Ֆերմենտները կենսակատալիզատորներ են, որոնք կարևոր դեր են խաղում նյութափոխանակության և կենսաքիմիական ռեակցիաների բոլոր փուլերում: Նրանք առանձնահատուկ հետաքրքրություն են ներկայացնում և օգտագործվում են որպես օրգանական կատալիզատորներ բազմաթիվ արդյունաբերական մասշտաբի գործընթացներում: Այս հոդվածը ներկայացնում է մանրէաբանական ֆերմենտների և դրանց դասակարգման ակնարկ:
Ներածություն
Տարբեր կենսաարդյունաբերություններ պահանջում են հատուկ բնութագրիչներով ֆերմենտներ՝ սուբստրատների և հումքի մշակման ժամանակ դրանց օգտագործման համար: Մանրէաբանական ֆերմենտները գործում են որպես կենսակատալիզատորներ՝ կենսաբանական պրոցեսներում ռեակցիաներ իրականացնելու համար տնտեսապես և էկոլոգիապես մաքուր եղանակով՝ համեմատած քիմիական կատալիզատորների օգտագործման հետ: Նրանց հատուկ բնութագրերը օգտագործվում են առևտրային շահերի և արդյունաբերական կիրառությունների համար: Ֆերմենտները շատ կոնկրետ են, կատալիզացնում են մոտ 4000 կենսաքիմիական ռեակցիաներ։ Նոբելյան մրցանակի դափնեկիր Էմիլ Ֆիշերը ենթադրել է, որ դա պայմանավորված է նրանով, որ և՛ ֆերմենտը, և՛ սուբստրատն ունեն որոշակի փոխլրացնող երկրաչափություններ, որոնք ճշգրիտ են.տեղավորվում են միմյանց մեջ։
Սահմանում
Ֆերմենտները մեծ կենսաբանական մոլեկուլներ են, որոնք պատասխանատու են բոլոր այն կարևոր քիմիական փոխանակությունների համար, որոնք անհրաժեշտ են կյանքը պահպանելու համար: Դրանք խիստ ընտրովի կատալիզատորներ են, որոնք կարող են մեծապես արագացնել նյութափոխանակության ռեակցիաների և՛ արագությունը, և՛ առանձնահատկությունները, որոնք տատանվում են սննդի մարսումից մինչև ԴՆԹ սինթեզ: Դրանցում տեղի ունեցող բոլոր նյութափոխանակության գործընթացները կախված են նրանից, թե ինչ ֆերմենտներ են ձևավորվում միկրոօրգանիզմների բջիջներում:
Պատմություն
1877 թվականին Հայդելբերգի համալսարանի ֆիզիոլոգիայի պրոֆեսոր Վիլհելմ Ֆրիդրիխ Կյունեն առաջին անգամ օգտագործեց «ֆերմենտ» տերմինը, որը գալիս է լատիներեն fermentum բառից, որը նշանակում է «թթխմորի մեջ»: Միկրոօրգանիզմների ֆերմենտների ստացումը սկսվել է Հին Հունաստանում: Դրանք օգտագործվում էին ուտելիք և խմիչք պահելու համար։
1783 թվականին հայտնի իտալացի կաթոլիկ քահանա Լազարո Սպալանզանին առաջին անգամ նշեց այս կենսամոլեկուլի կարևորությունը կենսագենեզի վերաբերյալ իր աշխատության մեջ:
1812 թվականին Գոթլիբ Սիգիզմունդ Կիրխհոֆը ուսումնասիրեց օսլան գլյուկոզայի վերածելու կարգը: Իր փորձի ժամանակ նա կարևորում է ֆերմենտների օգտագործումը որպես կատալիզատոր:
1833 թվականին ֆրանսիացի քիմիկոս Անսելմ Պայենը հայտնաբերեց առաջին ֆերմենտը դիաստազը:
Տասնամյակներ անց՝ 1862 թվականին, ուսումնասիրելով շաքարի խմորումը ալկոհոլի նկատմամբ, Լուի Պաստերը եկել է այն եզրակացության, որ այն կատալիզացվում է խմորիչ բջիջներում պարունակվող կենսական ուժի միջոցով:
Բնության մեջ հայտնաբերված կենսամոլեկուլներՀնագույն ժամանակներից լայնորեն օգտագործվել են այնպիսի ապրանքների արտադրության մեջ, ինչպիսիք են սպիտակեղենը, կաշին և ինդիգո: Այս բոլոր պրոցեսները առաջացել են միկրոօրգանիզմների կողմից՝ ֆերմենտներ արտադրող:
Իմաստ
Ֆերմենտներն անհրաժեշտ են քիմիական ռեակցիաները հեշտացնելու համար: Նրանց դերը միկրոօրգանիզմների կյանքում շատ կարևոր է։ Այն բաղկացած է նյութափոխանակության գործընթացների, շնչառության, մարսողության և կյանքի այլ տեսակների ապահովումից։ Երբ ֆերմենտները ճիշտ են գործում, հոմեոստազը պահպանվում է: Միկրոօրգանիզմներում ֆերմենտների մեկ այլ դերը նյութափոխանակության արագացումն է։
Հատուկ առանձնահատկություններ
Միկրոօրգանիզմների ֆերմենտի հատկությունները ներառում են՝
- ջերմակայունություն;
- թերմոֆիլ բնույթ;
- հանդուրժողականություն pH միջակայքի փոփոխության նկատմամբ;
- ակտիվության կայունություն ջերմաստիճանը և pH-ը փոխելու ժամանակ;
- այլ խիստ ռեակցիայի պայմաններ։
Դրանք դասակարգվում են որպես ջերմաֆիլ, թթվային կամ ալկալիֆիլ: Ջերմակայուն ֆերմենտային համակարգերով միկրոօրգանիզմները նվազեցնում են մանրէաբանական աղտոտման հավանականությունը երկարատև լայնածավալ արդյունաբերական ռեակցիաներում: Մանրէաբանական ֆերմենտները օգնում են մեծացնել զանգվածի փոխանցումը և նվազեցնել ենթաշերտի մածուցիկությունը հումքի հիդրոլիզի գործընթացում:
Դասակարգում
Իրենց ռեակցիայի բնույթի հիման վրա գործողության լայն շրջանակի պատճառով ֆերմենտները դասակարգվում են ըստ կատալիզի՝
- Օքսիդորեդուկտազներ. Օքսիդացման ռեակցիաները ներառում են էլեկտրոնների փոխանցում մեկ մոլեկուլիցմյուսին։ Կենսաբանական համակարգերում սա ջրածնի հեռացումն է սուբստրատից։
- Փոխանցումներ. Ֆերմենտների այս դասը կատալիզացնում է ատոմների խմբերի փոխանցումը մի մոլեկուլից մյուսը։ Ամինոտրանսֆերազները կամ տրանսամինազները հեշտացնում են ամինային խմբի տեղափոխումը ամինաթթուից ալֆա-օքսո թթու:
- Հիդրոլազներ. Կատալիզացնել հիդրոլիզը, ենթաշերտերի պառակտումը ջրով: Ռեակցիաները ներառում են սպիտակուցներում պեպտիդային կապերի, ածխաջրերի մեջ գլիկոզիդային կապերի և լիպիդների մեջ էսթերային կապերի խզում։ Ընդհանրապես, ավելի մեծ մոլեկուլները բաժանվում են փոքր բեկորների:
- Liase. Կատալիզացրեք խմբերի ավելացումը կրկնակի կապերին կամ վերջինների առաջացումը՝ հեռացնելով առաջինը: Օրինակ, պեկտատ լիազները ճեղքում են գլիկոզիդային կապերը բետա-էլիմինացիայի միջոցով:
- Իզոմերազներ. Նրանք կատալիզացնում են խմբերի տեղափոխումը մի դիրքից մյուսը նույն մոլեկուլում։ Փոխել ենթաշերտի կառուցվածքը՝ վերադասավորելով նրա ատոմները։
- Լիգազներ. Միացրեք մոլեկուլները կովալենտային կապերով: Նրանք մասնակցում են կենսասինթետիկ ռեակցիաներին, որտեղ ձևավորվում են կապերի նոր խմբեր։ Նման ռեակցիաները պահանջում են էներգիայի մուտքագրում կոֆակտորների տեսքով:
Դիմում
Խմորումը օգտագործվում է բազմաթիվ մթերքների պատրաստման մեջ։ Սննդի արդյունաբերության մեջ մանրէաբանական ֆերմենտների օգտագործումը երկարատև գործընթաց է։ Հետևյալ տեսակները լայնորեն կիրառվում են՝
- Ամիլազ. Օսլայի հեղուկացում, հացի որակի բարելավում, մրգահյութերի մաքրում։
- Գլյուկոամիլազներ. Բարձր գլյուկոզայի և ֆրուկտոզայի պարունակությամբ գարեջրի և օշարակների արտադրություն։
- պրոթեզերոն. Տենդերիզացիամսի, կաթի կոագուլյացիա.
