Enzyme sind Biokatalysatoren, die in allen Stadien des Stoffwechsels und biochemischer Reaktionen eine wichtige Rolle spielen. Sie sind von besonderem Interesse und werden als organische Katalysatoren in zahlreichen Prozessen im industriellen Maßstab eingesetzt. Dieser Artikel gibt einen Überblick über mikrobielle Enzyme und ihre Klassifizierung.
Einführung
Verschiedene Bioindustrien benötigen Enzyme mit spezifischen Eigenschaften für ihren Einsatz bei der Verarbeitung von Substraten und Rohstoffen. Mikrobielle Enzyme wirken als Biokatalysatoren, um Reaktionen in biologischen Prozessen im Vergleich zum Einsatz chemischer Katalysatoren wirtschaftlich und umweltfreundlich durchzuführen. Ihre besonderen Eigenschaften werden für kommerzielle Zwecke und industrielle Anwendungen genutzt. Enzyme sind sehr spezifisch, sie katalysieren etwa 4000 biochemische Reaktionen. Der Nobelpreisträger Emil Fischer schlug vor, dass dies daran liegt, dass sowohl das Enzym als auch das Substrat spezifische komplementäre Geometrien haben, die genau sindineinander passen.
Definition
Enzyme sind große biologische Moleküle, die für all die wichtigen chemischen Austauschvorgänge verantwortlich sind, die notwendig sind, um das Leben zu erh alten. Sie sind hochselektive Katalysatoren, die sowohl die Geschwindigkeit als auch die Spezifität von Stoffwechselreaktionen, die von der Nahrungsverdauung bis zur DNA-Synthese reichen, erheblich beschleunigen können. Alle in ihnen ablaufenden Stoffwechselvorgänge hängen davon ab, welche Enzyme in den Zellen von Mikroorganismen gebildet werden.
Geschichte
Wilhelm Friedrich Kühne, Professor für Physiologie an der Universität Heidelberg, verwendete 1877 erstmals den Begriff „Enzym“, der vom lateinischen Wort fermentum stammt und „im Sauerteig“bedeutet. Die Gewinnung von Enzymen aus Mikroorganismen begann im antiken Griechenland. Sie wurden zur Konservierung von Speisen und Getränken verwendet.
1783 erwähnte der berühmte italienische katholische Priester Lazzaro Spallanzani erstmals die Bedeutung dieses Biomoleküls in seiner Arbeit über die Biogenese.
Gottlieb Sigismund Kirchhoff untersuchte 1812 das Verfahren zur Umwandlung von Stärke in Glukose. In seinem Experiment hebt er die Verwendung von Enzymen als Katalysator hervor.
1833 entdeckte der französische Chemiker Anselm Payen das erste Enzym, die Diastase.
Jahrzehnte später, im Jahr 1862, kam Louis Pasteur, als er die Vergärung von Zucker zu Alkohol untersuchte, zu dem Schluss, dass sie durch die in den Hefezellen enth altene Lebenskraft katalysiert wurde.
Biomoleküle aus der Naturwerden seit der Antike bei der Herstellung von Produkten wie Leinen, Leder und Indigo verwendet. All diese Prozesse wurden von Mikroorganismen verursacht - Enzymproduzenten.
Bedeutung
Enzyme werden benötigt, um chemische Reaktionen zu erleichtern. Ihre Rolle im Leben von Mikroorganismen ist sehr wichtig. Es besteht darin, Stoffwechselprozesse, Atmung, Verdauung und andere Arten des Lebens sicherzustellen. Wenn Enzyme richtig funktionieren, wird die Homöostase aufrechterh alten. Eine weitere Rolle von Enzymen in Mikroorganismen besteht darin, den Stoffwechsel zu beschleunigen.
Besonderheiten
Zu den Enzymeigenschaften von Mikroorganismen gehören:
- Hitzebeständigkeit;
- thermophile Natur;
- Toleranz gegenüber wechselndem pH-Bereich;
- Aktivitätsstabilität bei Temperatur- und pH-Änderungen;
- andere stringente Reaktionsbedingungen.
Sie werden als thermophil, acidophil oder alkaliphil klassifiziert. Mikroorganismen mit thermostabilen Enzymsystemen reduzieren die Möglichkeit einer mikrobiellen Kontamination in großtechnischen industriellen Reaktionen mit langer Dauer. Mikrobielle Enzyme helfen dabei, den Stoffaustausch zu erhöhen und die Viskosität des Substrats während des Hydrolyseprozesses des Rohmaterials zu reduzieren.
