Gli enzimi sono biocatalizzatori che svolgono un ruolo importante in tutte le fasi del metabolismo e delle reazioni biochimiche. Sono di particolare interesse e vengono utilizzati come catalizzatori organici in numerosi processi su scala industriale. Questo articolo fornisce una panoramica degli enzimi microbici e della loro classificazione.
Introduzione
Diverse bioindustrie richiedono enzimi con caratteristiche specifiche per il loro utilizzo nella lavorazione di substrati e materie prime. Gli enzimi microbici agiscono come biocatalizzatori per effettuare reazioni nei processi biologici in modo economico ed ecologico rispetto all'uso di catalizzatori chimici. Le loro caratteristiche speciali sono utilizzate per interessi commerciali e applicazioni industriali. Gli enzimi sono molto specifici, catalizzano circa 4000 reazioni biochimiche. Il premio Nobel Emil Fischer ha suggerito che ciò è dovuto al fatto che sia l'enzima che il substrato hanno geometrie complementari specifiche che sono preciseinserirsi l'uno nell' altro.
Definizione
Gli enzimi sono grandi molecole biologiche responsabili di tutti quegli importanti scambi chimici necessari per sostenere la vita. Sono catalizzatori altamente selettivi che possono accelerare notevolmente sia la velocità che la specificità delle reazioni metaboliche che vanno dalla digestione del cibo alla sintesi del DNA. Tutti i processi metabolici che si verificano in essi dipendono da quali enzimi si formano nelle cellule dei microrganismi.
Cronologia
Nel 1877, Wilhelm Friedrich Kuehne, professore di fisiologia all'Università di Heidelberg, usò per la prima volta il termine "enzima", che deriva dalla parola latina fermentum, che significa "in lievito". L'ottenimento di enzimi di microrganismi iniziò nell'antica Grecia. Erano usati per conservare cibi e bevande.
Nel 1783, il famoso sacerdote cattolico italiano Lazzaro Spallanzani menzionò per la prima volta l'importanza di questa biomolecola nel suo lavoro sulla biogenesi.
Nel 1812, Gottlieb Sigismondo Kirchhoff studiò la procedura per convertire l'amido in glucosio. Nel suo esperimento, evidenzia l'uso di enzimi come catalizzatori.
Nel 1833, il chimico francese Anselm Payen scoprì il primo enzima, la diastasi.
Decenni dopo, nel 1862, mentre studiava la fermentazione dello zucchero in alcol, Louis Pasteur giunse alla conclusione che era catalizzato dalla forza vitale contenuta nelle cellule del lievito.
Biomolecole presenti in naturasono stati ampiamente utilizzati fin dall'antichità nella fabbricazione di prodotti come il lino, il cuoio e l'indaco. Tutti questi processi sono stati causati da microrganismi - produttori di enzimi.
Significato
Gli enzimi sono necessari per facilitare le reazioni chimiche. Il loro ruolo nella vita dei microrganismi è molto importante. Consiste nel garantire i processi metabolici, la respirazione, la digestione e altri tipi di vita. Quando gli enzimi funzionano correttamente, l'omeostasi viene mantenuta. Un altro ruolo degli enzimi nei microrganismi è quello di accelerare il metabolismo.
Caratteristiche speciali
Le proprietà degli enzimi dei microrganismi includono:
- resistenza al calore;
- natura termofila;
- tolleranza al variare dell'intervallo di pH;
- stabilità dell'attività al variare della temperatura e del pH;
- altre condizioni di reazione stringenti.
Sono classificati come termofili, acidofili o alcalifili. I microrganismi con sistemi enzimatici termostabili riducono la possibilità di contaminazione microbica nelle reazioni industriali su larga scala di lunga durata. Gli enzimi microbici aiutano ad aumentare il trasferimento di massa ea ridurre la viscosità del substrato durante il processo di idrolisi della materia prima.
Classificazione
A causa dell'ampia gamma di attività basate sulla natura della loro reazione, gli enzimi sono classificati in base alla catalisi:
- Ossidoreduttasi. Le reazioni di ossidazione comportano il trasferimento di elettroni da una singola molecolaad un altro. Nei sistemi biologici, questa è la rimozione dell'idrogeno dal substrato.
- Trasferimenti. Questa classe di enzimi catalizza il trasferimento di gruppi di atomi da una molecola all' altra. Le aminotransferasi o transaminasi facilitano il trasferimento di un gruppo amminico da un amminoacido a un alfa-osso acido.
- Idrolasi. Catalizzare l'idrolisi, spaccando i substrati con acqua. Le reazioni includono la scissione dei legami peptidici nelle proteine, i legami glicosidici nei carboidrati e i legami estere nei lipidi. Generalmente, le molecole più grandi si scompongono in frammenti più piccoli.
- Lias. Catalizzare l'aggiunta di gruppi a doppi legami o la formazione di questi ultimi rimuovendo i primi. Ad esempio, le liasi pectate scindono i legami glicosidici mediante eliminazione beta.
- Isomerasi. Catalizzano il trasferimento di gruppi da una posizione all' altra nella stessa molecola. Cambia la struttura del substrato, riordinandone gli atomi.
- Lega. Collega le molecole insieme con legami covalenti. Partecipano alle reazioni biosintetiche, dove si formano nuovi gruppi di legame. Tali reazioni richiedono un apporto di energia sotto forma di cofattori.
Applicazione
La fermentazione viene utilizzata nella preparazione di molti cibi. L'uso di enzimi microbici nell'industria alimentare è un processo di lunga data. I seguenti tipi sono ampiamente utilizzati:
- Amilasi. Liquefazione dell'amido, miglioramento della qualità del pane, chiarificazione dei succhi di frutta.