- Լակտազ. Մարդկանց մեջ լակտոզայի անհանդուրժողականության նվազեցում, նախաբիոտիկ սննդային հավելումներ։
- Լիպազ. Չեդդեր պանրի արտադրություն.
- ֆոսֆոլիպազներ. Լիպոլիզացված կաթի ճարպի արտադրություն։
- Էսթերազ. Մրգահյութի համի և բույրի բարելավում։ Սննդային մանրաթելերի դեստերացում. Կարճ շղթայական էսթերների արտադրություն։
- Ցելյուլազներ. Կենդանիների կեր.
- Գլյուկոզա օքսիդազ. Սննդի պահպանման ժամկետի բարելավում։
- Լակասներ. Գինու միջից պոլիֆենոլների հեռացում.
- Կատալազներ. Սննդի պահպանում. Ջրածնի պերօքսիդի հեռացում կաթից մինչև պանրի արտադրությունը։
- Պերօքսիդազ. Սննդի համի, գույնի և որակի զարգացում.
պրոթեզերոն
Մանրէաբանական համակարգերից ստացված պրոթեզերոնները երեք տեսակի են՝ թթվային, չեզոք և ալկալային: Ալկալային սերինային պրոտեազները ամենամեծ կիրառությունն ունեն կենսաարդյունաբերության մեջ: Նրանք ունեն բարձր ակտիվություն և կայունություն ծայրահեղ ֆիզիոլոգիական պարամետրերի աննորմալ պայմաններում: Ալկալային պրոթեզերոններն ունեն ֆերմենտային ակտիվության բարձր կայունության հատկություն, երբ օգտագործվում են լվացող միջոցների մեջ: Նրանք լայն կիրառություն են գտել կենսաարդյունաբերության մեջ.
- լվացքի փոշիների արտադրություն;
- սննդի արդյունաբերություն;
- կաշվի մշակում;
- դեղագործություն;
- հետազոտություն մոլեկուլային կենսաբանության և պեպտիդների սինթեզի ոլորտում:
Ամիլազ
Սա միկրոօրգանիզմների ֆերմենտ է, որը կատալիզացնում է օսլայի տրոհումը շաքարի: Նա եղել էհայտնաբերել և մեկուսացրել է Անսելմ Պեյենը 1833 թվականին։ Բոլոր ամիլազները գլիկոզիդ հիդրոլազներ են: Դրանք լայնորեն կիրառվում են արդյունաբերության մեջ և կազմում են ֆերմենտների շուկայի մոտ 25%-ը: Օգտագործվում է այնպիսի ոլորտներում, ինչպիսիք են՝
- սնունդ;
- հացաբուլկեղեն;
- թուղթ և տեքստիլ;
- քաղցրացուցիչներ և մրգային հյութեր;
- գլյուկոզայի և ֆրուկտոզայի օշարակներ;
- լվացող միջոցներ;
- վառել էթանոլ օսլայից;
- ալկոհոլային խմիչքներ;
- մարսողական օգնություն;
- բծահանող միջոց քիմմաքրման ժամանակ։
Օգտագործվում է նաև կլինիկական, բժշկական և անալիտիկ քիմիայում:
քսիլանազ
Հեմիցելյուլոզը ցելյուլոզայի, լիգնինի և պեկտինի հետ միասին գյուղատնտեսական մնացորդների հիմնական բաղադրիչներից է: Xylan-ը նրա հիմնական բաղադրիչն է: Քսիլանազի նշանակությունը զգալիորեն մեծացել է՝ շնորհիվ նրա կենսատեխնոլոգիական կիրառությունների՝ պենտոզայի արտադրության, մրգահյութերի մաքրման, մարսողության բարելավման և լիգնոցելյուլոզային գյուղատնտեսական թափոնների բիովերափոխման շնորհիվ վառելիքի և քիմիական նյութերի: Այն գտել է իր կիրառությունը սննդի, տեքստիլ և ցելյուլոզայի և թղթի արդյունաբերության, գյուղատնտեսական թափոնների հեռացման, էթանոլի արտադրության և կենդանիների կերերի մեջ։
