A cellulázok olyan növények és különböző mikroorganizmusok által előállított enzimek egy csoportja, amelyek "cellulolitikus" katalitikus aktivitást produkálnak, amely magában foglalja a cellulóz, a természetben a legelterjedtebb poliszacharid lebontását.
Ezek a fehérjék a glikozid hidrolázok vagy a glikozil hidroláz enzimek családjába tartoznak, mivel képesek nemcsak a cellulózban, hanem a gabonafélékben jelen lévő néhány β-D-glükánban a glükóz egységek közötti kötéseket hidrolizálni.
A celluláz molekuláris szerkezetének grafikus ábrázolása (Forrás: Jawahar Swaminathan és az MSD munkatársai az Európai Bioinformatikai Intézetben a Wikimedia Commonn keresztül)
Az állatvilágban való jelenlétét vitatják, és a növényevő állatok cellulóz emésztését egy szimbiotikus bélflóranak tulajdonítják. Viszonylag nemrégiben végzett tanulmányok kimutatták, hogy ezt az enzimet gerinctelenek, például rovarok, puhatestűek és néhány fonálféreg is termelik.
A cellulóz nélkülözhetetlen része az összes növényi organizmus sejtfalának, és algák, gombák és baktériumok egyes fajtái is előállítják. Ez egy nagy molekulatömegű lineáris homopoliszacharid, amelyet β-1,4-kötésekkel összekötött D-glükopiranózból áll.
Ez a poliszacharid mechanikailag és kémiailag ellenálló, mivel párhuzamos láncokból áll, amelyeket a hossztengelyekben hidrogénkötésekkel stabilizáltak.
Mivel a növények, a legfontosabb cellulóztermelők, képezik az élelmiszerlánc alapját, ezen enzimek megléte nélkülözhetetlen e szövetek felhasználásához, és ezért a szárazföldi fauna nagy részének (ideértve a mikroorganizmusok).
jellemzők
A legtöbb mikroorganizmus által expresszált cellulázok katalitikus funkciójukat az extracelluláris mátrixban gyakorolják, és általában nagy mennyiségben állítják elő, amelyet ipari célokra sokféle célra használnak.
A baktériumok kis mennyiségben termelnek komplexhez kapcsolódó cellulázokat, míg a gombák nagy mennyiségben termelnek ezeket az enzimeket, amelyek nem mindig kapcsolódnak egymáshoz, de szinergiában hatnak.
A vizsgált szervezettől függően, különösen ha prokarióták és eukarióták vannak, az ilyen típusú enzimek "szekréciós" útjai nagyon különböznek.
Osztályozás
A cellulázok vagy cellulolitikus enzimek a természetben több enzimrendszerként találhatók meg, vagyis olyan komplexeket képeznek, amelyek egynél több fehérjéből állnak. Osztályozásuk általában három fontos csoportra oszlik:
- Endoglukanázok vagy endo-1,4-β-D-glükán-glükanohidrolazok: véletlenszerűen „amorf” helyeket vágnak a cellulózláncok belső régióiban
- Exoglukanázok, cellobiohidro-lázok vagy 1,4-β-D-glükán cellobiohidro- zázok: amelyek hidrolizálják a cellulózláncok redukáló és nem redukáló végét, felszabadítva glükóz- vagy cellobiózmaradékokat (egymáshoz kapcsolódó glükózcsoportok)
- β-glükozidázok vagy β-D-glükozid glükohidro-láz: képesek a cellulóz nem redukáló végeinek hidrolízisére és glükózmaradványok felszabadítására
A celluláz enzimek multienzim komplexeit, amelyeket néhány szervezet termel, celluloszómáknak nevezik, amelyek egyes alkotóelemeit nehéz azonosítani és izolálni, de valószínűleg megfelelnek a leírt három csoport enzimeinek.
A cellulázok mindegyik csoportján belül vannak családok, amelyek össze vannak csoportosítva, mivel vannak bizonyos sajátosságuk. Ezek a családok olyan "klánokat" képezhetnek, amelyek tagjai eltérőek egymás sorrendjében, de vannak bizonyos szerkezeti és funkcionális jellemzőik egymással.
Szerkezet
A celluláz enzimek "moduláris" fehérjék, amelyek szerkezetileg és funkcionálisan diszkrét doménekből állnak: egy katalitikus doménből és egy szénhidrátkötő doménből.
A legtöbb glikozil-hidrolázhoz hasonlóan a cellulázok a katalitikus doménben tartalmaznak egy aminosavmaradékot, amely katalitikus nukleofilként működik, amely negatív töltésű az enzim optimális pH-ján, és egy másik maradék, amely proton donorként működik.
