stringtranslate.com

Целлюлаза

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

Целлюлаза ( EC 3.2.1.4; систематическое название 4-β- D -глюкан-4-глюканогидролаза ) — это любой из нескольких ферментов, вырабатываемых главным образом грибами , бактериями и простейшими , которые катализируют целлюлолиз , разложение целлюлозы и некоторых родственных 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 таких 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 большое экономическое значение, поскольку оно делает основной компонент растений доступным для потребления и использования в химических реакциях. Специфической реакцией является 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 имеют лишь очень ограниченную способность самостоятельно переваривать пищевые волокна, такие как целлюлоза. У многих травоядных животных, таких как жвачные , например, крупный рогатый скот и овцы, а также ферментаторов задней кишки , таких как лошади, целлюлазы продуцируются симбиотическими бактериями. Эндогенные целлюлазы производятся некоторыми видами животных , такими как некоторые термиты , улитки, [3] [4] [5] и дождевые черви .

Недавно целлюлазы были также обнаружены в зеленых микроводорослях ( Chlamydomonas reinhardtii , Gonium pectorale и Volvox carteri ), и их каталитические домены (CD), принадлежащие к семейству GH9 , демонстрируют высочайшую гомологию последовательностей с эндогенными целлюлазами многоклеточных животных. Водорослевые целлюлазы имеют модульную структуру и состоят из предполагаемых новых богатых цистеином углеводсвязывающих модулей (CBM), линкеров, богатых пролином / серином (PS), 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-глюканаза, β-1,4-эндоглюкангидролаза, эндоглюканаза D, 1,4 -(1,3;1,4)-β- D -глюкан-4-глюканогидролаза), карбоксиметилцеллюлаза (CMCase), авицелаза, целлудекстриназа , целлюлаза А, целлюлозин AP , щелочная целлюлаза , целлюлаза А3 , 9,5 целлюлаза , целлюлазаза и панцеллаза SS . Ферменты, расщепляющие лигнин , иногда называют целлюлазами, но это старое использование устарело; они представляют собой ферменты, модифицирующие лигнин .

Виды и действие

Пять основных типов целлюлаз в зависимости от типа катализируемой реакции:

Авицелаза обладает почти исключительно экзоцеллюлазной активностью, поскольку авицел представляет собой высокомикрокристаллический субстрат.

Внутри вышеуказанных типов существуют также прогрессивные (также известные как процессивные) и непрогрессивные типы. Прогрессивная целлюлаза будет продолжать взаимодействовать с одной цепью полисахарида, непрогрессивная целлюлаза будет взаимодействовать один раз, а затем отделиться и задействовать другую цепь полисахарида.

Действие целлюлазы считается синергическим, поскольку все три класса целлюлаз могут дать гораздо больше сахара, чем добавление всех трех по отдельности. За исключением жвачных животных, большинство животных (включая человека) не производят целлюлазу в своем организме и могут лишь частично расщеплять целлюлозу посредством ферментации, что ограничивает их способность использовать энергию из волокнистого растительного материала.

Состав

Большинство грибных целлюлаз имеют двухдоменную структуру: один каталитический домен и один целлюлозосвязывающий домен, которые соединены гибким линкером. Эта структура адаптирована для работы с нерастворимым субстратом и позволяет ферменту двумерно диффундировать по поверхности, подобно гусенице. Однако существуют также целлюлазы (в основном эндоглюканазы), у которых отсутствуют домены, связывающие целлюлозу.

Как связывание субстратов, так и катализ зависят от трехмерной структуры фермента, которая возникает вследствие уровня сворачивания белка . Аминокислотная последовательность и расположение их остатков, которые встречаются в активном центре, положение, в котором связывается субстрат, могут влиять на такие факторы, как аффинность связывания лигандов, стабилизация субстратов в активном центре и катализ. Структура субстрата дополняет точную структуру активного центра фермента. Изменения положения 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 структурами ферментов. [9] Виды Thermotoga maritima производят целлюлазы, состоящие из 2 β-листов (белковых структур), окружающих центральную каталитическую область, которая является активным центром. [10] Фермент относится к категории эндоглюканазы, которая изнутри расщепляет β-1,4-гликозидные связи в цепях целлюлозы, способствуя дальнейшей деградации полимера. Различные виды одного семейства с T. maritima производят целлюлазы разной структуры. [10] Целлюлазы, продуцируемые видами Coprinopsis cinerea, состоят из семи белковых нитей в форме закрытого туннеля, называемого β/α-цилиндром. [11] Эти ферменты гидролизуют субстрат карбоксиметилцеллюлозу. Связывание субстрата в активном центре вызывает изменение конформации, которое приводит к деградации молекулы.

