ფერმენტები არის ბიოკატალიზატორები, რომლებიც მნიშვნელოვან როლს ასრულებენ მეტაბოლიზმის ყველა ეტაპზე და ბიოქიმიურ რეაქციებში. ისინი განსაკუთრებულ ინტერესს იწვევს და გამოიყენება როგორც ორგანული კატალიზატორები მრავალ სამრეწველო მასშტაბის პროცესში. ეს სტატია გთავაზობთ მიმოხილვას მიკრობული ფერმენტების და მათი კლასიფიკაციის შესახებ.
შესავალი
სხვადასხვა ბიოინდუსტრიას სჭირდება ფერმენტები სპეციფიკური მახასიათებლებით მათი გამოყენებისთვის სუბსტრატებისა და ნედლეულის გადამუშავებაში. მიკრობული ფერმენტები მოქმედებენ როგორც ბიოკატალიზატორები, რათა განახორციელონ რეაქციები ბიოლოგიურ პროცესებში ეკონომიურად და ეკოლოგიურად სუფთა სახით, ქიმიური კატალიზატორების გამოყენებასთან შედარებით. მათი განსაკუთრებული მახასიათებლები გამოიყენება კომერციული ინტერესებისა და სამრეწველო აპლიკაციებისთვის. ფერმენტები ძალიან სპეციფიკურია, ისინი ახორციელებენ დაახლოებით 4000 ბიოქიმიურ რეაქციას. ნობელის პრემიის ლაურეატი ემილ ფიშერი ვარაუდობს, რომ ეს იმიტომ ხდება, რომ როგორც ფერმენტს, ასევე სუბსტრატს აქვთ სპეციალური დამატებითი გეომეტრიები, რომლებიც ზუსტადერგებიან ერთმანეთს.
განმარტება
ფერმენტები არის დიდი ბიოლოგიური მოლეკულები, რომლებიც პასუხისმგებელნი არიან ყველა იმ მნიშვნელოვან ქიმიურ ცვლაზე, რომელიც აუცილებელია სიცოცხლის შესანარჩუნებლად. ისინი არიან უაღრესად შერჩევითი კატალიზატორები, რომლებსაც შეუძლიათ მნიშვნელოვნად დააჩქარონ მეტაბოლური რეაქციების სიჩქარე და სპეციფიკა, რომელიც მერყეობს საკვების მონელებიდან დნმ-ის სინთეზამდე. მათში მიმდინარე ყველა მეტაბოლური პროცესი დამოკიდებულია იმაზე, თუ რა ფერმენტები წარმოიქმნება მიკროორგანიზმების უჯრედებში.
ისტორია
1877 წელს ჰაიდელბერგის უნივერსიტეტის ფიზიოლოგიის პროფესორმა ვილჰელმ ფრიდრიხ კუენმა პირველად გამოიყენა ტერმინი "ფერმენტი", რომელიც მომდინარეობს ლათინური სიტყვიდან fermentum, რაც ნიშნავს "საფუარში". მიკროორგანიზმების ფერმენტების მიღება ძველ საბერძნეთში დაიწყო. მათ იყენებდნენ საკვებისა და სასმელის შესანარჩუნებლად.
1783 წელს ცნობილმა იტალიელმა კათოლიკე მღვდელმა ლაზარო სპალანზანმა პირველად ახსენა ამ ბიომოლეკულის მნიშვნელობა ბიოგენეზის შესახებ თავის ნაშრომში.
1812 წელს გოტლიბ სიგიზმუნდ კირხჰოფმა გამოიკვლია სახამებლის გლუკოზად გადაქცევის პროცედურა. თავის ექსპერიმენტში ის ხაზს უსვამს ფერმენტების, როგორც კატალიზატორის გამოყენებას.
1833 წელს ფრანგმა ქიმიკოსმა ანსელმ პეიენმა აღმოაჩინა პირველი ფერმენტი დიასტაზა.
ათწლეულის შემდეგ, 1862 წელს, როდესაც სწავლობდა შაქრის დუღილს ალკოჰოლში, ლუი პასტერი მივიდა დასკვნამდე, რომ იგი კატალიზირებული იყო საფუარის უჯრედებში შემავალი სიცოცხლის ძალით.
