Sellulaasit ovat ryhmä entsyymejä, jota tuotetaan ja erilaisia mikro-organismeja "sellulolyyttinen" katalyyttinen aktiivisuus, joka liittyy selluloosan hajoamista, runsain polysakkaridin luonnossa.
Nämä proteiinit kuuluvat glykosidisten hydrolaasien tai glykosyylihydrolaasientsyymien perheeseen, koska ne kykenevät hydrolysoimaan sidoksia glukoosiyksiköiden välillä ei vain selluloosan, vaan myös joidenkin viljassa olevien p-D-glukaanien suhteen.
Graafinen esitys sellulaasin molekyylirakenteesta (Lähde: Jawahar Swaminathan ja MSD: n henkilökunta Euroopan bioinformatiikan instituutissa Wikimedia Commonsin kautta)
Sen läsnäolosta eläinvaltiossa on väitetty, ja kasvinsyöjäeläinten selluloosan sulaminen johtuu symbioottisesta suoliston mikrofloorasta. Suhteellisen tuoreet tutkimukset ovat kuitenkin osoittaneet, että tätä entsyymiä tuottavat myös selkärangattomat, kuten hyönteiset, nilviäiset ja jotkut nematodit.
Selluloosa on olennainen osa kaikkien kasviorganismien soluseinää, ja sitä tuottavat myös jotkut levä-, sieni- ja bakteerilajit. Se on korkean molekyylipainon omaava lineaarinen homopolysakkaridi, joka koostuu D-glukopyranoosista, joka on kytketty p-1,4-sidoksilla.
Tämä polysakkaridi on mekaanisesti ja kemiallisesti kestävä, koska se koostuu yhdensuuntaisista ketjuista, jotka ovat linjassa pitkittäisakselilla, jotka on stabiloitu vety sidoksilla.
Koska kasvit, tärkeimmät selluloosan tuottajat, ovat ravintoketjun perusta, näiden entsyymien olemassaolo on välttämätöntä näiden kudosten käytölle ja siten suuren osan maanpäällisen eläimistön (mukaan lukien mikro-organismit).
ominaisuudet
Suurimman osan mikro-organismien ekspressoimat sellulaasit suorittavat katalyyttisen funktionsa solunulkoisessa matriisissa ja yleensä niitä tuotetaan suurina määrinä, joita käytetään teollisesti moniin tarkoituksiin.
Bakteerit tuottavat pieniä määriä komplekseja assosioituneita sellulaaseja, kun taas sienet tuottavat suuria määriä näitä entsyymejä, jotka eivät aina liity toisiinsa, mutta toimivat synergiassa.
Tutkittavasta organismista riippuen, etenkin jos se on prokaryootteja ja eukaryootteja, "erittyvät" reitit tämäntyyppisille entsyymeille ovat hyvin erilaisia.
Luokittelu
Sellulaaseja tai sellulolyyttisiä entsyymejä esiintyy luonnossa monentsyymijärjestelminä, toisin sanoen muodostaen komplekseja, jotka koostuvat useammasta kuin yhdestä proteiinista. Niiden luokittelu jakaa ne yleensä kolmeen tärkeään ryhmään:
- Endoglukanaasit tai endo-1,4-β-D-glukaaniglukanohydrolaasit: leikkaavat satunnaisesti "amorfisia" kohtia selluloosaketjujen sisäisillä alueilla
- Eksoglukanaasit, sellobiohydrolaasit tai 1,4-β-D-glukaanisellofiohydrolaasit: hydrolysoivat selluloosaketjujen pelkistävät ja ei-pelkistävät päät vapauttaen glukoosi- tai sellobioositähteet (yhteen sidotut glukoosiryhmät)
- β-glukosidaasit tai β-D-glukosidiglukohydrolaasi: kykenevät hydrolysoimaan selluloosan pelkistämättömät päät ja vapauttamaan glukoositähteet
Joidenkin organismien tuottamat sellulaasientsyymien monienentsyymikompleksit tunnetaan sellulosomeina, joiden yksittäisiä komponentteja on vaikea tunnistaa ja eristää, mutta vastaavat todennäköisesti kolmen kuvatun ryhmän entsyymejä.
Kussakin sellulaasiryhmässä on perheitä, jotka on ryhmitelty toisiinsa, koska niillä on joitain erityispiirteitä. Nämä perheet voivat muodostaa "klaaneja", joiden jäsenillä on eroja sekvensseissään, mutta joilla on joitain rakenteellisia ja toiminnallisia ominaisuuksia keskenään.
Rakenne
Sellulaasientsyymit ovat "modulaarisia" proteiineja, jotka koostuvat rakenteellisesti ja toiminnallisesti erillisistä domeeneista: katalyyttinen domeeni ja hiilihydraatteja sitova domeeni.
Kuten useimmissa glykosyylihydrolaaseissa, sellulaaseilla on katalyyttisessä domeenissa aminohappotähde, joka toimii katalyyttisenä nukleofiilinä, joka on negatiivisesti varautunut entsyymin optimaalisessa pH: ssa, ja toinen jäännös, joka toimii protonin luovuttajana.
