stringtranslate.com

Целлюлаза

Ленточное представление каталитического домена β-1,4-эндоглюканазы Streptomyces lividans - пример из семейства 12 гликозидгидролаз [1]

Целлюлаза ( EC 3.2.1.4; систематическое название 4-β- D -глюкан-4-глюканогидролаза ) — это один из нескольких ферментов, вырабатываемых в основном грибами , бактериями и простейшими , которые катализируют целлюлолиз , разложение целлюлозы и некоторых родственных ей полисахаридов :

Эндогидролиз (1→4)-β- D -глюкозидных связей в целлюлозе, лихенине и β- D -глюкане злаков

Это название также используется для любой встречающейся в природе смеси или комплекса различных ферментов, которые действуют последовательно или синергически, разлагая целлюлозный материал.

Целлюлазы расщепляют молекулу целлюлозы на моносахариды («простые сахара»), такие как β- глюкоза , или более короткие полисахариды и олигосахариды . Расщепление целлюлозы имеет важное экономическое значение, поскольку оно делает основной компонент растений доступным для потребления и использования в химических реакциях. Конкретная задействованная реакция — гидролиз 1,4 -β- D - гликозидных связей в целлюлозе, гемицеллюлозе , лихенине и β- D -глюканах злаков . Поскольку молекулы целлюлозы прочно связываются друг с другом, целлюлолиз относительно сложен по сравнению с расщеплением других полисахаридов, таких как крахмал. [2]

Большинство млекопитающих обладают лишь очень ограниченной способностью переваривать пищевые волокна, такие как целлюлоза, самостоятельно. У многих травоядных животных, таких как жвачные , такие как крупный рогатый скот и овцы, и ферментеров заднего кишечника , таких как лошади, целлюлазы вырабатываются симбиотическими бактериями. Эндогенные целлюлазы вырабатываются несколькими типами животных , такими как некоторые термиты , улитки, [3] [4] [5] и дождевые черви .

Целлюлазы также были обнаружены в зеленых микроводорослях ( Chlamydomonas reinhardtii , Gonium pectorale и Volvox carteri ), а их каталитические домены (CD), принадлежащие к семейству GH9, демонстрируют самую высокую гомологию последовательностей с эндогенными целлюлазами метазойных организмов. Целлюлазы водорослей являются модульными, состоящими из предполагаемых новых цистеин-богатых углеводсвязывающих модулей (CBM), пролин/серин-(PS) богатых линкеров в дополнение к предполагаемым Ig-подобным и неизвестным доменам у некоторых членов. Целлюлаза из Gonium pectorale состояла из двух CD, разделенных линкерами, и с C-концевым CBM. [6]

Известно несколько различных видов целлюлаз, которые различаются структурно и механически. Синонимы, производные и специфические ферменты, связанные с названием «целлюлаза», включают эндо-1,4-β -D -глюканазу (β-1,4-глюканазу, β-1,4-эндоглюкангидролазу, эндоглюканазу D, 1,4-(1,3;1,4)-β- D -глюкан-4-глюканогидролазу), карбоксиметилцеллюлазу (CMCase), авицелазу, целлюдекстриназу , целлюлазу A, целлюлозин AP , щелочную целлюлазу , целлюлазу A 3 , 9.5 целлюлазу , целлоксиланазу и панцеллазу SS . Ферменты, расщепляющие лигнин , иногда называли целлюлазами, но это старое использование устарело; они являются ферментами, модифицирующими лигнин .

Типы и действия

Пять основных типов целлюлаз в зависимости от типа катализируемой реакции:

В пределах вышеперечисленных типов существуют также прогрессивные (также известные как процессивные) и непрогрессивные типы. Прогрессивная целлюлаза будет продолжать взаимодействовать с одной полисахаридной цепью, непрогрессивная целлюлаза будет взаимодействовать один раз, затем отсоединится и вступит в контакт с другой полисахаридной цепью.

