Войти
| Целлюлаза | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
 Фермент целлюлаза, продуцируемый Thermomonospora fusca, с целлотриозой, связанной в мелкой бороздке каталитического домена | |||||||||
| Идентификаторы | |||||||||
| Номер ЕС | 3.2.1.4 | ||||||||
| Номер CAS | 9012-54-8 | ||||||||
| Базы данных | |||||||||
| IntEnz | Просмотр IntEnz | ||||||||
| BRENDA | Запись BRENDA | ||||||||
| ExPASy | Просмотр NiceZyme | ||||||||
| KEGG | Запись KEGG | ||||||||
| MetaCyc | метаболический путь | ||||||||
| PRIAM | профиль | ||||||||
| PDB структуры | RCSB PDB PDBe PDBsum | ||||||||
| Онтология генов | AmiGO / QuickGO | ||||||||
| |||||||||
ленточное изображение каталитического домена бета-1,4-эндоглюканазы Streptomyces lividans - пример из семейства 12 гликозидгидролаз Целлюлаза представляет собой любой из нескольких ферментов, продуцируемых в основном грибы, бактерии и простейшие, которые катализируют целлюлолиз, разложение целлюл ose 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 представляет собой гидролиз 1,4-бета-D- гликозидных связей в целлюлозе, гемицеллюлозе, лихенине, и зерновые бета-D-глюканы. Поскольку молекулы целлюлозы прочно связываются друг с другом, целлюлолиз относительно затруднен по сравнению с расщеплением других полисахаридов, таких как крахмал.
Большинство млекопитающих имеют лишь очень ограниченную способность переваривать пищевые волокна, такие как целлюлоза, сами по себе. У многих травоядных животных, таких как жвачные животные, такие как крупный рогатый скот и овцы, и ферментеры заднего кишечника, такие как лошади, целлюлазы продуцируются симбиотическими бактериями. Эндогенные целлюлазы продуцируются несколькими типами многоклеточных животных, такими как некоторые термиты, улитки и дождевые черви.
. Недавно целлюлазы были обнаружены также у зеленых микроводорослей (Chlamydomonas reinhardtii, Gonium pectorale и Volvox carteri) и их каталитические домены (CD), принадлежащие к семейству GH9, демонстрируют наивысшую гомологию последовательностей с эндогенными целлюлазами многоклеточных. 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.
Известно несколько различных видов целлюлаз, которые различаются по структуре и механизму. Синонимы, производные и специфические ферменты, связанные с названием «целлюлаза», включают эндо-1,4-бета-D-глюканазу (бета-1,4-глюканаза, бета-1,4-эндоглюкангидролаза, эндоглюканаза D, 1,4- (1,3,1,4) -бета-D-глюкан-4-глюканогидролаза), (CMCase), авицелаза, целлудекстриназа, целлюлозин AP, щелочная целлюлаза, целлюлаза А 3, 9,5 целлюлаза и панцеллаза SS. Ферменты, расщепляющие лигнин, иногда называли целлюлазами, но это старое использование не рекомендуется; это ферменты, модифицирующие лигнин.
Пять общих типов целлюлаз в зависимости от типа катализируемой реакции:
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, что ограничивает их способность использовать энергию в волокнистом растительном материале.
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. Дополнительные факторы, такие как температура, pH и ионы металлов, влияют на нековалентные взаимодействия между структурой ферментов. Виды Thermotoga maritima образуют целлюлазы, состоящие из 2 бета-листов (белковых структур), окружающих центральную каталитическую область, которая является активным центром. Фермент классифицируется как эндоглюканаза, которая внутри 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. Целлюлазы, продуцируемые видом Coprinopsis Cinerea, состоят из семи белковых цепей в форме закрытого туннеля, называемого бета / альфа-стволом. Эти ферменты гидролизуют карбоксиметилцеллюлозу субстрата. Связывание субстрата в активном центре вызывает изменение конформации, что делает возможной деградацию молекулы.
Во многих бактериях 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). Число субъединиц, составляющих целлюлосомы, также может определять степень активности фермента.
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.
Комплекс целлюлазы из Trichoderma reesei, например, содержит компонент, обозначенный C1 (57000 дальтон ), который разделяет цепи кристаллической целлюлозы, эндоглюканазы (около 52000 дальтон), экзоглюканазы (около 61000 дальтон) и бета-глюкозидаза (76000 дальтон).
В геномах были идентифицированы многочисленные «сигнатурные» последовательности, известные как докерины и когезины. 121>бактерий, производящих целлюлосомы. В зависимости от их аминокислотной последовательности и третичной структуры целлюлазы делятся на кланы и семейства.
Мультимодульные целлюлазы более эффективны, чем свободный фермент (только с CD) из-за к синергизму из-за непосредственной близости между ферментом и целлюлозным субстратом. CBM участвует в связывании целлюлозы, тогда как гликозилированные линкеры обеспечивают гибкость CD для более высокой активности и защиты протеазы, а также повышенного связывания с поверхностью целлюлозы.
Три типа катализируемых реакций по целлюлазам: 1. Нарушение нековалентных взаимодействий, присутствующих в аморфной структуре целлюлозы (эндоцеллюлаза) 2. Гидролиз концов цепей для разрушения полимера на более мелкие сахара (экзоцеллюлаза) 3. Гидролиз дисахаридов и тетрасахаридов до глюкозы (бета-глюкозидаза). 
Механистический. подробные сведения о бета-глюкозидазной активности целлюлазы Целлюлаза используется для производства пищевых продуктов в кофе. 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 они даже используются для фармацевтических применений. 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 целлюлозы безоара, обнаруженной в желудке человека, и она продемонстрировала эффективность в разрушении полимикробных бактериальных биопленок путем гидролиза β (1-4) гликозидных связей внутри структурных экзополисахаридов матрикса внеклеточного полимерного вещества (EPS).
В качестве нативного субстрата, 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.
A вискозиметр можно использовать для измерения снижения вязкости раствора, содержащего водорастворимое производное целлюлозы, такое как карбоксиметилцеллюлоза, при инкубации с образцом целлюлазы. Снижение вязкости прямо пропорционально активности целлюлазы. Хотя такие анализы очень чувствительны и специфичны для эндо-целлюлазы (экзо-действующие ферменты целлюлазы производят незначительное изменение вязкости или не изменяют ее вообще), они ограничены тем фактом, что сложно определить активность в обычных ферментных единицах (микромолях гидролизованного субстрата или продукта, произведенного в минуту).
Целлоолигосахариды с более низкой DP (DP2-6) достаточно растворимы в воде, чтобы действовать как жизнеспособные субстраты для ферментов целлюлазы. 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 контролировать методами HPLC или IC, чтобы получить ценную информацию о потребностях в субстрате конкретного фермента целлюлазы.
Целлоолигосахариды могут быть химически восстановлены под действием боргидрида натрия с образованием соответствующих сахарных спиртов. Эти соединения не реагируют в тестах на восстановление сахара, но реагируют продукты их гидролиза. Это делает восстановленные борогидридом целлоолигосахариды ценными субстратами для анализа целлюлазы с использованием традиционных методов анализа восстанавливающего сахара, таких как метод Нельсона-Симоджи.
Эти субстраты можно подразделить на два класса -
Колориметрические и флуориметрические субстраты целлюлазы можно использовать в присутствии вспомогательной β-глюкозидазы для специфического измерения активности эндоцеллюлазы Недавно были разработаны новые реагенты, позволяющие проводить специфические измерения эндоцеллюлазы. 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.
