Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Лента представляет собой каталитический домен бета-1,4-эндоглюканазы Streptomyces lividans - пример из семейства 12 гликозидгидролаз [1]

Целлюлаза - это любой из нескольких ферментов, вырабатываемых в основном грибами , бактериями и простейшими, которые катализируют целлюлолиз , разложение целлюлозы и некоторых родственных полисахаридов . Это название также используется для любой встречающейся в природе смеси или комплекса различных таких ферментов, которые действуют последовательно или синергетически, разлагая целлюлозный материал.

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

Большинство млекопитающих имеют очень ограниченную способность переваривать пищевые волокна, такие как целлюлоза, сами по себе. У многих травоядных животных, таких как жвачные, такие как крупный рогатый скот и овцы, и у ферментеров задней кишки, таких как лошади, целлюлазы продуцируются симбиотическими бактериями. Эндогенные целлюлазы производятся несколькими типами многоклеточных животных, такими как 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 наивысшую гомологию последовательностей с эндогенными целлюлазами многоклеточных животных . Целлюлазы водорослей являются модульными, состоящими из предполагаемых новых богатых цистеином углеводсвязывающих модулей (CBM), богатых пролином / серином (PS) 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-концевой 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-бета-D-глюканазу (бета-1,4-глюканаза, бета-1,4-эндоглюкан гидролаза, эндоглюканаза D, 1,4 - (1,3,1,4) -бета-D-глюкан 4-глюканогидролаза), карбоксиметилцеллюлаза (CMCase), авицелаза, целлюлозиназа , целлюлаза A , целлюлозин AP , щелочная целлюлаза , целлюлаза A 3 , целлюлаза 9,5 и панцеллаза SS . Ферменты, расщепляющие лигнининогда их называют целлюлазами, но это старое использование не рекомендуется; они являются ферментами, модифицирующими лигнин .

Типы и действия [ править ]

Пять основных типов целлюлаз в зависимости от типа катализируемой реакции:

  • Эндоцеллюлазы (EC 3.2.1.4) случайным образом расщепляют внутренние связи в аморфных сайтах, которые создают новые концы цепи.
  • Экзоцеллюлазы или целлобиогидролазы (EC 3.2.1.91) отщепляют от двух до четырех единиц на концах открытых цепей, продуцируемых эндоцеллюлазой, что приводит к тетрасахаридам [7] или дисахаридам , таким как целлобиоза . Экзоцеллюлазы далее подразделяются на тип I, который действует процессивно с восстанавливающего конца цепи целлюлозы, и тип II, который процессивно действует с невосстанавливающего конца.
  • Целлобиазы (EC 3.2.1.21) или бета-глюкозидазы гидролизуют экзоцеллюлазный продукт до индивидуальных моносахаридов.
  • Окислительные целлюлазы деполимеризуют целлюлозу за счет радикальных реакций, как, например, целлобиозодегидрогеназа (акцептор) .
  • Фосфорилазы целлюлозы деполимеризуют целлюлозу с использованием фосфатов вместо воды.

Авицелаза обладает почти исключительно экзоцеллюлазной активностью, поскольку авицелза представляет собой субстрат с высокой микрокристаллической структурой.

Среди вышеперечисленных типов есть 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 отсоединиться и задействовать другую цепочку полисахарида.

Действие целлюлазы считается синергическим, поскольку все три класса целлюлазы могут давать гораздо больше сахара, чем добавление всех трех по отдельности. За исключением жвачных, большинство животных (включая людей) не производят целлюлазу в своем организме и могут лишь частично расщеплять целлюлозу путем ферментации, ограничивая их способность использовать энергию в волокнистом растительном материале.

Структура [ править ]

Большинство грибковых целлюлаз имеют двухдоменную структуру с одним каталитическим доменом и одним целлюлозосвязывающим доменом, которые соединены гибким линкером. Эта структура адаптирована для работы с нерастворимым субстратом и позволяет ферменту двумерно диффундировать на поверхности, как гусеница. Однако есть также целлюлазы (в основном эндоглюканазы), в которых отсутствуют целлюлозосвязывающие домены.