Действие целлюлазы считается синергетическим, поскольку все три класса целлюлазы могут дать гораздо больше сахара, чем добавление всех трех по отдельности. За исключением жвачных, большинство животных (включая людей) не вырабатывают целлюлазу в своих организмах и могут лишь частично расщеплять целлюлозу посредством ферментации, что ограничивает их способность использовать энергию в волокнистом растительном материале.

Структура

Большинство грибковых целлюлаз имеют двухдоменную структуру с одним каталитическим доменом и одним доменом связывания целлюлозы, которые соединены гибким линкером. Эта структура адаптирована для работы на нерастворимом субстрате и позволяет ферменту двумерно диффундировать на поверхности подобно гусенице. Однако существуют также целлюлазы (в основном эндоглюканазы), у которых отсутствуют домены связывания целлюлозы.

Как связывание субстратов, так и катализ зависят от трехмерной структуры фермента, которая возникает в результате уровня сворачивания белка . Последовательность аминокислот и расположение их остатков, которые встречаются в активном центре, положение, где связывается субстрат, могут влиять на такие факторы, как сродство связывания лигандов, стабилизация субстратов в активном центре и катализ. Структура субстрата комплементарна точной структуре активного центра фермента. Изменения в положении остатков могут привести к искажению одного или нескольких из этих взаимодействий. [8] Дополнительные факторы, такие как температура, pH и ионы металлов, влияют на нековалентные взаимодействия между структурой фермента. [9] Вид Thermotoga maritima производит целлюлазы, состоящие из 2 β-слоев (белковых структур), окружающих центральную каталитическую область, которая является активным центром. [10] Фермент классифицируется как эндоглюканаза, которая внутренне расщепляет β-1,4-гликозидные связи в целлюлозных цепях, способствуя дальнейшей деградации полимера. Различные виды в том же семействе, что и T. maritima, производят целлюлазы с различными структурами. [10] Целлюлазы, производимые видом Coprinopsis cinerea, состоят из семи белковых нитей в форме замкнутого туннеля, называемого β/α-бочкой. [11] Эти ферменты гидролизуют субстрат карбоксиметилцеллюлозу. Связывание субстрата в активном центре вызывает изменение конформации, что позволяет деградировать молекулу.

Целлюлазные комплексы

У многих бактерий целлюлазы in vivo представляют собой сложные ферментные структуры, организованные в супрамолекулярные комплексы , целлюлосомы . Они могут содержать, но не ограничиваются, пятью различными ферментативными субъединицами, представляющими, а именно, эндоцеллюлазы, экзоцеллюлазы, целлобиазы, окислительные целлюлазы и целлюлозофосфорилазы, где только экзоцеллюлазы и целлобиазы участвуют в фактическом гидролизе связи β(1→4). Количество субъединиц, составляющих целлюлосомы, также может определять скорость ферментативной активности. [12]

Многодоменные целлюлазы широко распространены среди многих таксономических групп, однако целлюлазы из анаэробных бактерий, обнаруженные в целлюлосомах, имеют наиболее сложную архитектуру, состоящую из различных типов модулей. Например, Clostridium cellulolyticum производит 13 модульных целлюлаз GH9, содержащих различное количество и расположение каталитического домена (CD), углеводсвязывающего модуля (CBM), докерина, линкера и Ig-подобного домена. [13]

Например, комплекс целлюлазы из Trichoderma reesei включает компонент, обозначенный как C1 (57 000 дальтон ), который разделяет цепи кристаллической целлюлозы, эндоглюканазу (около 52 000 дальтон), экзоглюканазу (около 61 000 дальтон) и β-глюкозидазу (76 000 дальтон). [14]

В геномах бактерий, которые производят целлюлосомы, были идентифицированы многочисленные «сигнатурные» последовательности, известные как докерины и когезины . В зависимости от аминокислотной последовательности и третичной структуры целлюлазы делятся на кланы и семейства. [15]

