אנזימים הם ביו-זרזים הממלאים תפקיד חשוב בכל שלבי המטבוליזם והתגובות הביוכימיות. הם מעניינים במיוחד ומשמשים כזרזים אורגניים בתהליכים רבים בקנה מידה תעשייתי. מאמר זה מספק סקירה כללית של אנזימים מיקרוביאליים וסיווגם.
מבוא
תעשיות ביולוגיות שונות דורשות אנזימים בעלי מאפיינים ספציפיים לשימושם בעיבוד מצעים וחומרי גלם. אנזימים מיקרוביאליים פועלים כ-biocatalysts לביצוע תגובות בתהליכים ביולוגיים בצורה חסכונית וידידותית לסביבה בהשוואה לשימוש בזרזים כימיים. המאפיינים המיוחדים שלהם משמשים לעניין מסחרי ויישומים תעשייתיים. אנזימים הם מאוד ספציפיים, הם מזרזים כ-4000 תגובות ביוכימיות. חתן פרס נובל אמיל פישר הציע שהסיבה לכך היא שגם לאנזים וגם למצע יש גיאומטריות משלימות ספציפיות שהן בדיוקמשתלבים אחד בשני.
הגדרה
אנזימים הם מולקולות ביולוגיות גדולות האחראיות לכל אותם חילופים כימיים חשובים הנחוצים לקיום חיים. הם זרזים סלקטיביים ביותר שיכולים להאיץ מאוד הן את הקצב והן את הספציפיות של תגובות מטבוליות שנעות בין עיכול מזון לסינתזת DNA. כל התהליכים המטבוליים המתרחשים בהם תלויים באילו אנזימים נוצרים בתאים של מיקרואורגניזמים.
היסטוריה
בשנת 1877, וילהלם פרידריך קוהנה, פרופסור לפיזיולוגיה באוניברסיטת היידלברג, השתמש לראשונה במונח "אנזים", שמקורו במילה הלטינית fermentum, שפירושה "בחמץ". השגת אנזימים של מיקרואורגניזמים החלה ביוון העתיקה. הם שימשו לשימור מזון ושתייה.
בשנת 1783, הכומר הקתולי האיטלקי המפורסם Lazzaro Spallanzani הזכיר לראשונה את חשיבותה של הביומולקולה הזו בעבודתו על ביוגנזה.
בשנת 1812 חקר גוטליב זיגסמונד קירכהוף את ההליך להמרת עמילן לגלוקוז. בניסוי שלו, הוא מדגיש את השימוש באנזימים כזרז.
בשנת 1833, הכימאי הצרפתי אנסלם פיין גילה את האנזים הראשון, דיאסטאז.
עשורים מאוחר יותר, ב-1862, בזמן שחקר את התסיסה של סוכר לאלכוהול, לואי פסטר הגיע למסקנה שהוא זרז על ידי כוח החיים הכלול בתאי השמרים.
ביומולקולות שנמצאות בטבעהיו בשימוש נרחב מאז ימי קדם בייצור מוצרים כגון פשתן, עור ואינדיגו. כל התהליכים הללו נגרמו על ידי מיקרואורגניזמים - יצרני אנזימים.
משמעות
יש צורך באנזימים כדי להקל על תגובות כימיות. תפקידם בחיי מיקרואורגניזמים חשוב מאוד. זה מורכב מהבטחת תהליכים מטבוליים, נשימה, עיכול וסוגי חיים אחרים. כאשר אנזימים פועלים כראוי, הומאוסטזיס נשמר. תפקיד נוסף של אנזימים במיקרואורגניזמים הוא להאיץ את חילוף החומרים.
תכונות מיוחדות
מאפייני האנזים של מיקרואורגניזם כוללים:
- התנגדות לחום;
- טבע תרמופילי;
- סובלנות לשינוי בטווח pH;
- יציבות פעילות בעת שינוי טמפרטורות ו-pH;
- תנאי תגובה מחמירים אחרים.
הם מסווגים כתרמופילים, אסידופילים או אלקליפיליים. מיקרואורגניזמים עם מערכות אנזימים יציבות תרמי מפחיתים את האפשרות של זיהום מיקרוביאלי בתגובות תעשייתיות בקנה מידה גדול של משך זמן רב. אנזימים מיקרוביאליים עוזרים בהגברת העברת המסה ובהפחתת צמיגות המצע במהלך תהליך ההידרוליזה של חומר הגלם.