Как связывание субстратов, так и катализ зависят от трехмерной структуры фермента, которая возникает как следствие 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 сродство связывания лигандов, стабилизация субстратов в активном центре и катализ. Структура субстрата дополняет точную структуру активного центра фермента. Изменения положения остатков могут привести к нарушению одного или нескольких из этих взаимодействий. [8] Дополнительные факторы, такие как температура, pH и ионы металлов, влияют на нековалентные взаимодействия между структурой ферментов. [9]Виды Thermotoga maritima образуют целлюлазы, состоящие из 2 бета-листов (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, облегчая дальнейшее разложение полимера. Различные виды из того же семейства, что и T. Maritima, образуют целлюлазы с разной структурой. [10] Целлюлазы, продуцируемые видом Coprinopsis Cinerea, состоят из семи белковых цепей в форме закрытого туннеля, называемого бета / альфа-стволом. [11] Эти ферменты гидролизуют карбоксиметилцеллюлозу субстрата. Связывание субстрата в активном центре вызывает изменение конформации, что делает возможной деградацию молекулы.

Целлюлазные комплексы [ править ]

У многих бактерий целлюлазы in-vivo представляют собой сложные ферментные структуры, организованные в супрамолекулярные комплексы , целлюлосомы . Они могут содержать, но не ограничиваются ими, пять различных ферментных субъединиц, представляющих а именно эндоцеллюлазы, экзоцеллюлазы, целлобиазы, окислительные целлюлазы и фосфорилазы целлюлозы, при этом только экзоцеллюлазы и целлобиазы участвуют в фактическом гидролизе связи β (1 → 4). Количество субъединиц, составляющих целлюлосомы, также может определять степень активности фермента. [12]

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

Комплекс целлюлазы из Trichoderma reesei , например, включает компонент, обозначенный C1 (57000 дальтон ), который разделяет цепи кристаллической целлюлозы, эндоглюканазы (около 52000 дальтон), экзоглюканазы (около 61000 дальтон) и бета-глюкозидазы (76000 дальтон). дальтон). [14]

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

Мультимодульные целлюлазы более эффективны, чем свободный фермент (только с CD) из-за синергизма 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 протеазной защиты, а также повышенного связывания с поверхностью целлюлозы. [6]

Механизм целлюлолиза [ править ]

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

Использует [ редактировать ]

Целлюлаза используется для производства кофе в коммерческих целях . Он выполняет гидролиз целлюлозы при сушке бобов . Кроме того, целлюлазы широко используются в текстильной промышленности и в стиральных порошках. Они также использовались в целлюлозно-бумажной промышленности для различных целей и даже в фармацевтике. Целлюлаза используется при ферментации биомассы в биотопливо , хотя в настоящее время этот процесс является относительно экспериментальным. С медицинской точки зрения целлюлаза используется для лечения фитобезоаров, формы безоара целлюлозы, обнаруживаемого в желудке человека.и он продемонстрировал эффективность в разрушении полимикробных бактериальных биопленок путем гидролиза β (1-4) гликозидных связей в структурных экзополисахаридах матрикса внеклеточного полимерного вещества (EPS). [17] [18]

Измерение [ править ]

Поскольку природный субстрат, целлюлоза , представляет собой нерастворимый в воде полимер, традиционные методы анализа восстанавливающего сахара с использованием этого субстрата не могут быть использованы для измерения активности целлюлазы. Ученые-аналитики разработали ряд альтернативных методов.

  • Метод DNSA. Целлюлазную активность определяли путем инкубации 0,5 мл супернатанта с 0,5 мл 1% карбоксиметилцеллюлозы (КМЦ) в ​​0,05 М цитратном буфере (pH 4,8) при 50 ° C в течение 30 минут. Реакцию останавливали добавлением 3 мл реагента динитросалициловой кислоты. Поглощение считывали при 540 нм. [19]

Вискозиметр может быть использован для измерения снижения вязкости раствора , содержащего водорастворимое производное целлюлозы , такие как карбоксиметилцеллюлоза при инкубации с образцом целлюлазы. [20] Снижение вязкости прямо пропорционально активности целлюлазы. В то время как такие анализы очень чувствительны и специфичны для эндо -cellulase ( экзо -Актерских целлюлазы ферменты производят мало или вообще не изменение вязкости), они ограничены тем , что трудно определить активность в условных единицах фермента (микромолей субстрат или гидролизованный продукта, произведенного в минуту).

