Поиск

Полнотекстовый поиск:
Где искать:
везде
только в названии
только в тексте
Выводить:
описание
слова в тексте
только заголовок

Рекомендуем ознакомиться

'Документ'
1. Розкрийте зміст поняття «художня фотографія» та особливості її художньо-образної мови. У яких сферах діяльності використовують фотографію? Наведіт...полностью>>
'Документ'
Егоров Б.Е. Прогностические рисуночные методики в изучении бессознательного и особенности психотерапии пограничных нервно-психических расстройств. М. ...полностью>>
'Документ'
Поняття “інтелектуальної власності” виникло в процесі тривалої (починаючи з ХVII ст.) практики юридичного закріплення за певними особами їх прав на р...полностью>>
'Документ'
У статті розкрито основні причини і наслідки валютної нестабільності в Україні і висвітлено проблему формування сучасної валютної системи України в у...полностью>>

«Гликозидазы. Амилолитические, целлюлолитические, пектинолитические ферменты»

Главная > Реферат
Сохрани ссылку в одной из сетей:

Федеральное агентство по образованию

Государственное учреждение высшего профессионального образования

Пермский государственный технический университет

Кафедра химии и биотехнологии

Пермское НПО «Биомед»

Реферат на тему:

«Гликозидазы. Амилолитические,

целлюлолитические, пектинолитические ферменты»

Выполнила:

студентка гр. ХТБ-05мЭ

Кошелева Д.А.

Проверил:

преподаватель Грязнова Д.В.

Пермь, 2010

Содержание

Введение…………………………………………………………………………...3

Гликозидазы……………………………………………………………………….4

Локализация и функции гликозидаз………………………………………….4

Классификация гликозидаз…………………………………………………....5

Номенклатура...………………………………………………………………...6

Применение гликозидаз……………………………………………………….7

Амилолитические ферменты (амилазы)…………………………………………7

Альфа-амилаза…………………………………………………………………8

Бета-амилаза…………………………………………………………………...8

Гамма-амилаза…………………………………………………………………9

Получение технических препаратов амилаз…………………………………9

Применение амилолитических ферментов…………………………………10

Целлюлолитические ферменты (целлюлазы)………………………………….11

Механизм действия целлюлаз…………………………………………….…12

Получение целлюлолитических ферментных препаратов………………..14

Области применения целлюлолитических ферментов…………………….14

Пектолитические ферменты (пектиназы)……………………………………...16

Деэтерифицирующие пектиназы……………………………………………16

Деполимеризующие пектиназы……………………………………………..17

Области применения пектолитических ферментов...……………………..17

Заключение……………………………………………………………………….19

Список литературы………………………………………………………………20

Введение

Конец ХХ и начало ХХI века называют эпохой биотехнологий, которые находят широкое применение в различных отраслях науки и техники. В настоящее время биотехнологии используют в медицине, пищевой промышленности, сельском хозяйстве, энергетике, фармацевтической, комбикормовой, текстильной промышленности и многих других.

Как известно, биотехнологии базируются на применении ферментов, которые представляют собой катализаторы белковой природы (биокатализаторы), обладающие способностью многократно ускорять химические реакции и отличающиеся избирательностью воздействия.

История применения ферментов уходит корнями в далекое прошлое. Некоторые ферменты, содержащиеся в природных растительных материалах, издавна использовались человеком для получения пива, спиртных напитков, хлеба и кисломолочных продуктов. Практика, основанная на коллективном опыте людей, намного опередила получение знаний и разработку научных основ для создания данных технологических процессов. Промышленная отрасль получения ферментных препаратов из природного растительного сырья стала зарождаться только в конце XIX столетия, а эра современной инженерной энзимологии насчитывает около 30 лет. Тем не менее, ферменты настолько прочно вошли в нашу жизнь и настолько широко применяются в различных промышленных отраслях, что представить без них наше существование сегодня не представляется возможным. Промышленное получение и применение ферментов в различных технологических процессах составляет сегодня один из важнейших разделов новейшей биотехнологии.

Успехи прикладной энзимологии позволили во второй половине XX века получить более 2000 ферментов в более или менее очищенном состоянии [1]. Среди них наибольшее практическое значение имеют около 50. Негидролитические ферменты, такие как оксидоредуктазы, лиазы, изомеразы и лигазы применяются сравнительно редко. Основную же часть ферментов, получаемых промышленным способом, составляют гидролазы. К ним относятся, в первую очередь, гликозидазы, протеиназы и липазы.

