Enzymen zijn biokatalysatoren die een belangrijke rol spelen in alle stadia van het metabolisme en biochemische reacties. Ze zijn van bijzonder belang en worden gebruikt als organische katalysatoren in talrijke processen op industriële schaal. Dit artikel geeft een overzicht van microbiële enzymen en hun classificatie.
Inleiding
Verschillende bio-industrieën hebben enzymen met specifieke eigenschappen nodig voor hun gebruik bij de verwerking van substraten en grondstoffen. Microbiële enzymen werken als biokatalysatoren om reacties in biologische processen op een economische en milieuvriendelijke manier uit te voeren in vergelijking met het gebruik van chemische katalysatoren. Hun speciale kenmerken worden gebruikt voor commerciële en industriële toepassingen. Enzymen zijn zeer specifiek, ze katalyseren ongeveer 4000 biochemische reacties. Nobelprijswinnaar Emil Fischer suggereerde dat dit komt omdat zowel het enzym als het substraat specifieke complementaire geometrieën hebben die precies zijn:in elkaar passen.
Definitie
Enzymen zijn grote biologische moleculen die verantwoordelijk zijn voor al die belangrijke chemische uitwisselingen die nodig zijn om het leven in stand te houden. Het zijn zeer selectieve katalysatoren die zowel de snelheid als de specificiteit van metabolische reacties aanzienlijk kunnen versnellen, variërend van voedselvertering tot DNA-synthese. Alle metabolische processen die daarin plaatsvinden, zijn afhankelijk van de enzymen die in de cellen van micro-organismen worden gevormd.
Geschiedenis
In 1877 gebruikte Wilhelm Friedrich Kuehne, hoogleraar fysiologie aan de Universiteit van Heidelberg, voor het eerst de term 'enzym', dat afkomstig is van het Latijnse woord fermentum, wat 'in zuurdeeg' betekent. Het verkrijgen van enzymen van micro-organismen begon in het oude Griekenland. Ze werden gebruikt om eten en drinken te bewaren.
In 1783 noemde de beroemde Italiaanse katholieke priester Lazzaro Spallanzani voor het eerst het belang van dit biomolecuul in zijn werk over biogenese.
In 1812 onderzocht Gottlieb Sigismund Kirchhoff de procedure voor het omzetten van zetmeel in glucose. In zijn experiment belicht hij het gebruik van enzymen als katalysator.
In 1833 ontdekte de Franse chemicus Anselm Payen het eerste enzym, diastase.
Tientallen later, in 1862, toen Louis Pasteur de fermentatie van suiker tot alcohol bestudeerde, kwam hij tot de conclusie dat het werd gekatalyseerd door de levenskracht in de gistcellen.
Biomoleculen gevonden in de natuurworden al sinds de oudheid op grote schaal gebruikt bij de vervaardiging van producten zoals linnen, leer en indigo. Al deze processen werden veroorzaakt door micro-organismen - enzymproducenten.
Betekenis
Enzymen zijn nodig om chemische reacties te vergemakkelijken. Hun rol in het leven van micro-organismen is erg belangrijk. Het bestaat uit het verzekeren van metabolische processen, ademhaling, spijsvertering en andere soorten leven. Wanneer enzymen goed functioneren, wordt de homeostase gehandhaafd. Een andere rol van enzymen in micro-organismen is het versnellen van de stofwisseling.
Speciale kenmerken
Micro-organisme-enzymeigenschappen omvatten:
- hittebestendigheid;
- thermofiele natuur;
- tolerantie voor veranderend pH-bereik;
- activiteitsstabiliteit bij veranderende temperaturen en pH;
- andere stringente reactievoorwaarden.
Ze zijn geclassificeerd als thermofiel, acidofiel of alkalifiel. Micro-organismen met thermostabiele enzymsystemen verminderen de kans op microbiële besmetting bij grootschalige industriële reacties van lange duur. Microbiële enzymen helpen bij het verhogen van de massaoverdracht en het verminderen van de viscositeit van het substraat tijdens het hydrolyseproces van de grondstof.