Целлоолигосахаридные субстраты [ править ]

Целлоолигосахариды с более низким DP (DP2-6) достаточно растворимы в воде, чтобы действовать как жизнеспособные субстраты для ферментов целлюлазы. [21] Однако, поскольку эти субстраты сами являются « редуцирующими сахарами », они не подходят для использования в традиционных анализах содержания восстанавливающего сахара, поскольку они генерируют высокое «холостое» значение. Однако их гидролиз, опосредованный целлюлазой, можно отслеживать методами ВЭЖХ или IC, чтобы получить ценную информацию о потребностях в субстрате конкретного фермента целлюлазы.

Субстраты с пониженным содержанием целлоолигосахаридов [ править ]

Целлоолигосахариды можно химически восстановить под действием боргидрида натрия с образованием соответствующих сахарных спиртов . Эти соединения не реагируют в тестах на восстановление сахара, но их продукты гидролиза реагируют. Это делает восстановленные борогидридом целлоолигосахариды ценными субстратами для анализа целлюлазы с использованием традиционных анализов на содержание восстанавливающего сахара, таких как метод Нельсона-Симоджи. [22] [23]

Окрашенные полисахаридные субстраты [24] [ править ]

Эти подложки можно разделить на два класса:

  • Нерастворимые хромогенные субстраты: нерастворимый субстрат целлюлазы, такой как AZCL-HE-целлюлоза, абсорбирует воду и создает гелеобразные частицы при помещении в раствор. Этот субстрат постепенно деполимеризуется и растворяется под действием целлюлазы. Реакцию останавливают, добавляя щелочной раствор для остановки активности фермента, и реакционную суспензию фильтруют или центрифугируют. Цвет фильтрата или супернатанта измеряется и может быть связан с активностью фермента.
  • Растворимые хромогенные субстраты: образец целлюлазы инкубируют с водорастворимым субстратом, таким как азо-CM-целлюлоза, реакция прекращается, и высокомолекулярные частично гидролизованные фрагменты осаждаются из раствора с органическим растворителем, таким как этанол или метоксиэтанол. Суспензию тщательно перемешивают, центрифугируют и измеряют цвет надосадочного раствора (из-за небольших растворимых окрашенных фрагментов). С помощью стандартной кривой можно определить активность фермента.

Реагенты, связанные с ферментами [ править ]

Колориметрический и люминесцентно целлюлазы подложки могут быть использованы в присутствии вспомогательных бета-глюкозидаза для измерения удельного из эндо -cellulase активности

В последнее время , новые реагенты были разработаны , которые позволяют для измерения удельного от эндо -cellulase. [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 действует, чтобы гидролизовать фрагмент, содержащий хромофор или флуорофор. Анализ завершается добавлением основного раствора, который останавливает ферментативную реакцию и депротонирует высвобожденное фенольное соединение с образованием фенолятов. Целлюлазная активность данного образца прямо пропорциональна количеству высвободившегося фенолята, которое можно измерить с помощью спектрофотометра.Функционализация ацеталем на невосстанавливающем конце трисахаридного субстрата предотвращает действие вспомогательной β-глюкозидазы на исходный субстрат.

См. Также [ править ]

  • Целлюлоза 1,4-бета-целлобиозидаза , эффективная целлюлаза
  • Единица целлюлазы , единица для количественной оценки активности целлюлазы

Ссылки [ править ]