В настоящей работе представлена обзорная информация о гликозидазах и отдельных группах ферментов данного класса – амилазах, целлюлазах и пектиназах. Рассмотрены механизмы действия этих ферментов, микроорганизмы-продуценты этих ферментов, способы получения ферментных препаратов и возможные области их применения.

Гликозидазы

Локализация и функции гликозидаз

Гликозидазами (называемыми также гликозил-гидролазами) называются ферменты, относящиеся к классу гидролаз и катализирующие гидролиз гликозидных связей в молекулах углеводов, что приводит к появлению двух более мелких молекул углеводов. Кроме того, некоторые типы гликозид-гидролаз катализируют перенос остатка углевода от молекулы гликозида - олиго- или полисахарида на соединение, содержащее гидроксильную ОН-группу (реакции типа трансгликозилирования) [2-3]. На рис. 1 представлена компьютерная модель молекулы гликозидазы [2].

Рис. 1. Модель молекулы гликозидазы с пространственной структурой в виде (β/α)8-бочонка. Желтым цветом отмечен ион кальция, зеленым цветом – ион хлора.

Указанные ферменты встречаются практически повсеместно. Так, гликозидазы обнаружены в вирусах и фагах, различных микроорганизмах, грибах, растениях, в клетках и тканях животных. У бактерий и прокариот они присутствуют в виде внутриклеточных и внеклеточных ферментов, которые участвуют в потреблении питательных веществ. У бактерий одним из важных представителей гликозид-гидролаз является фермент β-галактозидаза (LacZ), который участвует в регуляции экспрессии лаг-оперона в клетках E.coli [2]. У высших организмов гликозидазы находятся внутри эндоплазматического ретикулума и аппарата Гольджи, где они участвуют в модификации N-связанных гликопротеинов, а также функционируют как лизосомы, выполняя деградацию углеводных структур. Гликозидазы встречаются также в желудочно-кишечном тракте, слюне, где они расщепляют различные углеводы - крахмал, лактозу, сахарозу, трегалозу и др. [2, 4].

Среди множества разнообразных функций, выполняемых гликозидазами, можно выделить ряд особенно важных, необходимых для жизнедеятельности клеток и всего организма в целом. В частности, гликозид-гидролазы:

  • осуществляют расщепление (или деградацию) биомассы, например, комплексы специальных сахаролитических ферментов разрушают целлюлозу и гемицеллюлозы, входящие в состав растительных материалов;

  • обеспечивают антибактериальную защиту организма, например, лизоцим, содержащийся в слизи, слюне, способен легко разрушать структуру пептидогликана – основного компонента клеточных стенок бактерий;

  • участвуют в развитие патогенеза, например, вирусные нейраминидазы;

  • играют важную роль в клеточном биосинтезе, например, маннозидазы вовлечены в созревание N-гликозилированных гликопротеинов;

  • вместе с другими ферментами - гликозилтрансферазами образуют основу биологического аппарата синтеза и разрушения гликозидных связей.

Классификация гликозидаз

Гликозил-гидролазы объединены в «Каталоге ферментов» в группу (К.Ф.3.2.1) ферментов, катализирующих гидролиз О- или S-гликозидов. Все представители гликозидаз имеют свои определенные классификационные номера К.Ф.3.2.1.Х, где Х варьирует от 1 до 100 и более, что зависит от субстратной специфичности фермента [2].

На основе молекулярного механизма реакции, катализируемой гликозидазами, указанные ферменты могут быть разбиты на две группы. Представители одной из них путём двойного обращения обеспечивают одинаковую оптическую конфигурацию как субстрата, так и продукта реакции гидролиза, т.е. сохраняют конфигурацию аномерного атома углерода (например, лизоцим). Представители другой группы, напротив, обращают (или инвертируют) конфигурацию субстрата. Например, к данной группе относится β-глюкозидаза [4-5].

Гликозил-гидролазы также могут быть классифицированы как экзо- и эндогликозидазы в зависимости от того, действуют ли они на концевой или внутренний моносахаридный участок углеводной цепи, соответственно [4].