Classificatie
Vanwege het brede scala aan activiteiten op basis van de aard van hun reactie, worden enzymen geclassificeerd volgens katalyse:
- Oxidoreductasen. Oxidatiereacties omvatten de overdracht van elektronen van een enkel molecuulnaar een ander. In biologische systemen is dit het verwijderen van waterstof uit het substraat.
- Overdrachten. Deze klasse van enzymen katalyseert de overdracht van groepen atomen van het ene molecuul naar het andere. Aminotransferasen of transaminasen vergemakkelijken de overdracht van een aminogroep van een aminozuur naar een alfa-oxozuur.
- Hydrolasen. Katalyseer hydrolyse, splijten van substraten met water. De reacties omvatten de splitsing van peptidebindingen in eiwitten, glycosidebindingen in koolhydraten en esterbindingen in lipiden. Over het algemeen vallen grotere moleculen uiteen in kleinere fragmenten.
- Liase. Katalyseer de toevoeging van groepen aan dubbele bindingen of de vorming van de laatste door de eerste te verwijderen. Pectaatlyasen splitsen bijvoorbeeld glycosidische bindingen door bèta-eliminatie.
- Isomerasen. Ze katalyseren de overdracht van groepen van de ene positie naar de andere in hetzelfde molecuul. Verander de structuur van het substraat, herschik de atomen.
- Ligasen. Verbind moleculen met covalente bindingen. Ze nemen deel aan biosynthetische reacties, waarbij nieuwe bindingsgroepen worden gevormd. Dergelijke reacties vereisen een invoer van energie in de vorm van cofactoren.
Toepassing
Gisting wordt gebruikt bij de bereiding van veel voedingsmiddelen. Het gebruik van microbiële enzymen in de voedingsindustrie is een langdurig proces. De volgende typen worden veel gebruikt:
- Amylase. Vloeibaar maken van zetmeel, verbetering van broodkwaliteit, klaring van vruchtensappen.
- Glucoamylasen. Productie van bier en siropen met een hoog glucose- en fructosegeh alte.
- Protease. Vermalsingvlees, melkcoagulatie.
- Lactase. Vermindering van lactose-intolerantie bij mensen, prebiotische voedingssupplementen.
- Lipase. Productie van cheddarkaas.
- fosfolipasen. Productie van gelipolyseerd melkvet.
- Esterase. Verbetering van smaak en aroma in vruchtensap. Ontestering van voedingsvezels. Productie van esters met een korte keten.
- Cellulases. Diervoeder.
- Glucose-oxidase. De houdbaarheid van voedsel verbeteren.
- Laccases. Verwijdering van polyfenolen uit wijn.
- Catalases. Voedselconservering. Verwijdering van waterstofperoxide uit melk voorafgaand aan kaasproductie.
- Peroxidase. Ontwikkeling van smaak, kleur en kwaliteit van voedsel.
Protease
Proteasen afgeleid van microbiële systemen zijn van drie soorten: zuur, neutraal en alkalisch. Alkalische serineproteasen hebben de grootste toepassing in de bio-industrie. Ze hebben een hoge activiteit en stabiliteit onder abnormale omstandigheden van extreme fysiologische parameters. Alkalische proteasen hebben de eigenschap van hoge stabiliteit van enzymatische activiteit bij gebruik in detergentia. Ze hebben een brede toepassing gevonden in de bio-industrie:
- productie van waspoeders;
- voedingsindustrie;
- leerverwerking;
- farmaceutica;
- onderzoek in moleculaire biologie en peptidesynthese.