Klassifizierung
Wegen der breiten Palette von Aktivitäten, die auf der Art ihrer Reaktion basieren, werden Enzyme nach Katalyse klassifiziert:
- Oxidoreduktasen. Oxidationsreaktionen beinh alten die Übertragung von Elektronen von einem einzelnen Molekülzum anderen. In biologischen Systemen ist dies die Entfernung von Wasserstoff aus dem Substrat.
- Übertragungen. Diese Klasse von Enzymen katalysiert die Übertragung von Atomgruppen von einem Molekül auf ein anderes. Aminotransferasen oder Transaminasen erleichtern die Übertragung einer Aminogruppe von einer Aminosäure auf eine Alpha-Oxosäure.
- Hydrolasen. Hydrolyse katalysieren, Substratsp altung mit Wasser. Die Reaktionen umfassen die Sp altung von Peptidbindungen in Proteinen, glykosidischen Bindungen in Kohlenhydraten und Esterbindungen in Lipiden. Im Allgemeinen zerfallen größere Moleküle in kleinere Fragmente.
- Verbindung. Katalysieren Sie die Addition von Gruppen an Doppelbindungen oder die Bildung der letzteren, indem Sie die ersteren entfernen. Zum Beispiel sp alten Pektatlyasen glykosidische Bindungen durch Beta-Eliminierung.
- Isomerasen. Sie katalysieren die Übertragung von Gruppen von einer Position zur anderen im selben Molekül. Ändern Sie die Struktur des Substrats, indem Sie seine Atome neu anordnen.
- Liga. Verbinden Sie Moleküle durch kovalente Bindungen. Sie nehmen an biosynthetischen Reaktionen teil, bei denen neue Bindungsgruppen gebildet werden. Solche Reaktionen erfordern einen Energieeintrag in Form von Cofaktoren.
Bewerbung
Fermentation wird bei der Zubereitung vieler Lebensmittel verwendet. Der Einsatz von mikrobiellen Enzymen in der Lebensmittelindustrie ist ein langjähriger Prozess. Die folgenden Typen sind weit verbreitet:
- Amylase. Verflüssigung von Stärke, Verbesserung der Brotqualität, Klärung von Fruchtsäften.
- Glucoamylasen. Herstellung von Bier und Sirup mit hohem Glucose- und Fructosegeh alt.
- Protease. ZärtlichkeitFleisch, Milchgerinnung.
- Laktase. Verringerung der Laktoseintoleranz beim Menschen, präbiotische Nahrungsergänzung.
- Lipase. Herstellung von Cheddar-Käse.
- Phospholipasen. Produktion von lipolysiertem Milchfett.
- Esterase. Verbesserung von Geschmack und Aroma in Fruchtsäften. Entesterung von Ballaststoffen. Herstellung von kurzkettigen Estern.
- Cellulasen. Tierfutter.
- Glukoseoxidase. Verbesserung der H altbarkeit von Lebensmitteln.
- Laccasen. Entfernung von Polyphenolen aus Wein.
- Katalasen. Lebensmittelkonservierung. Entfernung von Wasserstoffperoxid aus Milch vor der Käseherstellung.
- Peroxidase. Entwicklung von Geschmack, Farbe und Qualität von Lebensmitteln.
Protease
Proteasen, die von mikrobiellen Systemen stammen, sind von drei Typen: sauer, neutral und alkalisch. Alkalische Serinproteasen haben die größte Anwendung in der Bioindustrie. Sie haben eine hohe Aktivität und Stabilität unter anormalen Bedingungen extremer physiologischer Parameter. Alkalische Proteasen haben die Eigenschaft einer hohen Stabilität der enzymatischen Aktivität, wenn sie in Waschmitteln verwendet werden. Sie haben breite Anwendung in der Bioindustrie gefunden:
- Produktion von Waschpulvern;
- Lebensmittelindustrie;
- Lederverarbeitung;
- Pharma;
- Forschung in Molekularbiologie und Peptidsynthese.