Современные классификации гликозил-гидролаз основаны на сравнении последовательностей аминокислот, входящих в состав ферментов. Важно подчеркнуть, что такие классификации обладают большой предсказательной силой, т.е. позволяют предвидеть, какую биохимическую активность будет проявлять еще не до конца изученный фермент, но у которого уже определёны аминокислотные последовательности. Впервые такая классификация была предложена более 15 лет назад и включала все гликозидазы с известными на тот момент аминокислотными последовательностями [6]. Близкородственные ферменты было предложено группировать в семейства. Впоследствии родственные семейства стали объединять на более высоком иерархическом уровне в роды. Недавние исследования показали возможность создания многоуровневой (иерархической) классификации на основе существующей двухуровневой [7].

Номенклатура гликозидаз

Большинство гликозидаз получили свои названия по рациональной номенклатуре, согласно которой название фермента составляется из названия основного субстрата и окончания –аза, такие как целлюлаза, хитиназа. Наряду с этим довольно часто используются и названия, которые даны ферменту по отщепляемому углеводному остатку, например, мальтаза, которая расщепляет крахмал с образованием мальтозы. Для ряда гликозил-гидролаз применяются также тривиальные названия, например, сахараза (согласно Официальной номенклатуре ферментов, это сахарозо-α-глюкозидаза) [8]. Ниже в качестве примера приведены названия некоторых гликозидаз с соответствующими им номерами в «Каталоге ферментов» [2]:

  • α-амилаза (К.Ф.3.2.1.1);

  • β-амилаза (К.Ф.3.2.1.2);

  • глюкоамилаза (К.Ф.3.2.1.3);

  • целлюлаза (К.Ф.3.2.1.4);

  • лизоцим, или мурамидаза (К.Ф.3.2.1.17);

  • кислая α-глюкозидаза, или мальтаза (К.Ф.3.2.1.20);

  • β-галактозидаза, или лактаза (К.Ф.3.2.1.23);

  • амило-α-1,6-глюкозидаза (К.Ф.3.2.1.33);

  • глюкоцереброзидаза (К.Ф.3.2.1.45);

  • гексоминидаза (К.Ф.3.2.1.52);

  • 1,2-α-L-фукозидаза (К.Ф.3.2.1.63);

  • α-L-идуронидаза (К.Ф.3.2.1.76);

  • 6-фосфо- β-глюкозидаза (К.Ф.3.2.1.86);

  • Эндо-α-N-ацетилгалактозаминидаза (К.Ф.3.2.1.97);

  • 2-дезоксиглюкозидаза (К.Ф.3.2.1.112).

Применение гликозидаз

Гликозидазы, или гликозид-гидролазы, широко используют в промышленном производстве при получении этилового спирта из сахаро- и крахмалосодержащего сырья (сахарного тростника, кукурузы и др). Так, сырье заливают водным раствором α-амилазы и нагревают, в результате чего получается сжиженный крахмал. Фермент глюкоамилаза превращает этот крахмал в сахар, служащий субстратом для ферментации, затем к нему добавляют дрожжи. После этого полученную смесь перегоняют, обезвоживают и получают чистый спирт. Если спирт предназначен для топливных целей (биоэтанол), то его денатурируют, делая непригодным для употребления в пищу [9]. При этом сегодня наибольший практический интерес вызывает возможность использования для этих целей отходов промышленности (древесных отходов), сельского хозяйства (кукурузной кочерыжки), содержащих целлюлозу и гемицеллюлозы. Эти компоненты могут быть переработаны в глюкозу и целый набор других сахаров –галактозу, маннозу, ксилозу, арабинозу с помощью ферментов целлюлазного комплекса и гемицеллюлаз, выделенных из исходных штаммов микроорганизмов или полученных с помощью методов генной инженерии.

Важную роль гликозидазы играют и в пищевой промышленности. Эти ферменты применяют при облагораживании продуктов питания. Например, пектиназы обязательно используют в производстве фруктовых соков, вин (например, сидра) – при этом происходит осветление этих напитков за счет ферментативного растворения мути, состоящей в основном из пектинов [10]. При растворении образуются сахароподобные вещества.

Кроме того, путем обработки молока ферментом β-галактозидазой получают «безлактозное» молоко (лактоза распадается на глюкозу и галактозу), предназначенное для людей, которые не переносят содержащуюся в молоке лактозу. Это свойство организма получило название лактазной недостаточности [10-11].

