На целулази са група ензими, произведени от растения и от различни микроорганизми "целулозолитичен" каталитична активност, който включва разграждане на целулоза, най-често срещаната полизахарид в природата.
Тези протеини принадлежат към семейството на гликозидни хидролази или гликозилни хидролази, тъй като те са в състояние да хидролизират връзките между глюкозните единици не само в целулозата, но и в някои β-D-глюкани, присъстващи в зърнените култури.
Графично представяне на молекулната структура на целулаза (Източник: Jawahar Swaminathan и MSD служители на Европейския институт по биоинформатика чрез Wikimedia Commons)
Аргументира се присъствието му в животинското царство и усвояването на целулозата от тревопасните животни се приписва на симбиотична чревна микрофлора. Въпреки това, сравнително скорошни проучвания показват, че този ензим се произвежда и от безгръбначни животни като насекоми, мекотели и някои нематоди.
Целулозата е съществена част от клетъчната стена на всички растителни организми и също се произвежда от някои видове водорасли, гъбички и бактерии. Това е линеен хомополизахарид с високо молекулно тегло, съставен от D-глюкопираноза, свързана с β-1,4 връзки.
Този полизахарид е механично и химически устойчив, тъй като е съставен от успоредни вериги, които са подравнени в надлъжни оси, стабилизирани от водородни връзки.
Тъй като растенията, основните производители на целулоза, са основата на хранителната верига, съществуването на тези ензими е от съществено значение за използването на тези тъкани и следователно за съществуването на голяма част от наземната фауна (включително микроорганизми).
характеристики
Целулазите, експресирани от повечето микроорганизми, упражняват своите каталитични функции в извънклетъчната матрица и като цяло те се произвеждат в големи количества, което се използва промишлено за много цели.
Бактериите произвеждат малки количества от сложни свързани целулази, докато гъбичките произвеждат големи количества от тези ензими, които не винаги се свързват помежду си, но действат в синергия.
В зависимост от организма, който се изследва, особено ако става дума за прокариоти и еукариоти, "секреторните" пътища за тези видове ензими са много различни.
класификация
Целулазите или целулолитичните ензими се срещат в природата като мулти ензимни системи, тоест образуват комплекси, съставени от повече от един протеин. Класификацията им обикновено ги разделя на три важни групи:
- Ендоглюканази или ендо-1,4-β-D-глюкан глюканохидролази: които се режат на произволно „аморфни“ места във вътрешните участъци на целулозните вериги
- Екзоглюканази, целобиохидролази или 1,4-β-D-глюкан целобиохидролази: които хидролизират редуциращите и нередуциращите краища на целулозните вериги, освобождавайки глюкозни или целобиозни остатъци (глюкозни групи, свързани заедно)
- β-глюкозидази или β-D-глюкозидна глюкохидролаза: способни да хидролизират нередуциращите краища на целулозата и да отделят глюкозни остатъци
Многоензимните комплекси от целулазни ензими, които някои организми произвеждат, са известни като целулозоми, отделните компоненти на които е трудно да се идентифицират и изолират, но вероятно съответстват на ензимите от трите описани групи.
В рамките на всяка група от целулази има семейства, които са групирани, защото имат някои специални характеристики. Тези семейства могат да формират „кланове“, чиито членове имат различия в своите последователности, но споделят някои структурни и функционални характеристики помежду си.
структура
Целулазните ензими са "модулни" протеини, които са съставени от структурно и функционално дискретни домени: каталитичен домен и свързващ въглехидрати домен.
Подобно на повечето гликозилови хидролази, целулазите притежават в каталитичния домен аминокиселинен остатък, който функционира като каталитичен нуклеофил, който е отрицателно зареден при оптималното рН на ензима и друг остатък, който действа като донор на протона.
Тази двойка остатъци, в зависимост от организма, който експресира ензима, може да бъде два аспартата, два глутамата или един от всеки.