Amylase
Dies ist ein Enzym von Mikroorganismen, das den Abbau von Stärke in Zucker katalysiert. Er war1833 von Anselm Peyen entdeckt und isoliert. Alle Amylasen sind Glykosidhydrolasen. Sie sind in der Industrie weit verbreitet und machen fast 25 % des Enzymmarktes aus. Verwendet in Branchen wie:
- Essen;
- Bäckerei;
- Papier und Textil;
- Süßungsmittel und Fruchtsäfte;
- Glukose- und Fruktosesirupe;
- Waschmittel;
- Kraftstoffethanol aus Stärke;
- alkoholische Getränke;
- Verdauungshilfe;
- Fleckentferner in der chemischen Reinigung.
Wird auch in der klinischen, medizinischen und analytischen Chemie verwendet.
Xylanase
Hemicellulose ist neben Cellulose, Lignin und Pektin einer der Hauptbestandteile landwirtschaftlicher Reststoffe. Xylan ist sein Hauptbestandteil. Die Bedeutung von Xylanase hat aufgrund ihrer biotechnologischen Anwendungen für die Herstellung von Pentose, die Reinigung von Fruchtsäften, die Verbesserung der Verdauung und die Bioumwandlung lignozellulosischer landwirtschaftlicher Abfälle in Kraftstoffe und Chemikalien erheblich zugenommen. Es hat seine Anwendung in der Lebensmittel-, Textil-, Zellstoff- und Papierindustrie, der landwirtschaftlichen Abfallentsorgung, der Ethanolproduktion und der Tierernährung gefunden.
Laccase
Liginolytische Enzyme sind nützlich bei der Hydrolyse lignozelluloseh altiger landwirtschaftlicher Rückstände, insbesondere für den Abbau des komplexen und nicht pumpenden Bestandteils Lignin. Sie sind von Natur aus sehr vielseitig und können in einer Reihe von industriellen Prozessen verwendet werden. Das lignolytische Enzymsystem wird in der Zellulose-Bioentfärbung und anderen Industrien wie Wein- und Fruchtsaftstabilisierung, Denim-Wäsche, Kosmetik und Biosensoren eingesetzt.
Lipase
Dies ist ein Enzym von Mikroorganismen, das den Abbau und die Hydrolyse von Fetten katalysiert. Lipasen sind eine Unterklasse von Esterasen. Sie spielen eine wichtige Rolle bei der Verdauung, dem Transport und der Verarbeitung von Fetten. Die meisten Lipasen sind an einer bestimmten Position am Glycerinrückgrat des Fettsubstrats beteiligt, insbesondere im Dünndarm. Einige von ihnen werden von sezernierten pathogenen Organismen während einer Infektionskrankheit exprimiert. Lipasen gelten als die Hauptgruppe biotechnologisch wertvoller Enzyme, hauptsächlich aufgrund der Vielseitigkeit ihrer angewandten Eigenschaften und der einfachen Massenproduktion.
Lipase-Anwendung
Diese Enzyme sind an einer Vielzahl biologischer Prozesse beteiligt, die vom routinemäßigen Triglyceridstoffwechsel in der Nahrung bis hin zu Signalübertragungen und Zellentzündungen reichen. Einige Lipaseaktivitäten sind auf bestimmte Kompartimente innerhalb von Zellen beschränkt, während andere in extrazellulären Räumen arbeiten:
- Pankreaslipasen werden in extrazelluläre Räume sezerniert, wo sie dazu dienen, Nahrungslipide in einfachere Formen umzuwandeln, die durch den Körper transportiert werden.
- Die Aufnahme von Nährstoffen aus der Umwelt erleichtern.
- Erhöhte Lipaseaktivität ersetztherkömmliche Katalysatoren in der Biodieselverarbeitung.
- Verwendet in Anwendungen wie Backen, Waschmitteln, als Biokatalysatoren.
- In der Textilindustrie wird es verwendet, um die Saugfähigkeit des Stoffes und die Gleichmäßigkeit beim Färben zu erhöhen.
- Um den Geschmack von Lebensmitteln zu verändern, indem Ester aus kurzkettigen Fettsäuren und Alkoholen synthetisiert werden.
- Das Vorhandensein oder hohe Werte von Lipasen können auf eine spezifische Infektion oder Krankheit hinweisen und können als diagnostisches Hilfsmittel verwendet werden.
- Haben eine bakterizide Wirkung. Kann zur Behandlung von bösartigen Tumoren eingesetzt werden.
- Haben großen kommerziellen Wert in Kosmetika und Pharmazeutika (Hautpflegeprodukte, Lockenwickler).