  1. ^ PDB : 1NLR ; Зульценбахер Г., Шарек Ф., Морозоли Р., Дюпон С., Дэвис Дж. Дж. (Декабрь 1997 г.). «Эндоглюканаза семейства 12 Streptomyces lividans: построение каталитического ядра, экспрессия и рентгеновская структура с разрешением 1,75 Å». Биохимия . 36 (51): 16032–9. DOI : 10.1021 / bi972407v . PMID  9440876 .; визуализировано с помощью PyMOL
  2. ^ Barkalow DG, Whistler RL. «Целлюлоза» . AccessScience, McGraw-Hill.[ постоянная мертвая ссылка ]
  3. ^ Bignell DE, Роизин Y, Lo N (2011). Биология термитов: современный синтез . Дордрехт: Спрингер. ISBN 978-9048139767.
  4. Перейти ↑ Watanabe H, Noda H, Tokuda G, Lo N (июль 1998 г.). «Ген целлюлазы термитного происхождения». Природа . 394 (6691): 330–1. Bibcode : 1998Natur.394..330W . DOI : 10.1038 / 28527 . PMID 9690469 . 
  5. ^ Watanabe H, Tokuda G (август 2001). «Целлюлазы животных». Клеточные и молекулярные науки о жизни . 58 (9): 1167–78. DOI : 10.1007 / PL00000931 . PMID 11577976 . 
  6. ^ a b Герриеро Дж., сержант К., Легай С. Хаусман Дж. Ф., Коши Х. М., Ахмад I, Сиддики К. С.. 2018 г. Новые выводы из сравнительного анализа in silico целлюлаз зеленых микроводорослей. Int. J. Mol. Sci. 19 (6), 1782.
  7. ^ Zverlov В.В., Шанец N, Schwarz WH (август 2005). «Основным новым компонентом целлюлосомы Clostridium thermocellum является процессивная эндо-бета-1,4-глюканаза, продуцирующая целлотетраозу» . Письма о микробиологии FEMS . 249 (2): 353–8. DOI : 10.1016 / j.femsle.2005.06.037 . PMID 16006068 . 
  8. ^ Payne CM, Bomble YJ, Taylor CB, МакКейб C, Himmel ME, Кроули MF, Бэкхем GT (ноябрь 2011). «Множественные функции ароматических-углеводных взаимодействий в процессивной целлюлазе исследованы 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». Биоресурсные технологии . 99 (2): 378–86. DOI : 10.1016 / j.biortech.2006.12.013 . PMID 17320379 . 
  10. ^ a b Cheng YS, Ko TP, Wu TH, Ma Y, Huang CH, Lai HL и др. (Апрель 2011 г.). «Кристаллическая структура и способ связывания субстрата целлюлазы 12A из Thermotoga maritima». Белки . 79 (4): 1193–204. DOI : 10.1002 / prot.22953 . PMID 21268113 . 
  11. ^ Лю Y, Yoshida M, Kurakata Y, Miyazaki T, Igarashi K, Samejima M и др. (Март 2010 г.). «Кристаллическая структура фермента семейства 6 гликозидгидролаз, CcCel6C, целлюлазы, конститутивно продуцируемой Coprinopsis cinerea». Журнал FEBS . 277 (6): 1532–42. DOI : 10.1111 / j.1742-4658.2010.07582.x . PMID 20148970 . 
  12. Tsai SL, DaSilva NA, Chen W (январь 2013 г.). «Функциональное отображение сложных целлюлосом на поверхности дрожжей посредством адаптивной сборки». Синтетическая биология ACS . 2 (1): 14–21. CiteSeerX 10.1.1.701.5515 . DOI : 10.1021 / sb300047u . PMID 23656322 .  
  13. ^ Равашоль J, Борн R, Tardif C, P - де - Филипп, Fierobe HP (март 2014). «Характеристика всех гликозидгидролаз семейства 9, синтезируемых бактерией Clostridium cellulolyticum, продуцирующей целлюлосомы» . Журнал биологической химии . 289 (11): 7335–48. DOI : 10.1074 / jbc.M113.545046 . PMC 3953250 . PMID 24451379 .  
  14. Worthington Biochemical Corporation (2014), Целлюлаза . Дата доступа: 3 июля 2014 г.
  15. ^ Байер Е.А., Chanzy H, Lamed R, Shoham Y (октябрь 1998). «Целлюлоза, целлюлазы и целлюлосомы». Текущее мнение в структурной биологии . 8 (5): 548–57. DOI : 10.1016 / S0959-440X (98) 80143-7 . PMID 9818257 . 