Целлюлазные комплексы

У многих бактерий целлюлазы in vivo представляют собой сложные ферментные структуры, организованные в супрамолекулярные комплексы — целлюлосомы . Они могут содержать, помимо прочего, пять различных ферментативных субъединиц, а именно эндоцеллюлазы, экзоцеллюлазы, целлобиазы, окислительные целлюлазы и целлюлозофосфорилазы, причем только экзоцеллюлазы и целлобиазы участвуют в фактическом гидролизе связи β(1→4). Количество субъединиц, составляющих целлюлосомы, также может определять скорость активности фермента. [12]

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

Целлюлазный комплекс Trichoderma reesei , например, включает компонент, обозначенный C1 (57 000 дальтон ), который разделяет цепи кристаллической целлюлозы, эндоглюканазы (около 52 000 дальтон), экзоглюканазы (около 61 000 дальтон) и β-глюкозидазы (76 000 дальтон). дальтоны). [14]

Многочисленные «подписные» последовательности, известные как докерины и когезины, были идентифицированы в геномах бактерий, продуцирующих целлюлосомы. В зависимости от аминокислотной последовательности и третичной структуры целлюлазы делятся на кланы и семейства. [15]

Мультимодулярные целлюлазы более эффективны, чем свободный фермент (только с ЦД) благодаря синергизму из-за непосредственной близости между ферментом и целлюлозным субстратом. CBM участвуют в связывании целлюлозы, тогда как гликозилированные линкеры обеспечивают гибкость CD для более высокой активности и защиты от протеаз, 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 цепи с расщеплением полимера на более мелкие сахара (экзоцеллюлаза). 3. Гидролиз дисахаридов и тетрасахаридов до глюкозы (бета-глюкозидаза).
Механистические [16] детали бета-глюкозидазной активности целлюлазы

Использование

Целлюлаза используется в коммерческой пищевой промышленности при производстве кофе . Осуществляет гидролиз целлюлозы при сушке бобов . Кроме того, целлюлазы широко используются в текстильной промышленности и в стиральных порошках. Их также использовали в целлюлозно-бумажной промышленности для различных целей и даже в фармацевтических целях. Целлюлаза используется при ферментации биомассы в биотопливо , хотя в настоящее время этот процесс является относительно экспериментальным. Целлюлаза используется в медицине для лечения фитобезоаров, формы целлюлозного безоара , обнаруженного в желудке человека , и она продемонстрировала эффективность в разложении полимикробных бактериальных биопленок путем гидролиза β(1-4) гликозидных связей в структурных матриксных экзополисахаридах внеклеточное полимерное вещество (ЭПС). [17] [18]

Измерение

Поскольку нативный субстрат, целлюлоза , представляет собой водонерастворимый полимер, традиционные анализы восстанавливающего сахара с использованием этого субстрата не могут быть использованы для измерения активности целлюлазы. Ученые-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. [20] Снижение вязкости прямо пропорционально активности целлюлазы. Хотя такие анализы очень чувствительны и специфичны для эндоцеллюлазы ( ферменты экзо -действующей целлюлазы практически не вызывают изменений вязкости), они ограничены тем фактом, что трудно определить активность в обычных единицах фермента (микромоли гидролизованного или гидролизованного субстрата). продукции, производимой в минуту).

Целлоолигосахаридные субстраты

Целлоолигосахариды с более низкой DP (DP2-6) достаточно растворимы в воде, чтобы выступать в качестве жизнеспособных субстратов для ферментов целлюлазы. [21] Однако, поскольку эти субстраты сами по себе являются « восстанавливающими сахарами », они не подходят для использования в традиционных анализах восстанавливающих сахаров, поскольку дают высокие «холостые» значения. Однако их гидролиз, опосредованный целлюлазой, можно контролировать с помощью методов ВЭЖХ или IC , чтобы получить ценную информацию о потребностях в субстрате конкретного фермента целлюлазы.

Восстановленные целлоолигосахаридные субстраты

Целлоолигосахариды можно химически восстановить под действием боргидрида натрия с образованием соответствующих сахарных спиртов . Эти соединения не реагируют при анализе восстановления сахара, но продукты их гидролиза реагируют. Это делает целлоолигосахариды, восстановленные боргидридом, ценными субстратами для анализа целлюлазы с использованием традиционных анализов восстанавливающих сахаров, таких как метод Нельсона-Симоджи. [22] [23]

Окрашенные полисахаридные субстраты

[24]

Эти субстраты можно разделить на два класса:

Реагенты, связанные с ферментами

Колориметрические и флуориметрические субстраты целлюлазы можно использовать в присутствии вспомогательной β-глюкозидазы для специфического измерения активности эндоцеллюлазы .