Լակաս
Լիգինոլիտիկ ֆերմենտներն օգտակար են գյուղատնտեսական լիգնոցելյուլոզային մնացորդների հիդրոլիզում, հատկապես բարդ և չպոմպային բաղադրիչի լիգնինի քայքայման համար: Դրանք իրենց բնույթով շատ բազմակողմանի են և կարող են օգտագործվել մի շարք արդյունաբերական գործընթացներում:Լիգնոլիտիկ ֆերմենտային համակարգը օգտագործվում է ցելյուլոզայի կենսագունավորման և այլ ոլորտներում, ինչպիսիք են գինու և մրգային հյութերի կայունացումը, ջինսե լվացման, կոսմետիկայի և կենսասենսորների արտադրությունը:
լիպազա
Սա միկրոօրգանիզմների ֆերմենտ է, որը կատալիզացնում է ճարպերի քայքայումը և հիդրոլիզը: Լիպազները էսթերազների ենթադաս են։ Նրանք նշանակալի դեր են խաղում ճարպերի մարսողության, տեղափոխման և վերամշակման գործում։ Լիպազների մեծ մասը ներգրավված է որոշակի դիրքում ճարպային սուբստրատի գլիցերինի ողնաշարի վրա, հատկապես բարակ աղիքներում: Դրանցից մի քանիսն արտահայտվում են վարակիչ հիվանդության ժամանակ արտազատվող պաթոգեն օրգանիզմներով։ Լիպազները համարվում են կենսատեխնոլոգիական արժեքավոր ֆերմենտների հիմնական խումբը՝ հիմնականում կիրառական հատկությունների բազմակողմանիության և զանգվածային արտադրության հեշտության շնորհիվ։
Lipase հավելված
Այս ֆերմենտները ներգրավված են մի շարք կենսաբանական գործընթացներում՝ սկսած սննդակարգում տրիգլիցերիդների սովորական նյութափոխանակությունից մինչև ազդանշանային և բջիջների բորբոքում: Լիպազի որոշ գործողություններ սահմանափակված են բջիջների որոշակի բաժանմունքներով, մինչդեռ մյուսներն աշխատում են արտաբջջային տարածություններում:
- Ենթաստամոքսային գեղձի լիպազները արտազատվում են արտաբջջային տարածություններում, որտեղ նրանք ծառայում են սննդային լիպիդները վերածելու ավելի պարզ ձևերի, որոնք տեղափոխվում են ամբողջ մարմնում:
- Հեշտացնել սննդանյութերի կլանումը շրջակա միջավայրից:
- Լիպազի ակտիվության բարձրացումը փոխարինում էսովորական կատալիզատորներ բիոդիզելային վերամշակման մեջ:
- Օգտագործվում են այնպիսի կիրառություններում, ինչպիսիք են թխում, լվացքի միջոցներ, որպես կենսակատալիզատորներ:
- Տեքստիլ արդյունաբերության մեջ այն օգտագործվում է գործվածքի ներծծողությունն ու հավասարությունը ներկելու ժամանակ մեծացնելու համար։
- Սննդի համը փոփոխելու համար՝ սինթեզելով կարճ շղթայական ճարպաթթուների և սպիրտների էսթերներ:
- Լիպազների առկայությունը կամ բարձր մակարդակը կարող է վկայել կոնկրետ վարակի կամ հիվանդության մասին և կարող է օգտագործվել որպես ախտորոշիչ միջոց:
- Ունեն մանրէասպան ազդեցություն։ Կարող է օգտագործվել չարորակ ուռուցքների բուժման համար։
- Ունեն մեծ առևտրային արժեք կոսմետիկայի և դեղագործության մեջ (մաշկի խնամքի միջոցներ, մազերի գանգրացում):