На молочных заводах в качестве отхода часто выступает молочная сыворотка, содержащая до 5% лактозы, которая сама по себе не имеет широкой сферы применения [10]. Обработка ее β-галактозидазой позволяет получить раствор глюкозы, на котором можно выращивать дрожжи, получать спирты и многие другие продукты.

Ввиду того, что гликозидазы способны оказывать антибактериальное действие на клетки, их зачастую используют в качестве бактерицидного средства при консервировании продуктов питания. Например, к таким ферментам относится лизоцим, который «убивает» грамположительную микрофлору, но не действует при этом на грамотрицательные бактерии [2].

Таким образом, сферы применения различных гликозидаз весьма обширны. Поэтому рассмотрим отдельные группы ферментов, относящихся к классу гликозидаз – амилолитические, целлюлолитические и пектолитические ферменты.

Амилолитические ферменты (амилазы)

Амилазы (от лат. amylum, что в переводе означает «крахмал») — ферменты класса гликозил-гидролаз, катализирующие гидролиз крахмала, гликогена и других родственных полисахаридов главным образом по α-(1→4)-гликозидной связи с образованием олиго- и моносахаридов [12]. Амилазы также называют ферментами пищеварения.

В истории амилаза стала первым открытым ферментом, когда французский химик Ансельм Пайя описал в 1833 году диастазу – фермент, расщепляющий крахмал с образованием мальтозы. Согласно другим данным, амилазу открыл в 1814 году российский химик, академик Петербургской Академии наук Константин Сигизмундович Кирхгоф [13].

Именно амилаза приводит к появлению сладковатого вкуса при длительном пережёвывании крахмалосодержащих продуктов (например, риса или картофеля), но без добавления сахара. Амилаза присутствует в слюне (птиалин), где начинает процесс пищеварения [13].

Существует три типа амилаз, которые в зависимости от субстратной специфичности классифицируют на альфа-, бета- и гамма-амилазу. Рассмотрим каждый из упомянутых ферментов более подробно.

Альфа-амилаза

Фермент α-амилаза способен беспорядочно гидролизовать полисахаридную цепь крахмала и других длинноцепочечных углеводов по α-(1→4)-связям с образованием преимущественно α-мальтозы, т.е остатки мономеров при таком расщеплении имеют α–конфигурацию. Продуктами расщепления оказываются, помимо мальтозы, также олигомеры, содержащие от 3 до 7 остатков глюкозы. Так, амилоза крахмала под действием α-амилазы превращается в глюкозу и мальтозу. Амилопектин, содержащий в молекуле α-(1→6)-связи, полностью не гидролизуется, поэтому остается разветвленный полисахарид (с более низкой степенью разветвленности по сравнению с крахмалом), так называемый «остаточный декстрин» [11,12].

Все α-амилазы являются кальцийзависимыми ферментами. Полное удаление кальция приводит к инактивации фермента. Повторное введение кальция в среду мо­жет частично восстановить его активность.

α-Амилазы богаты ти­розином и триптофаном, а также глутаминовой и аспарагиновой кислотами (25% от массы белка). Наличие этих кислот связывают с осахаривающей способностью, которую проявляют эти энзимы [11]. Серосодержащие аминокислоты входят в состав α-амилаз в сравнительно малых количествах, либо вообще отсутствуют. Кроме того, некоторые α-амилазы, выделенные из грибов, имеют уг­леводный фрагмент, в состав которого могут входить манноза, ксилоза.

α-Амилаза обладает слабокислыми свойствами, при этом оптимальный диапазон pH для проявления ее максимальной активности составляет 6,7-7,0, т.е для действия фермента наиболее благоприятна нейтральная среда [12-13].

Фермент α-амилаза присутствует во всех тканях животных и растений (например, в овсе), обнаружена также в грибах (в аскомицетах, базидиомицетах) и бактериях (Bacillus) [13]. Причем ферменты, выделенные из разных источников, значительно отличаются друг от друга по каталитической активности. α-Амилазы животных являются основными пищеварительными ферментами. Так, α-амилаза слюны, поджелудочной железы и слизистой кишечника участвуют в переваривании пищи, α-амилаза печени расщепляет гликоген [3].