В много гъбички и бактерии целулазите са силно гликозилирани протеини, но независими изследвания показват, че тези въглехидратни остатъци не играят основна роля в ензимната активност на тези ензими.
Когато целулазите се свързват, образувайки комплекси, постигайки по-голяма ензимна активност върху различните форми на един и същи субстрат, те могат да имат до пет различни ензимни субединици.
Характеристика
Тези важни ензими, произведени специално от целулолитични бактерии и гъби, имат различни функции, както от биологична, така и от индустриална гледна точка:
биологичен
Целулазите играят основна роля в сложната мрежа за биоразграждане на целулоза и лигноцелулоза, които са най-разпространените полизахариди в биосферата.
Целулазите, произведени от микроорганизмите, свързани със стомашно-чревния тракт на много тревопасни животни, представляват една от най-важните ензимни семейства в природата, тъй като всеядните и строгите месояди се хранят с асимилираната от тези животни биомаса.
Човек, например, консумира храна от растителен произход и цялата целулоза, присъстваща в тях, се счита за "сурови фибри". По-късно се елиминира с изпражненията, тъй като няма ензими за храносмилането си.
Преживните животни, като например кравите, са в състояние да увеличат теглото и мускулния си размер благодарение на използването на въглерода, съдържащ се под формата на глюкоза в целулозата, тъй като чревната им микрофлора е отговорна за разграждането на растенията чрез целулазна активност, В растенията тези ензими са отговорни за разграждането на клетъчната стена в отговор на различни стимули, които се появяват в различни етапи на развитие, като абсцесиране и узряване на плодовете, абсцесиране на листа и шушулки, между другото.
индустриален
На индустриално ниво тези ензими се произвеждат в голям мащаб и се използват в много селскостопански процеси, които са свързани с растителните материали и тяхната обработка.
Сред тези процеси е производството на биогорива, за които целулазите задоволяват повече от 8% от индустриалното търсене на ензими. Това е така, защото тези ензими са изключително важни за производството на етанол от растителни отпадъци от различни източници.
Те се използват и в текстилната промишленост за множество цели: производство на фуражи за животни, подобряване на качеството и "усвояемостта" на концентрираните фуражи или по време на обработката на сокове и брашна.
Тези протеини се използват от своя страна при производството на масла, подправки, полизахариди за търговска употреба като агар, а също и за получаване на протеини от семена и други растителни тъкани.
Препратки
- Bayer, EA, Chanzyt, H., Lamed, R., & Shoham, Y. (1998). Целулоза, целулази и целулозоми. Настоящо мнение в структурната биология, 8, 548–557.
- Dey, P., & Harborne, J. (1977). Растителна биохимия. Сан Диего, Калифорния: Academic Press.
- Huber, T., Müssig, J., Curnow, O., Pang, S., Bickerton, S., & Staiger, MP (2012). Критичен преглед на всички целулозни композити. Journal of Materials Science, 47 (3), 1171-1186.
- Knowles, J., & Teeri, T. (1987). Целулазни семейства и техните гени. TIBTECH, 5, 255–261.
- Nelson, DL, & Cox, MM (2009). Принципи на биохимията на Ленингер. Омега издания (5-то издание).
- Nutt, A., Sild, V., Pettersson, G., & Johansson, G. (1998). Криви на прогреса Средство за функционална класификация на целулазите. Е. J. Biochem., 258, 200–206.
- Райли, PJ (2007). Структура и функция на амилазата и целулазата. В S.-T. Yang (Ed.), Биопреработка за продукти с добавена стойност от възобновяеми ресурси (стр. 119–130). Elsevier BV
- Sadhu, S., & Maiti, TK (2013). Производство на целулаза от бактерии: Преглед. British Microbiology Research Journal, 3 (3), 235–258.
- Watanabe, H., & Tokuda, G. (2001). Животни Целулази. Науки за клетъчния и молекулярния живот, 58, 1167-1178.