Tämä tähteiden pari voi entsyymiä ekspressoivasta organismista riippuen olla kaksi aspartaattia, kaksi glutamaattia tai yksi kumpaakin.
Monissa sienissä ja bakteereissa sellulaasit ovat erittäin glykosyloituja proteiineja, mutta riippumattomat tutkimukset viittaavat siihen, että näillä hiilihydraattijäämillä ei ole suurta merkitystä näiden entsyymien entsymaattisessa aktiivisuudessa.
Kun sellulaasit assosioituvat muodostamaan komplekseja, saavuttaen suuremman entsymaattisen aktiivisuuden saman substraatin eri muodoissa, niillä voi olla jopa viisi erilaista entsyymiyksikköä.
ominaisuudet
Näillä tärkeillä entsyymeillä, joita tuottavat erityisesti sellulolyyttiset bakteerit ja sienet, on useita tehtäviä, sekä biologisesta että teollisesta näkökulmasta:
biologinen
Sellulaaseilla on perustavanlaatuinen tehtävä selluloosan ja lignoselluloosan monimutkaisessa biohajoamisverkossa, jotka ovat biosfäärissä runsaimmin esiintyviä polysakkarideja.
Monien kasvissyöjäeläinten ruoansulatuskanavaan liittyvien mikro-organismien tuottama sellulaasi edustaa yhtä luonnon tärkeimmistä entsyymiperheistä, koska kaikkiruokaiset ja tiukka lihansyöjät ruokkivat näiden eläinten rinnastamaa biomassaa.
Esimerkiksi ihminen kuluttaa kasviperäisiä ruokia, ja kaikkea näissä esiintyvää selluloosaa pidetään "raakakuiduna". Myöhemmin se eliminoidaan ulosteella, koska sillä ei ole entsyymejä sulamista varten.
Märehtijät, kuten lehmät, kykenevät lisäämään painoaan ja lihaksensa kokoa, koska käytetään glukoosin muodossa olevaa hiiltä selluloosassa, koska heidän suoliston mikrofloora on vastuussa kasvien hajoamisesta sellulaasiaktiivisuuden kautta.
Kasveissa nämä entsyymit ovat vastuussa soluseinämän hajoamisesta vasteena erilaisille ärsykkeille, joita esiintyy eri kehitysvaiheissa, kuten hedelmien hiipuminen ja kypsyminen, lehtien ja palkojen poistuminen.
teollinen
Teollisuudessa näitä entsyymejä tuotetaan suuressa mittakaavassa ja käytetään monissa kasvien materiaaleihin ja niiden käsittelyyn liittyvissä maatalousprosesseissa.
Näiden prosessien joukossa on biopolttoaineiden tuotanto, jota varten sellulaasit tyydyttävät yli 8% teollisuuden entsyymitarpeesta. Tämä johtuu siitä, että nämä entsyymit ovat erittäin tärkeitä etanolin tuotannolle eri lähteistä peräisin olevasta kasvijätteestä.
Niitä käytetään myös tekstiiliteollisuudessa moniin tarkoituksiin: rehujen tuotantoon, tiivistetyn rehun laadun ja sulavuuden parantamiseen tai mehujen ja jauhojen valmistukseen.
Näitä proteiineja käytetään vuorostaan öljyjen, mausteiden, polysakkaridien tuotantoon kaupalliseen käyttöön, kuten agar, ja myös proteiinien saamiseksi siemenistä ja muista kasvakudoksista.
Viitteet
- Bayer, EA, Chanzyt, H., Lamed, R., & Shoham, Y. (1998). Selluloosa, sellulaasit ja sellulosomit. Nykyinen lausunto rakennebiologiassa, 8, 548–557.
- Dey, P., & Harborne, J. (1977). Kasvien biokemia. San Diego, Kalifornia: Academic Press.
- Huber, T., Müssig, J., Curnow, O., Pang, S., Bickerton, S., & Staiger, MP (2012). Kriittinen arvostelu kaikista selluloosayhdistelmistä. Journal of Materials Science, 47 (3), 1171-1186.
- Knowles, J., & Teeri, T. (1987). Sellulaasiperheet ja niiden geenit. TIBTECH, 5, 255–261.
- Nelson, DL, & Cox, MM (2009). Lehningerin biokemian periaatteet. Omega Editions (5. painos).
- Nutt, A., Sild, V., Pettersson, G., ja Johansson, G. (1998). Edistyskäyrät. Keskimääräinen sellulaasien funktionaalinen luokittelu. Eur., J. Biochem., 258, 200–206.
- Reilly, PJ (2007). Amylaasin ja sellulaasin rakenne ja toiminta. Julkaisussa S.-T. Yang (toim.), Uusiutuvista lähteistä peräisin olevien lisäarvotuotteiden bioprosessointi (s. 119–130). Elsevier BV
- Sadhu, S., ja Maiti, TK (2013). Bakteerien sellulaasituotanto: katsaus. British Microbiology Research Journal, 3 (3), 235–258.
- Watanabe, H., ja Tokuda, G. (2001). Eläin sellulaasit. Cellular and Molecular Life Sciences, 58, 1167 - 1178.