  16. ^ Бхаумик, Прасенджит; Дэпе, Пареш Лакшмикант (01.01.2015). «Глава 1. Преобразование биомассы в сахара» . Сахар биомассы для нетопливных применений . Серия «Зеленая химия». Королевское химическое общество. С. 1–53. DOI : 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 . PMC 5488086 . PMID 28368320 .  
  18. ^ Fleming D, L Чаин, Рамбо K (февраль 2017). «Гликозид гидролазы разрушают полимикробные бактериальные биопленки в ранах» . Противомикробные препараты и химиотерапия . 61 (2): AAC.01998–16. DOI : 10,1128 / AAC.01998-16 . PMC 5278739 . PMID 27872074 .  
  19. ^ Jasani Н, Umretiya Н, Dharajiya Д, Kapuria М, Шах S, J Пател (июнь 2016). «Выделение, оптимизация и производство целлюлазы Aspergillus niger из сельскохозяйственных отходов» . Журнал чистой и прикладной микробиологии . 10 (2): 1159–66.
  20. ^ Umezurike GM (январь 1979). «Целлюлолитические ферменты Botryodiplodia theobromae Pat. Разделение и характеристика целлюлаз и бета-глюкозидаз» . Биохимический журнал . 177 (1): 9–19. DOI : 10.1042 / bj1770009 . PMC 1186335 . PMID 106849 .  
  21. ^ Telke А.А., Чжуан N, Ghatge СС, Ли SH, Али Шах А, Хан Х., и др. (2013). «Разработка гликозидгидролазы семейства 5 (Cel5A) из некультивируемых бактерий для эффективного гидролиза целлюлозных субстратов» . PLOS One . 8 (6): e65727. Bibcode : 2013PLoSO ... 865727T . DOI : 10.1371 / journal.pone.0065727 . PMC 3681849 . PMID 23785445 .  
  22. Нельсон N (1944). «Фотометрическая адаптация метода Somogyi для определения глюкозы». J. Biol. Chem . 153 : 375–80.
  23. ^ Smogyi M (март 1952). «Заметки по определению сахара». Журнал биологической химии . 195 (1): 19–23. PMID 14938350 . 
  24. ^ McCleary BV (ноябрь 1980). «Новые хромогенные субстраты для анализа альфа-амилазы и (1 приводит к 4) -бета-D-глюканазе». Исследование углеводов . 86 (1): 97–104. DOI : 10.1016 / s0008-6215 (00) 84584-X . PMID 6159974 . 
  25. ^ МакКлири Б.В., Мэнгэн D, R Дейли, Форт S, R цвета слоновой кости, Маккормак Н (февраль 2014). «Новые субстраты для измерения эндо-1,4-β-глюканазы (эндо-целлюлазы)». Исследование углеводов . 385 : 9–17. DOI : 10.1016 / j.carres.2013.12.001 . PMID 24398300 . 
  26. ^ Mangan D, McCleary BV, Liadova A, Ivory R, ​​McCormack N (август 2014). «Количественный флуорометрический анализ для измерения эндо-1,4-β-глюканазы». Исследование углеводов . 395 : 47–51. DOI : 10.1016 / j.carres.2014.05.002 . PMID 25038461 . 

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Чапин Ф.С., Матсон П.А., Муни Х.А. (2002). Принципы экологии наземных экосистем (PDF) . Нью-Йорк: Спрингер. ISBN 978-0-387-95439-4. Архивировано из оригинального (PDF) 05 марта 2016 года . Проверено 4 июля 2014 .
  • Руководство Мерк по диагностике и терапии, Глава 24
  • Дека Д., Бхаргави П., Шарма А., Гоял Д., Джавед М., Гоял А. (2011). «Повышение активности целлюлазы из нового штамма Bacillus subtilis путем оптимизации среды и анализа с различными целлюлозными субстратами» . Ферментные исследования . 2011 : 151656. дои : 10,4061 / 2011/151656 . PMC  3102325 . PMID  21637325 .
  • Зафар М., Ахмед С., Хан М.И., Джамиль А. (май 2014 г.). «Рекомбинантная экспрессия и характеристика новой эндоглюканазы из Bacillus subtilis в Escherichia coli». Отчеты по молекулярной биологии . 41 (5): 3295–302. DOI : 10.1007 / s11033-014-3192-8 . PMID  24493451 .