Многомодульные целлюлазы более эффективны, чем свободный фермент (только с CD) из-за синергизма, возникающего из-за близкого расположения фермента и целлюлозного субстрата. CBM участвуют в связывании целлюлозы, тогда как гликозилированные линкеры обеспечивают гибкость CD для более высокой активности и защиты протеазы, а также повышенного связывания с поверхностью целлюлозы. [6]

Механизм целлюлолиза

Три типа реакций, катализируемых целлюлазами: 1. Разрыв нековалентных взаимодействий, присутствующих в аморфной структуре целлюлозы (эндоцеллюлаза) 2. Гидролиз концов цепей для расщепления полимера на более мелкие сахара (экзоцеллюлаза) 3. Гидролиз дисахаридов и тетрасахаридов до глюкозы (бета-глюкозидаза).
Механистические [16] детали бета-глюкозидазной активности целлюлазы

Использует

Целлюлаза используется для коммерческой обработки пищевых продуктов в кофе . Она выполняет гидролиз целлюлозы во время сушки бобов . Кроме того, целлюлазы широко используются в текстильной промышленности и в стиральных порошках. Они также использовались в целлюлозно-бумажной промышленности для различных целей, и они даже используются в фармацевтических целях. Целлюлаза используется при ферментации биомассы в биотопливо , хотя этот процесс в настоящее время является относительно экспериментальным.

Бумага и целлюлоза

Целлюлазы имеют широкий спектр применения в бумажной и целлюлозной промышленности. В процессах производства и переработки целлюлазы могут применяться для улучшения окорки , варки , отбеливания , дренажа или удаления краски . [17]

Использование целлюлазы также может улучшить качество бумаги. Целлюлазы влияют на морфологию волокон, что может привести к улучшению связи между волокнами, что приводит к повышению сцепления волокон. [18] Дополнительные эффекты на бумаге могут включать повышенную прочность на разрыв, большую пухлость, пористость и мягкость ткани.

Фармацевтическая

Целлюлаза используется в медицине для лечения фитобезоаров, формы целлюлозного безоара, обнаруженного в желудке человека , и она продемонстрировала эффективность в разрушении полимикробных бактериальных биопленок путем гидролиза β(1-4) гликозидных связей в структурных матричных экзополисахаридах внеклеточного полимерного вещества (ЭПС). [19] [20]

Текстиль

Различные варианты использования целлюлаз в текстильной промышленности включают биостоунирование джинсов, полировку текстильных волокон, смягчение одежды, удаление излишков красителя или восстановление яркости цвета.

Сельское хозяйство

Целлюлазы могут использоваться в сельскохозяйственном секторе в качестве фитопатогена и для борьбы с болезнями. Они также применяются для улучшения прорастания семян и улучшения корневой системы, и могут привести к улучшению качества почвы и снять зависимость от минеральных удобрений. [18]

Измерение

Поскольку нативный субстрат, целлюлоза , является водонерастворимым полимером, традиционные анализы восстанавливающих сахаров с использованием этого субстрата не могут быть использованы для измерения активности целлюлазы. Аналитики разработали ряд альтернативных методов.

Вискозиметр можно использовать для измерения снижения вязкости раствора, содержащего водорастворимое производное целлюлозы, такое как карбоксиметилцеллюлоза, при инкубации с образцом целлюлазы. [22] Снижение вязкости прямо пропорционально активности целлюлазы. Хотя такие анализы очень чувствительны и специфичны для эндоцеллюлазы ( экзодействующие ферменты целлюлазы производят небольшое или не производят никакого изменения вязкости), они ограничены тем фактом, что трудно определить активность в обычных единицах фермента (микромоль гидролизованного субстрата или продукта, произведенного в минуту).