Classification
בגלל מגוון רחב של פעילויות המבוססות על אופי התגובה שלהם, אנזימים מסווגים לפי קטליזה:
- אוקסידורדוקטז. תגובות חמצון כוללות העברה של אלקטרונים ממולקולה אחתלאחר. במערכות ביולוגיות מדובר בסילוק מימן מהמצע.
- העברות. מחלקה זו של אנזימים מזרזת העברה של קבוצות אטומים ממולקולה אחת לאחרת. אמינוטרנספראזות או טרנסאמינאזות מקלים על העברה של קבוצת אמינו מחומצת אמינו לחומצה אלפא-אוקסו.
- הידרולאזות. לזרז הידרוליזה, פיצול מצעים עם מים. התגובות כוללות ביקוע של קשרי פפטידים בחלבונים, קשרים גליקוזידיים בפחמימות וקשרי אסטר בשמנים. בדרך כלל, מולקולות גדולות יותר מתפרקות לשברים קטנים יותר.
- ליאז. לזרז הוספת קבוצות לקשרים כפולים או היווצרותם של האחרונים על ידי הסרת הראשונים. לדוגמה, פקטט ליאזות מבקעות קשרים גליקוזידיים על ידי חיסול בטא.
- איזומראזות. הם מזרזים העברת קבוצות מעמדה אחת לאחרת באותה מולקולה. שנה את מבנה המצע, סידור מחדש של האטומים שלו.
- ליגאס. מחברים מולקולות יחד עם קשרים קוולנטיים. הם משתתפים בתגובות ביוסינתטיות, שבהן נוצרות קבוצות קשרים חדשות. תגובות כאלה דורשות הזנת אנרגיה בצורה של גורמים משותפים.
Application
תסיסה משמשת בהכנת מזונות רבים. השימוש באנזימים מיקרוביאליים בתעשיית המזון הוא תהליך ארוך שנים. הסוגים הבאים נמצאים בשימוש נרחב:
- עמילאז. נזילות עמילן, שיפור איכות הלחם, הבהרת מיצי פירות.
- Glucoamylases. ייצור בירה וסירופים בעלי תכולת גלוקוז ופרוקטוז גבוהה.
- פרוטאז. רוךבשר, קרישת חלב.
- לקטאז. הפחתת אי סבילות ללקטוז בבני אדם, תוספי תזונה פרה-ביוטיים.
- ליפאז. ייצור גבינת צ'דר.
- פוספוליפאס. ייצור של שומן חלב משולב.
- Esterase. שיפור הטעם והארומה במיץ פירות. איסטריפיקציה של סיבים תזונתיים. ייצור אסטרים קצרי שרשרת.
- תאית. מזון לבעלי חיים.
- גלוקוז אוקסידאז. שיפור חיי המדף של מזון.
- לקסס. הסרת פוליפנולים מהיין.
- Catalases. שימור מזון. הסרת מי חמצן מחלב לפני ייצור גבינה.
- פרוקסידאז. פיתוח טעם, צבע ואיכות המזון.
Protease
פרוטאזות שמקורן במערכות מיקרוביאליות הן משלושה סוגים: חומצי, ניטרלי ובסיסי. לפרוטאזות סרין אלקליין יש את היישום הגדול ביותר בתעשיית הביו. יש להם פעילות גבוהה ויציבות בתנאים חריגים של פרמטרים פיזיולוגיים קיצוניים. לפרוטאזות אלקליות יש תכונה של יציבות גבוהה של פעילות אנזימטית כאשר משתמשים בהן בדטרגנטים. הם מצאו יישום רחב בתעשיית הביו:
- ייצור אבקות כביסה;
- תעשיית המזון;
- עיבוד עור;
- pharmaceuticals;
- מחקר בביולוגיה מולקולרית וסינתזת פפטידים.