Недавно были разработаны новые реагенты, позволяющие специфически измерять эндоцеллюлазу . [25] [26] 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 гидролизует фрагмент, содержащий хромофор или флуорофор. Анализ завершается добавлением основного раствора, который останавливает ферментативную реакцию и депротонирует высвобожденное фенольное соединение с образованием фенолятных соединений. Целлюлазная активность данного образца прямо пропорциональна количеству высвободившегося фенолята, которое можно измерить с помощью спектрофотометра. Ацетальная функционализация на невосстанавливающем конце трисахаридного субстрата предотвращает действие вспомогательной β-глюкозидазы на исходный субстрат.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ PDB : 1NLR ; Сульценбахер Дж., Шарек Ф., Морозоли Р., Дюпон К., Дэвис Г.Дж. (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. дои : 10.1021/bi972407v. ПМИД  9440876.; визуализируется с помощью PyMOL
  2. ^ Баркалоу Д.Г., Уистлер Р.Л. "Целлюлоза". AccessScience, МакГроу-Хилл.[ постоянная мертвая ссылка ]
  3. ^ Бигнелл Д.Э., Ройзин Ю., Ло Н. (2011). Биология термитов: современный синтез . Дордрехт: Спрингер. ISBN 978-9048139767.
  4. ^ Ватанабэ Х., Нода Х., Токуда Г., Ло Н. (июль 1998 г.). «Ген целлюлазы термитного происхождения». Природа . 394 (6691): 330–1. Бибкод : 1998Natur.394..330W. дои : 10.1038/28527. PMID  9690469. S2CID  4384555.
  5. ^ Ватанабэ Х., Токуда Г. (август 2001 г.). «Животные целлюлазы». Клеточные и молекулярные науки о жизни . 58 (9): 1167–78. дои : 10.1007/PL00000931. PMID  11577976. S2CID  570164.
  6. ^ ab Геррьеро Дж., Сержант К., Легай С. Хаусман Дж. Ф., Коши Х. М., Ахмад I, Сиддики К. С.. 2018 Новые результаты сравнительного анализа целлюлаз зеленых микроводорослей in silico. Межд. Дж. Мол. наук. 19 (6) 1782 г.
  7. ^ Зверлов В.В., Шанц Н., Шварц WH (август 2005 г.). «Основным новым компонентом целлюлозомы Clostridium thermocellum является процессивная эндо-β-1,4-глюканаза, продуцирующая целлотетраозу». Письма FEMS по микробиологии . 249 (2): 353–8. дои : 10.1016/j.femsle.2005.06.037 . ПМИД  16006068.
  8. ^ Пейн CM, Bomble YJ, Тейлор CB, Маккейб C, Химмель ME, Кроули MF, Бекхэм GT (ноябрь 2011 г.). «Множественные функции взаимодействий ароматических углеводов в процессивной целлюлазе, исследованные с помощью молекулярного моделирования». Журнал биологической химии . 286 (47): 41028–35. дои : 10.1074/jbc.M111.297713 . ПМК 3220501 . ПМИД  21965672. 
  9. ^ Ли Ю.Дж., Ким Б.К., Ли Б.Х., Джо КИ, Ли НК, Чунг Ч. и др. (январь 2008 г.). «Очистка и характеристика целлюлазы, продуцируемой Bacillus amyoliquefaciens DL-3, с использованием рисовой шелухи». Биоресурсные технологии . 99 (2): 378–86. doi :10.1016/j.biortech.2006.12.013. ПМИД  17320379.
  10. ^ Аб Ченг Ю.С., Ко Т.П., Ву Т.Х., Ма Ю., Хуан Ч., Лай Х.Л. и др. (апрель 2011 г.). «Кристаллическая структура и способ связывания субстрата целлюлазы 12А из Thermotoga maritima ». Белки . 79 (4): 1193–204. дои : 10.1002/prot.22953. PMID  21268113. S2CID  23572933.
  11. ^ Лю Ю, Ёсида М, Кураката Ю, Миядзаки Т, Игараси К, Самедзима М и др. (март 2010 г.). «Кристаллическая структура фермента семейства гликозидгидролаз 6, CcCel6C, целлюлазы, конститутивно продуцируемой Coprinopsis cinerea». Журнал ФЭБС . 277 (6): 1532–42. дои : 10.1111/j.1742-4658.2010.07582.x . PMID  20148970. S2CID  6338050.