Бета-амилаза

β-Амилаза в отличие от α-амилазы не воздействует на внутренние участки молекулы, а последовательно гидролизует полисахариды, начиная с невосстанавливающего конца цепи, по α-(1→4)-гликозидным связям, отщепляя остатки мальтозы в β-форме, но не расщепляет α-(1→6)-связи. Таким образом, под действием β-амилазы из амилозы крахмала образуется β-мальтоза, а из амилопектина также «остаточный декстрин», точнее, «β-концевой декстрин» [12-13].

β-Амилаза проявляет большую стабильность в отсутствие ионов Са2+. Фермент содержит сульфгидрильные SH-группы и чувствителен к действию тяжелых метал­лов [11].

Данный фермент встречается только у высших растений (ячменя, пшеницы и др.). При созревании фруктов β-амилаза расщепляет плодовый крахмал на сахара, что приводит к сладкому вкусу зрелых плодов. В семенах β-амилаза активна на стадии, предшествующей прорастанию, тогда как α-амилаза важна при непосредственном прорастании семени. β-Амилаза пшеницы является ключевым компонентом при образовании солода [13].

Гамма-амилаза

γ-Амилаза (глюкоамилаза) отщепляет остатки α-D-глюкозы от невосстанавливающего конца молекулы по α-(1→4)-гликозидным связям. Кроме того, фермент способен также расщеплять α-(1→6)-связи, если следующие за ней остатки моносахаридов соединены α-(1→4)-гликозидными связями [12-13]. γ-Амилаза неспецифична, гидролизует гликоген, крахмал и другие полисахариды.

Почти все γ-амилазы являются гликопротеидами, содержащими от 5 до 35% углеводов, которые состоят из олиго-, ди- и моносахаридов. Угле­водный компонент может быть целостным фрагментом или разбитым на индивидуальные соединения, которые прикрепляются к белку через трео­нин и серин [11].

Для действия большинства из­вестных γ-амилаз оптимальным диапазоном рН является 4,5-5,2, реже диапазон 5,7-6,0 (в основном для дрожжевых глюкоамилаз). Термостабильность γ-амилаз лежит в интервале 30-450С и редко повышается до 55-600С [11,13].

γ-Амилазы широко распространены в природе. Эти ферменты синтезируется многими ми­кроорганизмами, в частности, плесневелыми грибами, и образуются в животных тканях, особенно в печени и почках [13].

Получение технических препаратов амилаз

Для получения промышленных препаратов амилазы используют грибы – Aspergillus oryzae, A. niger и A. wentii. Например, така-амилаза, или така-диастаза - коммерческий препарат, получаемый из культуры A. oryzae, который расщепляет крахмал до глюкозы [14].

Среди бактерий к активным продуцентам амилаз относятся некоторые бациллы (Bacillus macerans, В. polymyxa, В. subtilis), псевдомонады и различные виды стрептомицетов. Фермент, выделяемый из культуры В. stearothermophilus, не утрачивает своей активности даже при кратковременном нагревании до 1000С [15].

Комплексный амилолитический ферментный препарат получают путем выращивания плесневых грибов на твердой питательной среде с последующей сушкой и измельчением полученной массы. Более активный препарат фермента получают путем экстракции такого «грибного солода» с последующим выпариванием и сушкой. Еще более активные ферментные препараты можно выделить из культуральной жидкости путем осаждения амилазы ацетоном (иногда сульфатом аммония) и дальнейшим высушиванием коагулятом при температуре 270С. При этом культуральную жидкость предварительно выпаривают при температуре 400С до 40%-ного содержания сухих веществ. Коагулят сушат вместе с наполнителем [16].

Применение амилолитических ферментов



Скачать документ

Похожие документы:

  1. Учебное пособие по курсу "Биотехнология" для студентов фармацевтического факультета нижний новгород 2005 г (2)

    Учебное пособие
    Инженерная энзимология: Учебное пособие по курсу "Биотехнология" для студентов фармацевтического факультета. - Нижний Новгород: Изд-во Нижегородской государственной медицинской академии, 2005.
  2. Характеристика отдельных ферментных препаратов, используемых в различных отраслях промышленности

    Документ
    В настоящий момент биотехнология представляет собой наиболее разнообразную область естественных наук. Она включает различные разделы научных знаний: микробиологию, анатомию растений и животных, биохимию, иммунологию, клеточную биологию,

Другие похожие документы..