- Glucoamilasi. Produzione di birra e sciroppi ad alto contenuto di glucosio e fruttosio.
- Protesa. Tenderizzazionecarne, coagulazione del latte.
- Lattasi. Riduzione dell'intolleranza al lattosio nell'uomo, integratori alimentari prebiotici.
- Lipasi. Produzione di formaggio cheddar.
- Fosfolipasi. Produzione di grasso di latte lipolizzato.
- Esterasi. Miglioramento del gusto e dell'aroma nei succhi di frutta. Desterificazione delle fibre alimentari. Produzione di esteri a filiera corta.
- Cellulasi. Mangime per animali.
- Glucosio ossidasi. Miglioramento della durata di conservazione degli alimenti.
- Laccasi. Rimozione dei polifenoli dal vino.
- Catalasi. Conservazione del cibo. Rimozione del perossido di idrogeno dal latte prima della produzione di formaggio.
- Perossidasi. Sviluppo del gusto, del colore e della qualità del cibo.
Protesa
Le proteasi derivate dai sistemi microbici sono di tre tipi: acide, neutre e alcaline. Le proteasi della serina alcalina hanno la maggiore applicazione nella bioindustria. Hanno un'elevata attività e stabilità in condizioni anormali di parametri fisiologici estremi. Le proteasi alcaline hanno la proprietà di un'elevata stabilità dell'attività enzimatica quando utilizzate nei detergenti. Hanno trovato ampia applicazione nella bioindustria:
- produzione di detersivi;
- industria alimentare;
- lavorazione della pelle;
- prodotti farmaceutici;
- ricerca in biologia molecolare e sintesi peptidica.
Amilasi
Questo è un enzima di microrganismi che catalizza la scomposizione dell'amido in zuccheri. È statoscoperto e isolato da Anselm Peyen nel 1833. Tutte le amilasi sono glicosidi idrolasi. Sono ampiamente utilizzati nell'industria e rappresentano quasi il 25% del mercato degli enzimi. Utilizzato in settori quali:
- cibo;
- panetteria;
- carta e tessuto;
- dolcificanti e succhi di frutta;
- sciroppi di glucosio e fruttosio;
- detersivi;
- combustibile etanolo dagli amidi;
- bevande alcoliche;
- aiuto digestivo;
- Smacchiatore nel lavaggio a secco.
Utilizzato anche in chimica clinica, medica e analitica.
Xilanasi
L'emicellulosa è uno dei principali costituenti dei residui agricoli insieme a cellulosa, lignina e pectina. Xylan è il suo componente principale. L'importanza della xilanasi è aumentata in modo significativo grazie alle sue applicazioni biotecnologiche per la produzione di pentoso, la purificazione dei succhi di frutta, il miglioramento della digestione e la bioconversione dei rifiuti agricoli lignocellulosici in combustibili e prodotti chimici. Ha trovato applicazione nelle industrie alimentari, tessili e della cellulosa e della carta, nello sm altimento dei rifiuti agricoli, nella produzione di etanolo e nei mangimi per animali.
Laccasi
Gli enzimi liginolitici sono utili nell'idrolisi dei residui agricoli lignocellulosici, in particolare per la degradazione della lignina complessa e costituente non pompante. Sono molto versatili in natura e possono essere utilizzati in numerosi processi industriali. Il sistema enzimatico lignolitico viene utilizzato nella biodecolorazione della cellulosa e in altri settori come la stabilizzazione del vino e dei succhi di frutta, il lavaggio del denim, i cosmetici e i biosensori.
Lipasi
Questo è un enzima di microrganismi che catalizza la scomposizione e l'idrolisi dei grassi. Le lipasi sono una sottoclasse delle esterasi. Svolgono un ruolo significativo nella digestione, nel trasporto e nella lavorazione dei grassi. La maggior parte delle lipasi sono coinvolte in una certa posizione sulla spina dorsale di glicerolo del substrato grasso, specialmente nell'intestino tenue. Alcuni di loro sono espressi da organismi patogeni secreti durante una malattia infettiva. Le lipasi sono considerate il principale gruppo di enzimi biotecnologicamente preziosi, principalmente per la versatilità delle loro proprietà applicate e la facilità di produzione di massa.
Applicazione lipasi
Questi enzimi sono coinvolti in una varietà di processi biologici, che vanno dal normale metabolismo dei trigliceridi nella dieta alla segnalazione e all'infiammazione cellulare. Alcune attività della lipasi sono limitate a determinati compartimenti all'interno delle cellule, mentre altre funzionano negli spazi extracellulari:
- Le lipasi pancreatiche vengono secrete negli spazi extracellulari dove servono a convertire i lipidi alimentari in forme più semplici che vengono trasportate in tutto il corpo.
- Facilita l'assorbimento dei nutrienti dall'ambiente.
- L'aumento dell'attività della lipasi sostituiscecatalizzatori convenzionali nella lavorazione del biodiesel.
- Utilizzato in applicazioni come prodotti da forno, detersivi per bucato, come biocatalizzatori.
- Nell'industria tessile, viene utilizzato per aumentare l'assorbenza del tessuto e l'uniformità durante la tintura.
- Modificare il gusto del cibo sintetizzando esteri di acidi grassi e alcoli a catena corta.
- La presenza o livelli elevati di lipasi possono indicare un'infezione o una malattia specifica e possono essere utilizzati come strumento diagnostico.
- Ha un effetto battericida. Può essere utilizzato nel trattamento di tumori maligni.
- Avere un grande valore commerciale in cosmetici e prodotti farmaceutici (prodotti per la cura della pelle, bigodini).