Целлоолигосахаридные субстраты

Целлоолигосахариды с более низкой DP (DP2-6) достаточно растворимы в воде, чтобы действовать как жизнеспособные субстраты для ферментов целлюлазы. [23] Однако, поскольку эти субстраты сами по себе являются « восстанавливающими сахарами », они не подходят для использования в традиционных анализах на восстанавливающие сахара, поскольку они генерируют высокое «холостое» значение. Однако их гидролиз, опосредованный целлюлазой, можно контролировать с помощью методов ВЭЖХ или ИХ, чтобы получить ценную информацию о потребностях субстрата конкретного фермента целлюлазы.

Восстановленные целлоолигосахаридные субстраты

Целлоолигосахариды могут быть химически восстановлены посредством действия борогидрида натрия для получения соответствующих им сахарных спиртов . Эти соединения не реагируют в анализах на восстановление сахара, но продукты их гидролиза реагируют. Это делает восстановленные борогидридом целлоолигосахариды ценными субстратами для анализа целлюлазы с использованием традиционных анализов на восстановление сахара, таких как метод Нельсона-Симоджи. [24] [25]

Окрашенные полисахаридные субстраты

[26]

Эти субстраты можно разделить на два класса:

Ферментно-связанные реагенты

Колориметрические и флуориметрические субстраты целлюлазы могут быть использованы в присутствии вспомогательной β-глюкозидазы для специфического измерения активности эндоцеллюлазы .

Были разработаны новые реагенты, которые позволяют проводить специфическое измерение эндоцеллюлазы . [27] [28] Эти методы включают использование функционализированных олигосахаридных субстратов в присутствии вспомогательного фермента. В показанном примере фермент целлюлаза способен распознавать трисахаридный фрагмент целлюлозы и расщеплять эту единицу. Вспомогательный фермент, присутствующий в смеси реагентов (β-глюкозидаза), затем действует, гидролизуя фрагмент, содержащий хромофор или флуорофор. Анализ завершается добавлением основного раствора, который останавливает ферментативную реакцию и депротонирует освобожденное фенольное соединение, образуя фенолятные виды. Активность целлюлазы данного образца прямо пропорциональна количеству освобожденного фенолята, которое можно измерить с помощью спектрофотометра. Функционализация ацеталя на невосстанавливающем конце трисахаридного субстрата предотвращает действие вспомогательной β-глюкозидазы на исходный субстрат.