ბუნებაში ნაპოვნი ბიომოლეკულებიფართოდ გამოიყენებოდა უძველესი დროიდან ისეთი პროდუქტების წარმოებაში, როგორიცაა თეთრეული, ტყავი და ინდიგო. ყველა ეს პროცესი გამოწვეული იყო მიკროორგანიზმებით - ფერმენტების მწარმოებლები.
მნიშვნელობა
ფერმენტები საჭიროა ქიმიური რეაქციების გასაადვილებლად. მათი როლი მიკროორგანიზმების ცხოვრებაში ძალიან მნიშვნელოვანია. იგი მოიცავს მეტაბოლური პროცესების, სუნთქვის, საჭმლის მონელების და სხვა სახის სიცოცხლის უზრუნველყოფას. როდესაც ფერმენტები სწორად ფუნქციონირებს, ჰომეოსტაზი შენარჩუნებულია. ფერმენტების კიდევ ერთი როლი მიკროორგანიზმებში არის მეტაბოლიზმის დაჩქარება.
სპეციალური ფუნქციები
მიკროორგანიზმის ფერმენტის თვისებები მოიცავს:
- სითბოგამძლეობა;
- თერმოფილური ბუნება;
- ტოლერანტობა pH დიაპაზონის შეცვლაზე;
- აქტივობის სტაბილურობა ტემპერატურისა და pH-ის შეცვლისას;
- სხვა მკაცრი რეაქციის პირობები.
ისინი კლასიფიცირდება როგორც თერმოფილური, აციდოფილური ან ტუტეფილური. თერმოსტაბილური ფერმენტული სისტემების მქონე მიკროორგანიზმები ამცირებენ მიკრობული დაბინძურების შესაძლებლობას დიდი ხანგრძლივობის ფართომასშტაბიანი ინდუსტრიული რეაქციების დროს. მიკრობული ფერმენტები ხელს უწყობენ მასის გადაცემის გაზრდას და სუბსტრატის სიბლანტის შემცირებას ნედლეულის ჰიდროლიზის პროცესში.
კლასიფიკაცია
მოქმედების ფართო სპექტრის გამო, მათი რეაქციის ბუნებიდან გამომდინარე, ფერმენტები კლასიფიცირდება კატალიზის მიხედვით:
- ოქსიდორედუქტაზები. ჟანგვის რეაქციები გულისხმობს ელექტრონების გადატანას ერთი მოლეკულიდანსხვას. ბიოლოგიურ სისტემებში ეს არის წყალბადის მოცილება სუბსტრატიდან.
- ტრანსფერატები. ფერმენტების ეს კლასი კატალიზებს ატომების ჯგუფების გადაცემას ერთი მოლეკულიდან მეორეზე. ამინოტრანსფერაზები ან ტრანსამინაზები ხელს უწყობენ ამინო ჯგუფის გადატანას ამინომჟავიდან ალფა-ოქსო მჟავაზე.
- ჰიდროლაზები. ჰიდროლიზის კატალიზება, სუბსტრატების გაყოფა წყლით. რეაქციები მოიცავს ცილებში პეპტიდური ბმების გაწყვეტას, ნახშირწყლებში გლიკოზიდურ კავშირებს და ლიპიდებში ეთერულ ბმებს. ზოგადად, უფრო დიდი მოლეკულები იშლება პატარა ფრაგმენტებად.
- Liase. ორმაგ ბმებზე ჯგუფების დამატების ან ამ უკანასკნელის წარმოქმნის კატალიზება პირველის მოხსნით. მაგალითად, პექტატური ლიაზები წყვეტენ გლიკოზიდურ ბმებს ბეტა ელიმინაციის გზით.
- იზომერაზები. ისინი ახდენენ ჯგუფების გადატანას ერთი პოზიციიდან მეორეზე იმავე მოლეკულაში. სუბსტრატის სტრუქტურის შეცვლა, მისი ატომების გადაწყობა.
- ლიგაზები. დააკავშირეთ მოლეკულები კოვალენტური ბმებით. ისინი მონაწილეობენ ბიოსინთეზურ რეაქციებში, სადაც ყალიბდება ახალი ბმის ჯგუფები. ასეთი რეაქციები მოითხოვს ენერგიის შეყვანას კოფაქტორების სახით.