Amylase
זהו אנזים של מיקרואורגניזמים המזרז את פירוק העמילן לסוכרים. הוא היההתגלה ובודד על ידי אנסלם פייאן ב-1833. כל העמילאזות הן הידרולאזות של גליקוזידים. הם נמצאים בשימוש נרחב בתעשייה ומהווים כמעט 25% משוק האנזימים. משמש בתעשיות כגון:
- food;
- בייקרי;
- נייר וטקסטיל;
- ממתיקים ומיצי פירות;
- סירופ גלוקוז ופרוקטוז;
- חומרי ניקוי;
- דלק אתנול מעמילנים;
- משקאות אלכוהוליים;
- סיוע לעיכול;
- מסיר כתמים בניקוי יבש.
משמש גם בכימיה קלינית, רפואית ואנליטית.
Xylanase
המיצלולוזה הוא אחד המרכיבים העיקריים של שאריות חקלאיות יחד עם תאית, ליגנין ופקטין. Xylan הוא המרכיב העיקרי שלה. חשיבותו של הקסילנאז עלתה משמעותית בשל יישומיו הביוטכנולוגיים לייצור פנטוז, טיהור מיצי פירות, שיפור העיכול וההמרה הביולוגית של פסולת חקלאית ליגנו-תאית לדלקים וכימיקלים. הוא מצא את היישום שלו בתעשיות המזון, הטקסטיל והעיסת והנייר, פינוי פסולת חקלאית, ייצור אתנול והזנה לבעלי חיים.
Laccase
אנזימים ליגינוליטים שימושיים בהידרוליזה של שאריות חקלאיות ליגנ-תא, במיוחד לפירוק המרכיב המורכב והבלתי-שואב ליגנין. הם מאוד תכליתי באופיים וניתן להשתמש בהם במספר תהליכים תעשייתיים.מערכת האנזים הליגנוליטית משמשת בתעשיות ביולוגיות של תאית ובתעשיות אחרות כגון ייצוב יין ומיצי פירות, הלבנת ג'ינס, קוסמטיקה וחיישנים ביולוגיים.
Lipase
זהו אנזים של מיקרואורגניזמים המזרז פירוק והידרוליזה של שומנים. ליפאזות הן תת-מעמד של אסטרזות. הם ממלאים תפקיד משמעותי בעיכול, הובלה ועיבוד של שומנים. רוב הליפאזות מעורבות במיקום מסוים על עמוד השדרה של הגליצרול של המצע השומני, במיוחד במעי הדק. חלקם מתבטאים על ידי אורגניזמים פתוגניים המופרשים במהלך מחלה זיהומית. ליפאזות נחשבות לקבוצה העיקרית של אנזימים בעלי ערך ביוטכנולוגי, בעיקר בשל הרבגוניות של תכונותיהם המיושמות וקלות הייצור ההמוני.
יישום ליפאז
האנזימים הללו מעורבים במגוון תהליכים ביולוגיים, החל מחילוף חומרים שגרתי של טריגליצרידים בתזונה ועד לאיתות ודלקת בתאים. חלק מפעילויות הליפאז מוגבלות לתאים מסוימים בתוך התאים, בעוד שאחרות פועלות בחללים חוץ-תאיים:
- ליפאזות הלבלב מופרשות לחללים חוץ-תאיים, שם הם משמשים להמרת שומנים תזונתיים לצורות פשוטות יותר המועברות בכל הגוף.
- להקל על ספיגת חומרי הזנה מהסביבה.
- פעילות מוגברת של ליפאז מחליפהזרזים קונבנציונליים בעיבוד ביודיזל.
- משמש ביישומים כגון אפייה, דטרגנטים לכביסה, כביולוגים.
- בתעשיית הטקסטיל משתמשים בו להגברת כושר הספיגה והאחידות של הבד בעת הצביעה.
- לשינוי טעם המזון על ידי סינתזה של אסטרים של חומצות שומן ואלכוהולים קצרי שרשרת.
- נוכחות או רמות גבוהות של ליפאז עשויות להעיד על זיהום או מחלה ספציפיים ויכולים לשמש ככלי אבחון.
- יש השפעה קוטל חיידקים. ניתן להשתמש בטיפול בגידולים ממאירים.
- יש ערך מסחרי רב בקוסמטיקה ותרופות (מוצרי טיפוח לעור, מסלסל שיער).
