық ферменттер лигноцеллюлозды ауылшаруашылық қалдықтарының гидролизінде, әсіресе лигниннің күрделі және айдалмайтын құрамдас бөлігінің ыдырауы үшін пайдалы. Олар табиғаты бойынша өте жан-жақты және бірқатар өнеркәсіптік процестерде қолданылуы мүмкін. Лигнолитикалық фермент жүйесі целлюлозаны биодекорациялауда және шарап пен жеміс шырынын тұрақтандыру, джинсті жуу, косметика және биосенсорлар сияқты басқа салаларда қолданылады.
Липаза
Бұл майлардың ыдырауы мен гидролизін катализдейтін микроорганизмдердің ферменті. Липазалар - эстеразаның қосалқы класы. Олар майларды қорытуда, тасымалдауда және өңдеуде маңызды рөл атқарады. Липаздардың көпшілігі майлы субстраттың глицериндік діңгегінде, әсіресе аш ішекте белгілі бір қалыпта қатысады. Олардың кейбіреулері жұқпалы ауру кезінде бөлінген патогендік организмдер арқылы көрінеді. Липазалар биотехнологиялық құнды ферменттердің негізгі тобы болып саналады, бұл негізінен олардың қолданбалы қасиеттерінің жан-жақтылығына және жаппай өндірісінің қарапайымдылығына байланысты.
Lipase қолданбасы
Бұл ферменттер диетадағы әдеттегі триглицеридтер алмасуынан сигнал беру мен жасуша қабынуына дейінгі әртүрлі биологиялық процестерге қатысады. Кейбір липаза әрекеттері жасушалардың белгілі бір бөлімдерімен шектеледі, ал басқалары жасушадан тыс кеңістікте жұмыс істейді:
- Ұйқы безінің липазалары жасушадан тыс кеңістіктерге бөлінеді, онда олар диеталық липидтерді бүкіл денеге тасымалданатын қарапайым формаларға айналдыруға қызмет етеді.
- Қоршаған ортадан қоректік заттардың сіңуін жеңілдетіңіз.
- Липаза белсенділігінің жоғарылауы ауыстырыладыбиодизельді өңдеудегі кәдімгі катализаторлар.
- Пісіру, кір жуғыш заттар, биокатализаторлар сияқты қолданбаларда қолданылады.
- Тоқыма өнеркәсібінде матаның сіңіргіштігін және бояу кезінде біркелкілігін арттыру үшін қолданылады.
- Қысқа тізбекті май қышқылдары мен спирттердің күрделі эфирлерін синтездеу арқылы тағамның дәмін өзгерту үшін.
- Липазалардың болуы немесе жоғары деңгейі белгілі бір инфекцияны немесе ауруды көрсетуі мүмкін және оны диагностикалық құрал ретінде пайдалануға болады.
- Бактерицидтік әсері бар. Қатерлі ісіктерді емдеуде қолдануға болады.
- Косметика мен фармацевтикада (тері күтімі құралдары, шаш бұйралағыштар) үлкен коммерциялық құндылыққа ие.