Ez a maradékpár, az enzimet expresszáló organizmustól függően, két aszpartát lehet, két glutamát vagy mindegyik egy.
Sok gombában és baktériumban a cellulázok erősen glikozilezett fehérjék, azonban független vizsgálatok szerint ezek a szénhidrátmaradékok nem játszanak jelentős szerepet ezen enzimek enzimatikus aktivitásában.
Amikor a cellulázok komplexekké alakulnak, és nagyobb enzimaktivitást érnek el ugyanazon szubsztrát különböző formáinál, akkor ezeknek akár öt különböző enzimatikus alegysége is lehet.
Jellemzők
Ezeknek a fontos enzimeknek, amelyeket különösen a cellulolitikus baktériumok és gombák termesztnek, biológiai és ipari szempontból egyaránt különféle funkciók vannak:
Biológiai
A cellulázok alapvető szerepet játszanak a cellulóz és a lignocellulóz bonyolult biodegradációs hálózatában, amelyek a bioszféra legelterjedtebb poliszacharidjai.
Sok növényevő állatok gastrointestinalis traktusához kapcsolódó mikroorganizmusok által termelt cellulázok képezik a természet egyik legfontosabb enzimcsaládját, mivel a mindenevők és a szigorú húsevők táplálkoznak az ezen állatok által asszimilált biomasszán.
Az ember például növényi eredetű élelmiszereket fogyaszt, és az ezekben található összes cellulózt "nyersrostnak" kell tekinteni. Később a széklettel eliminálódik, mivel emésztésére enzimek nem vannak.
A kérődzők, mint például a tehenek, növelik a testtömegüket és az izomméretet a cellulózban glükóz formájában lévő szén felhasználásával, mivel bélmikroflóra felelős a növények celluláz-aktivitás révén történő lebomlásáért.
A növényekben ezek az enzimek felelősek a sejtfal lebomlásáért, válaszul különböző ingerekre, amelyek a fejlődés különböző szakaszaiban fordulnak elő, mint például a gyümölcsök abszcissziója és érése, többek között a levelek és hüvelyek eltűnése.
Ipari
Ipari szinten ezeket az enzimeket nagy mennyiségben állítják elő és felhasználják számos növényi anyagban és feldolgozásában rejlő mezőgazdasági folyamatban.
Ezen eljárások között szerepel a bioüzemanyagok előállítása, amelyeknél a cellulázok kielégítik az ipari enzimigény több mint 8% -át. Ennek oka az, hogy ezek az enzimek rendkívül fontosak az etanol előállításához különböző forrásokból származó növényi hulladékokból.
A textiliparban többféle célra használják őket: állati takarmány előállítása, a sűrített takarmányok minőségének és "emészthetőségének" javítása vagy a gyümölcslevek és lisztek feldolgozása során.
Ezeket a fehérjéket viszont kereskedelmi célú olajok, fűszerek, poliszacharidok előállításánál használják, például agart, valamint magvakból és más növényi szövetekből fehérjék előállításához.
Irodalom
- Bayer, EA, Chanzyt, H., Lamed, R., és Shoham, Y. (1998). Cellulóz, cellulázok és cellulózok. Jelenlegi vélemény a strukturális biológiában, 8, 548–557.
- Dey, P. és Harborne, J. (1977). Növényi biokémia. San Diego, Kalifornia: Academic Press.
- Huber, T., Müssig, J., Curnow, O., Pang, S., Bickerton, S. és Staiger, MP (2012). Az összes cellulóz kompozitok kritikai áttekintése. Journal of Materials Science, 47 (3), 1171-1186.
- Knowles, J. és Teeri, T. (1987). A cellulázcsaládok és gének. TIBTECH, 5, 255–261.
- Nelson, DL, & Cox, MM (2009). Lehninger Biokémiai alapelvek. Omega Editions (5. kiadás).
- Nutt, A., Sild, V., Pettersson, G., és Johansson, G. (1998). Haladási görbék. A cellulázok funkcionális osztályozásának átlaga. Eur. J. Biochem., 258, 200–206.
- Reilly, PJ (2007). Amiláz és celluláz felépítése és működése. S.-T. Yang (Szerkesztés), Megújuló energiaforrásokból származó hozzáadott értékű termékek biofeldolgozása (119–130. Oldal). Elsevier BV
- Sadhu, S. és Maiti, TK (2013). A baktériumok által termelt cellulóz: áttekintés. British Microbiology Research Journal, 3 (3), 235–258.
- Watanabe, H., és Tokuda, G. (2001). Állati cellulázok. Cellular and Molecular Life Sciences, 58, 1167-1178.