  12. ^ Цай С.Л., ДаСильва Н.А., Чен В. (январь 2013 г.). «Функциональное отображение сложных целлюлосом на поверхности дрожжей посредством адаптивной сборки». ACS Синтетическая биология . 2 (1): 14–21. CiteSeerX 10.1.1.701.5515 . дои : 10.1021/sb300047u. ПМИД  23656322. 
  13. ^ Равашоль Дж., Борн Р., Тардиф С., де Филип П., Фиеробе Х.П. (март 2014 г.). «Характеристика всех гликозидгидролаз семейства 9, синтезируемых бактерией Clostridium cellulolyticum, продуцирующей целлюлосомы». Журнал биологической химии . 289 (11): 7335–48. дои : 10.1074/jbc.M113.545046 . ПМЦ 3953250 . ПМИД  24451379. 
  14. ^ Worthington Biochemical Corporation (2014), Целлюлаза. Доступ: 3 июля 2014 г.
  15. ^ Байер Э.А., Чанзи Х., Ламед Р., Шохам Ю. (октябрь 1998 г.). «Целлюлоза, целлюлазы и целлюлосомы». Современное мнение в области структурной биологии . 8 (5): 548–57. дои : 10.1016/S0959-440X(98)80143-7. ПМИД  9818257.
  16. ^ Бхаумик, Прасенджит; Дхепе, Пареш Лакшмикант (1 января 2015 г.). «Глава 1. Преобразование биомассы в сахара». Сахара из биомассы для нетопливных применений . Серия «Зеленая химия». Королевское химическое общество. стр. 1–53. дои : 10.1039/9781782622079-00001. ISBN 978-1-78262-113-3.
  17. ^ Флеминг Д., Рамбо КП (апрель 2017 г.). «Подходы к диспергированию медицинских биопленок». Микроорганизмы . 5 (2): 15. doi : 10.3390/microorganisms5020015 . ПМК 5488086 . ПМИД  28368320. 
  18. ^ Флеминг Д., Чахин Л., Рамбо К. (февраль 2017 г.). «Гликозидгидролазы разрушают полимикробные бактериальные биопленки в ранах». Антимикробные средства и химиотерапия . 61 (2): AAC.01998–16. дои : 10.1128/AAC.01998-16. ПМЦ 5278739 . ПМИД  27872074. 
  19. ^ Джасани Х., Умретия Н., Дхараджия Д., Капурия М., Шах С., Патель Дж. (июнь 2016 г.). «Выделение, оптимизация и производство целлюлазы Aspergillus niger из сельскохозяйственных отходов». Журнал чистой и прикладной микробиологии . 10 (2): 1159–66.
  20. ^ Умезурике GM (январь 1979 г.). «Целлюлолитические ферменты Botryodiplodia theobromae, патент. Разделение и характеристика целлюлаз и β-глюкозидаз». Биохимический журнал . 177 (1): 9–19. дои : 10.1042/bj1770009. ПМЦ 1186335 . ПМИД  106849. 
  21. ^ Телке А.А., Чжуан Н., Гатге С.С., Ли Шах, Али Шах А., Хан Х. и др. (2013). «Разработка гликозидгидролазы семейства 5 (Cel5A) из некультивируемой бактерии для эффективного гидролиза целлюлозных субстратов». ПЛОС ОДИН . 8 (6): е65727. Бибкод : 2013PLoSO...865727T. дои : 10.1371/journal.pone.0065727 . ПМЦ 3681849 . ПМИД  23785445. 
  22. ^ Нельсон Н (1944). «Фотометрическая адаптация метода Сомоджи для определения глюкозы». Ж. Биол. Хим . 153 (2): 375–80. дои : 10.1016/S0021-9258(18)71980-7 .
  23. ^ Смогий М (март 1952 г.). «Заметки по определению сахара». Журнал биологической химии . 195 (1): 19–23. дои : 10.1016/S0021-9258(19)50870-5 . ПМИД  14938350.
  24. ^ Макклири Б.В. (ноябрь 1980 г.). «Новые хромогенные субстраты для анализа альфа-амилазы и (1) приводят к 4)-β-D-глюканазы». Исследование углеводов . 86 (1): 97–104. doi : 10.1016/s0008-6215(00)84584-x. ПМИД  6159974.
  25. ^ Макклири Б.В., Манган Д., Дейли Р., Форт С., Айвори Р., МакКормак Н. (февраль 2014 г.). «Новые субстраты для измерения эндо-1,4-β-глюканазы (эндоцеллюлазы)». Исследование углеводов . 385 : 9–17. doi : 10.1016/j.carres.2013.12.001. ПМИД  24398300.
  26. ^ Манган Д., Макклири Б.В., Лядова А., Айвори Р., МакКормак Н. (август 2014 г.). «Количественный флуорометрический анализ для измерения эндо-1,4-β-глюканазы». Исследование углеводов . 395 : 47–51. doi :10.1016/j.carres.2014.05.002. ПМИД  25038461.

дальнейшее чтение