აპლიკაცია
ფერმენტაცია გამოიყენება მრავალი საკვების მომზადებისას. კვების მრეწველობაში მიკრობული ფერმენტების გამოყენება ხანგრძლივი პროცესია. ფართოდ გამოიყენება შემდეგი ტიპები:
- ამილაზა. სახამებლის გათხევადება, პურის ხარისხის გაუმჯობესება, ხილის წვენების გამწმენდი.
- გლუკოამილაზები. ლუდისა და სიროფების წარმოება მაღალი გლუკოზისა და ფრუქტოზის შემცველობით.
- პროტეაზა. ტენდერიზაციახორცი, რძის კოაგულაცია.
- ლაქტაზა. ადამიანებში ლაქტოზას შეუწყნარებლობის შემცირება, პრებიოტიკური საკვები დანამატები.
- ლიპაზა. ჩედარის ყველის წარმოება.
- ფოსფოლიპაზები. ლიპოლიზირებული რძის ცხიმის წარმოება.
- ესტერაზა. ხილის წვენში გემოსა და არომატის გაუმჯობესება. დიეტური ბოჭკოების დეესტერიფიკაცია. მოკლე ჯაჭვის ეთერების წარმოება.
- ცელულაზა. ცხოველთა საკვები.
- გლუკოზის ოქსიდაზა. საკვების შენახვის ვადის გაუმჯობესება.
- ლაქკასები. ღვინისგან პოლიფენოლების მოცილება.
- კატალაზები. საკვების შენახვა. წყალბადის ზეჟანგის ამოღება რძიდან ყველის წარმოებამდე.
- პეროქსიდაზა. საკვების გემოს, ფერის და ხარისხის განვითარება.
პროტეაზა
მიკრობული სისტემებიდან მიღებული პროტეაზები სამი სახისაა: მჟავე, ნეიტრალური და ტუტე. ტუტე სერინის პროტეაზებს ყველაზე დიდი გამოყენება აქვთ ბიოინდუსტრიაში. მათ აქვთ მაღალი აქტივობა და სტაბილურობა ექსტრემალური ფიზიოლოგიური პარამეტრების არანორმალურ პირობებში. ტუტე პროტეაზებს აქვთ ფერმენტული აქტივობის მაღალი სტაბილურობის თვისება სარეცხ საშუალებებში გამოყენებისას. მათ იპოვეს ფართო გამოყენება ბიოინდუსტრიაში:
- სარეცხი ფხვნილების წარმოება;
- კვების მრეწველობა;
- ტყავის დამუშავება;
- ფარმაცევტული საშუალებები;
- კვლევა მოლეკულურ ბიოლოგიასა და პეპტიდების სინთეზში.
ამილაზა
ეს არის მიკროორგანიზმების ფერმენტი, რომელიც ახორციელებს სახამებლის შაქრად დაშლას. Ის იყოაღმოაჩინა და იზოლირებული იქნა ანსელმ პეიენის მიერ 1833 წელს. ყველა ამილაზა არის გლიკოზიდური ჰიდროლაზა. ისინი ფართოდ გამოიყენება ინდუსტრიაში და შეადგენენ ფერმენტების ბაზრის თითქმის 25%-ს. გამოიყენება ისეთ ინდუსტრიებში, როგორიცაა:
- საჭმელი;
- საცხობი;
- ქაღალდი და ტექსტილი;
- ტკბილეული და ხილის წვენები;
- გლუკოზისა და ფრუქტოზის სიროფი;
- სარეცხი საშუალებები;
- საწვავი ეთანოლი სახამებლისგან;
- ალკოჰოლური სასმელები;
- მონელების დახმარება;
- ლაქების მოსაშორებელი ქიმწმენდაში.
ასევე გამოიყენება კლინიკურ, სამედიცინო და ანალიტიკურ ქიმიაში.
ქსილანაზა
ჰემიცელულოზა არის სოფლის მეურნეობის ნარჩენების ერთ-ერთი მთავარი შემადგენელი ნაწილი ცელულოზასთან, ლიგნინთან და პექტინთან ერთად. Xylan არის მისი მთავარი კომპონენტი. ქსილანაზას მნიშვნელობა მნიშვნელოვნად გაიზარდა მისი ბიოტექნოლოგიური აპლიკაციების გამო პენტოზის წარმოებისთვის, ხილის წვენების გაწმენდისთვის, საჭმლის მონელების გასაუმჯობესებლად და ლიგნოცელულოზური სასოფლო-სამეურნეო ნარჩენების ბიოკონვერტაციით საწვავად და ქიმიკატებად. მან იპოვა თავისი გამოყენება კვების, ტექსტილის და მერქნისა და ქაღალდის მრეწველობაში, სოფლის მეურნეობის ნარჩენების განადგურებაში, ეთანოლის წარმოებასა და ცხოველთა საკვებში.