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ PDB : 1NLR ​; Sulzenbacher G, Shareck F, Morosoli R, Dupont C, Davies GJ (декабрь 1997 г.). « Эндоглюканаза семейства 12 Streptomyces lividans : построение каталитического ядра, экспрессия и рентгеновская структура при разрешении 1,75 Å». Биохимия . 36 (51): 16032–9. doi :10.1021/bi972407v. PMID  9440876.; визуализировано с помощью PyMOL
  2. ^ Баркалов Д.Г., Уистлер Р.Л. «Целлюлоза». AccessScience, McGraw-Hill.[ постоянная мертвая ссылка ]
  3. ^ Bignell DE, Roisin Y, Lo N (2011). Биология термитов: современный синтез . Дордрехт: Springer. ISBN 978-9048139767.
  4. ^ Watanabe H, Noda H, Tokuda G, Lo N (июль 1998). «Ген целлюлазы термитного происхождения». Nature . 394 (6691): 330–1. Bibcode :1998Natur.394..330W. doi :10.1038/28527. PMID  9690469. S2CID  4384555.
  5. ^ Ватанабэ Х., Токуда Г. (август 2001 г.). «Целлюлазы животных». Клеточные и молекулярные науки о жизни . 58 (9): 1167–78. doi :10.1007/PL00000931. PMC 11337393. PMID 11577976.  S2CID 570164  . 
  6. ^ аб Геррьеро, Хеа; сержант Кьелл; Легай, Сильвен; Хаусман, Жан-Франсуа; Коши, Анри-Мишель; Ахмад, Иршад; Сиддики, Хавар (15 июня 2018 г.). «Новые результаты сравнительного анализа целлюлаз зеленых микроводорослей in Silico». Международный журнал молекулярных наук . 19 (6): 1782. doi : 10.3390/ijms19061782 . ISSN  1422-0067. ПМК 6032398 . ПМИД  29914107. 
  7. ^ Zverlov VV, Schantz N, Schwarz WH (август 2005 г.). «Основным новым компонентом целлюлосомы Clostridium thermocellum является процессивная эндо-β-1,4-глюканаза, продуцирующая целлотетраозу». FEMS Microbiology Letters . 249 (2): 353–8. doi : 10.1016/j.femsle.2005.06.037 . PMID  16006068.
  8. ^ Payne CM, Bomble YJ, Taylor CB, McCabe C, Himmel ME, Crowley MF, Beckham GT (ноябрь 2011 г.). «Множественные функции ароматических углеводных взаимодействий в процессивной целлюлазе, исследованные с помощью молекулярного моделирования». Журнал биологической химии . 286 (47): 41028–35. doi : 10.1074 /jbc.M111.297713 . PMC 3220501. PMID  21965672. 
  9. ^ Lee YJ, Kim BK, Lee BH, Jo KI, Lee NK, Chung CH и др. (январь 2008 г.). «Очистка и характеристика целлюлазы, продуцируемой Bacillus amyoliquefaciens DL-3 с использованием рисовой шелухи». Bioresource Technology . 99 (2): 378–86. Bibcode : 2008BiTec..99..378L. doi : 10.1016/j.biortech.2006.12.013. PMID  17320379.
  10. ^ ab Cheng YS, Ko TP, Wu TH, Ma Y, Huang CH, Lai HL и др. (апрель 2011 г.). «Кристаллическая структура и режим связывания субстрата целлюлазы 12A из Thermotoga maritima ». Белки . 79 (4): 1193–204. doi :10.1002/prot.22953. PMID  21268113. S2CID  23572933.
  11. ^ Liu Y, Yoshida M, Kurakata Y, Miyazaki T, Igarashi K, Samejima M и др. (март 2010 г.). «Кристаллическая структура фермента семейства гликозидгидролаз 6, CcCel6C, целлюлазы, конститутивно продуцируемой Coprinopsis cinerea». Журнал FEBS . 277 (6): 1532–42. doi : 10.1111/j.1742-4658.2010.07582.x . PMID  20148970. S2CID  6338050.
  12. ^ Tsai SL, DaSilva NA, Chen W (январь 2013 г.). «Функциональное отображение сложных целлюлосом на поверхности дрожжей с помощью адаптивной сборки». ACS Synthetic Biology . 2 (1): 14–21. CiteSeerX 10.1.1.701.5515 . doi :10.1021/sb300047u. PMID  23656322. 
  13. ^ Ravachol J, Borne R, Tardif C, de Philip P, Fierobe HP (март 2014 г.). «Характеристика всех гликозидгидролаз семейства 9, синтезируемых бактерией, продуцирующей целлюлосому Clostridium cellulolyticum». Журнал биологической химии . 289 (11): 7335–48. doi : 10.1074/jbc.M113.545046 . PMC 3953250. PMID  24451379 . 