Amylase
Dit is een enzym van micro-organismen dat de afbraak van zetmeel in suikers katalyseert. Hij wasontdekt en geïsoleerd door Anselm Peyen in 1833. Alle amylasen zijn glycosidehydrolasen. Ze worden veel gebruikt in de industrie en zijn goed voor bijna 25% van de enzymmarkt. Gebruikt in industrieën zoals:
- eten;
- bakkerij;
- papier en textiel;
- zoetstoffen en vruchtensappen;
- glucose- en fructosestroop;
- wasmiddelen;
- brandstof-ethanol uit zetmeel;
- alcoholische dranken;
- spijsvertering;
- vlekkenverwijderaar in de stomerij.
Ook gebruikt in klinische, medische en analytische chemie.
Xylanase
Hemicellulose is een van de hoofdbestanddelen van landbouwresten, samen met cellulose, lignine en pectine. Xylan is het hoofdbestanddeel. Het belang van xylanase is aanzienlijk toegenomen dankzij de biotechnologische toepassingen voor de productie van pentose, de zuivering van vruchtensappen, de verbetering van de spijsvertering en de bioconversie van lignocellulose landbouwafval in brandstoffen en chemicaliën. Het heeft zijn toepassing gevonden in de voedsel-, textiel- en pulp- en papierindustrie, de verwijdering van landbouwafval, de productie van ethanol en diervoeder.
Laccase
Liginolytische enzymen zijn nuttig bij de hydrolyse van lignocellulosische landbouwresiduen, vooral voor de afbraak van het complexe en niet-pompende bestanddeel lignine. Ze zijn zeer veelzijdig van aard en kunnen worden gebruikt in een aantal industriële processen. Het lignolytische enzymsysteem wordt gebruikt bij de biologische ontkleuring van cellulose en andere industrieën, zoals de stabilisatie van wijn en vruchtensap, het witwassen van denim, cosmetica en biosensoren.
Lipase
Dit is een enzym van micro-organismen dat de afbraak en hydrolyse van vetten katalyseert. Lipasen zijn een subklasse van esterasen. Ze spelen een belangrijke rol bij de vertering, het transport en de verwerking van vetten. De meeste lipasen zijn betrokken op een bepaalde positie op de glycerolruggengraat van het vetsubstraat, vooral in de dunne darm. Sommigen van hen worden uitgedrukt door uitgescheiden pathogene organismen tijdens een infectieziekte. Lipasen worden beschouwd als de belangrijkste groep van biotechnologisch waardevolle enzymen, voornamelijk vanwege de veelzijdigheid van hun toegepaste eigenschappen en het gemak van massaproductie.
Lipase-applicatie
Deze enzymen zijn betrokken bij een verscheidenheid aan biologische processen, variërend van routinematig triglyceridenmetabolisme in de voeding tot signalering en celontsteking. Sommige lipase-activiteiten zijn beperkt tot bepaalde compartimenten in cellen, terwijl andere in extracellulaire ruimtes werken:
- Pancreatische lipasen worden uitgescheiden in extracellulaire ruimtes waar ze dienen om voedingslipiden om te zetten in eenvoudigere vormen die door het lichaam worden getransporteerd.
- Vergemakkelijk de opname van voedingsstoffen uit de omgeving.
- Verhoogde lipase-activiteit vervangtconventionele katalysatoren bij de verwerking van biodiesel.
- Gebruikt in toepassingen zoals bakken, wasmiddelen, als biokatalysatoren.
- In de textielindustrie wordt het gebruikt om het absorptievermogen van de stof en de gelijkmatigheid bij het verven te vergroten.
- De smaak van voedsel wijzigen door esters van vetzuren en alcoholen met een korte keten te synthetiseren.
- De aanwezigheid of hoge niveaus van lipasen kunnen wijzen op een specifieke infectie of ziekte en kunnen worden gebruikt als diagnostisch hulpmiddel.
- Hebben een bacteriedodend effect. Kan worden gebruikt bij de behandeling van kwaadaardige tumoren.
- Hebben een grote commerciële waarde in cosmetica en farmaceutische producten (huidverzorgingsproducten, haarkrulspelden).