ლაკაზა
ლიგინოლიზური ფერმენტები სასარგებლოა ლიგნოცელულოზური სასოფლო-სამეურნეო ნარჩენების ჰიდროლიზის დროს, განსაკუთრებით რთული და არასატუმბი შემადგენელი ლიგნინის დეგრადაციისთვის. ისინი ძალიან მრავალმხრივი ხასიათისაა და შეიძლება გამოყენებულ იქნას მრავალ ინდუსტრიულ პროცესში.ლიგნოლიზური ფერმენტის სისტემა გამოიყენება ცელულოზის ბიოკოლორაციაში და სხვა ინდუსტრიებში, როგორიცაა ღვინისა და ხილის წვენის სტაბილიზაცია, ჯინსის გარეცხვა, კოსმეტიკა და ბიოსენსორები.
ლიპაზა
ეს არის მიკროორგანიზმების ფერმენტი, რომელიც ახორციელებს ცხიმების დაშლას და ჰიდროლიზს. ლიპაზები ესთერაზების ქვეკლასია. ისინი მნიშვნელოვან როლს ასრულებენ ცხიმების მონელებაში, ტრანსპორტირებასა და გადამუშავებაში. ლიპაზების უმეტესობა ჩართულია ცხიმოვანი სუბსტრატის გლიცერინის ხერხემალზე გარკვეულ პოზიციაზე, განსაკუთრებით წვრილ ნაწლავში. ზოგიერთი მათგანი ინფექციური დაავადების დროს გამოყოფილ პათოგენურ ორგანიზმებს გამოხატავს. ლიპაზები ითვლება ბიოტექნოლოგიურად ღირებული ფერმენტების ძირითად ჯგუფად, ძირითადად მათი გამოყენებითი თვისებების მრავალფეროვნებისა და მასობრივი წარმოების სიმარტივის გამო.
ლიპაზის აპლიკაცია
ეს ფერმენტები ჩართულია მრავალფეროვან ბიოლოგიურ პროცესებში, დაწყებული დიეტაში ტრიგლიცერიდების რუტინული მეტაბოლიზმიდან სიგნალიზაციამდე და უჯრედების ანთებამდე. ლიპაზის ზოგიერთი აქტივობა შემოიფარგლება უჯრედების გარკვეული ნაწილებით, ზოგი კი უჯრედგარე სივრცეებში:
- პანკრეასის ლიპაზები გამოიყოფა უჯრედგარე სივრცეებში, სადაც ისინი ემსახურებიან საკვების ლიპიდების გარდაქმნას უფრო მარტივ ფორმებად, რომლებიც ტრანსპორტირდება მთელ სხეულში.
- აადვილებს საკვები ნივთიერებების შეწოვას გარემოდან.
- ანაცვლებს ლიპაზის აქტივობის გაზრდასჩვეულებრივი კატალიზატორები ბიოდიზელის დამუშავებაში.
- გამოიყენება ისეთ პროგრამებში, როგორიცაა საცხობი, სამრეცხაო სარეცხი საშუალებები, ბიოკატალიზატორები.
- ტექსტილის მრეწველობაში გამოიყენება ქსოვილის შთანთქმის გაზრდის და შეღებვისას თანაბრად.
- საჭმლის გემოს შესაცვლელად მოკლე ჯაჭვის ცხიმოვანი მჟავებისა და ალკოჰოლების ეთერების სინთეზირებით.
- ლიპაზების არსებობა ან მაღალი დონე შეიძლება მიუთითებდეს კონკრეტულ ინფექციაზე ან დაავადებაზე და შეიძლება გამოყენებულ იქნას როგორც დიაგნოსტიკური საშუალება.
- აქვს ბაქტერიციდული ეფექტი. შეიძლება გამოყენებულ იქნას ავთვისებიანი სიმსივნეების სამკურნალოდ.
- აქვს დიდი კომერციული ღირებულება კოსმეტიკასა და ფარმაცევტულ საშუალებებში (კანის მოვლის საშუალებები, თმის სახვევები).