  14. ^ Worthington Biochemical Corporation (2014), Целлюлаза. Доступ 2014-07-03
  15. ^ Bayer EA, Chanzy H, Lamed R, Shoham Y (октябрь 1998 г.). «Целлюлоза, целлюлазы и целлюлосомы». Current Opinion in Structural Biology . 8 (5): 548–57. doi :10.1016/S0959-440X(98)80143-7. PMID  9818257.
  16. ^ Bhaumik, Prasenjit; Dhepe, Paresh Laxmikant (2015-01-01). "Глава 1. Превращение биомассы в сахара". Биомасса Сахара для нетопливных применений . Серия Green Chemistry. Королевское химическое общество. стр. 1–53. doi :10.1039/9781782622079-00001. ISBN 978-1-78262-113-3.
  17. ^ Сингх, С; Сингх, В; Аамир, М; Дубей, М; Патель, Дж; Упадхай, Р; Гупта, В (2 августа 2016 г.). "Глава 13: Целлюлаза в целлюлозно-бумажной промышленности". Новые и будущие разработки в области микробной биотехнологии и биоинженерии: свойства и применение микробной целлюлазной системы . doi :10.1016/B978-0-444-63507-5.00013-7.
  18. ^ ab Kuhad, RC; Gupta, R.; Singh, A. (2011). «Микробные целлюлазы и их промышленное применение». Enzyme Research . 10 : 6065–6072. doi : 10.4061/2011/280696 .
  19. ^ Флеминг Д., Рамбо КП (апрель 2017 г.). «Подходы к рассеиванию медицинских биопленок». Микроорганизмы . 5 ( 2): 15. doi : 10.3390/microorganisms5020015 . PMC 5488086. PMID  28368320. 
  20. ^ Флеминг Д., Шахин Л., Рамбо К. (февраль 2017 г.). «Гликозидгидролазы разрушают полимикробные бактериальные биопленки в ранах». Антимикробные агенты и химиотерапия . 61 (2): AAC.01998–16. doi :10.1128/AAC.01998-16. PMC 5278739. PMID  27872074 . 
  21. ^ Jasani H, Umretiya N, Dharajiya D, Kapuria M, Shah S, Patel J (июнь 2016 г.). «Выделение, оптимизация и производство целлюлазы Aspergillus niger из сельскохозяйственных отходов». Журнал чистой и прикладной микробиологии . 10 (2): 1159–66.
  22. ^ Umezurike GM (январь 1979). «Целлюлолитические ферменты Botryodiplodia theobromae Pat. Разделение и характеристика целлюлаз и β-глюкозидаз». The Biochemical Journal . 177 (1): 9–19. doi :10.1042/bj1770009. PMC 1186335. PMID  106849 . 
  23. ^ Telke AA, Zhuang N, Ghatge SS, Lee SH, Ali Shah A, Khan H и др. (2013). «Инженерия гликозидгидролазы семейства 5 (Cel5A) из некультивируемой бактерии для эффективного гидролиза целлюлозных субстратов». PLOS ONE . 8 (6): e65727. Bibcode : 2013PLoSO...865727T. doi : 10.1371/journal.pone.0065727 . PMC 3681849. PMID  23785445 . 
  24. ^ Нельсон Н (1944). «Фотометрическая адаптация метода Сомоджи для определения глюкозы». J. Biol. Chem . 153 (2): 375–80. doi : 10.1016/S0021-9258(18)71980-7 .
  25. ^ Smogyi M (март 1952). «Заметки об определении сахара». Журнал биологической химии . 195 (1): 19–23. doi : 10.1016/S0021-9258(19)50870-5 . PMID  14938350.
  26. ^ McCleary BV (ноябрь 1980 г.). «Новые хромогенные субстраты для анализа альфа-амилазы и (1 приводит к 4)-β-D-глюканазы». Carbohydrate Research . 86 (1): 97–104. doi :10.1016/s0008-6215(00)84584-x. PMID  6159974.
  27. ^ McCleary BV, Mangan D, Daly R, Fort S, Ivory R, ​​McCormack N (февраль 2014 г.). «Новые субстраты для измерения эндо-1,4-β-глюканазы (эндоцеллюлазы)». Carbohydrate Research . 385 : 9–17. doi :10.1016/j.carres.2013.12.001. PMID  24398300.
  28. ^ Mangan D, McCleary BV, Liadova A, Ivory R, ​​McCormack N (август 2014 г.). «Количественный флуориметрический анализ для измерения эндо-1,4-β-глюканазы». Carbohydrate Research . 395 : 47–51. doi :10.1016/j.carres.2014.05.002. PMID  25038461.

Дальнейшее чтение