Экзоферменттер – жасушадан тыс қызмет ететін ферменттер. Бұл про- және эукариотикалық жасушалардың маңызды бөлігі, макромолекулаларды ыдыратуға көмектеседі.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Экзофермент
Exoenzyme
Экзофермент, немесе клеткадан тыс фермент – бұл жасушадан секрецияланып, жасушадан тыс жерде қызмет ететін фермент. Экзоферменттер прокариоттық және эукариоттық жасушалардың екеуімен де өндіріледі және көптеген биологиялық процестердің маңызды құрауышы екені дәлелденген. Көбінесе бұл ферменттер ірі макромолекулаларды ыдыратуға қатысады. Бұл ірі макромолекулалардың ыдырауы олардың құрамдас бөліктерінің жасуша мембранасы арқылы өтіп, жасушаға енуіне мүмкіндік беру үшін өте маңызды. Адам және басқа күрделі организмдер үшін бұл процесс экзоферменттер арқылы қатты тамақты ыдырататын ас қорыту жүйесі арқылы ең жақсы сипатталады. Экзофермент қызметінің нәтижесінде пайда болған шағын молекулалар жасушаларға еніп, әртүрлі жасушалық функцияларды атқарады. Бактериялар мен саңырауқұлақтар да өз орталарындағы қоректік заттарды қорыту үшін экзоферменттер өндіреді, және бұл организмдерді осындай экзоферменттердің болуын және қызметін анықтау үшін зертханалық талдаулар жүргізуге пайдалануға болады. Микробтық экзоферменттердің тағы бір маңызды рөлі – құрлық және теңіз ортасының табиғи экологиясы мен биоремедиациясында.
An exoenzyme, or extracellular enzyme, is an enzyme that is secreted by a cell and functions outside that cell. Exoenzymes are produced by both prokaryotic and eukaryotic cells and have been shown to be a crucial component of many biological processes. Most often these enzymes are involved in the breakdown of larger macromolecules. The breakdown of these larger macromolecules is critical for allowing their constituents to pass through the cell membrane and enter into the cell. For humans and other complex organisms, this process is best characterized by the digestive system which breaks down solid food via exoenzymes. The small molecules, generated by the exoenzyme activity, enter into cells and are utilized for various cellular functions. Bacteria and fungi also produce exoenzymes to digest nutrients in their environment, and these organisms can be used to conduct laboratory assays to identify the presence and function of such exoenzymes. Another important role that microbial exoenzymes serve is in the natural ecology and bioremediation of terrestrial and marine environments.
Тарих
Экзоферменттердің бастапқы ашылуы туралы мәліметтер өте аз. "Мериам-Вебстер" сөздігінде "экзофермент" термині алғаш рет 1908 жылы ағылшын тілінде қолданылған. Гораций Вернонның "Ішкі жасуша ферменттері: Физиологиялық лекциялар курсы" кітабы сол жылы бұл сөзді алғаш пайдаланған жарияланым деп есептеледі. Кітаптағы мәліметтерге сүйенсек, алғашқы экзоферменттер пепсин мен трипсин болған деп болжауға болады, себебі Вернон бұл екеуін де 1908 жылға дейін Брике және Кине ғалымдары ашқандығын айтады.
Very limited information is available about the original discovery of exoenzymes. According to Merriam Webster dictionary, the term "exoenzyme" was first recognized in the English language in 1908. The book "Intracellular Enzymes: A Course of Lectures Given in the Physiological," by Horace Vernon is thought to be the first publication using this word in that year. Based on the book, it can be assumed that the first known exoenzymes were pepsin and trypsin, as both are mentioned by Vernon to have been discovered by scientists Briike and Kiihne before 1908.
Функция
Бактериялар мен саңырауқұлақтарда экзоэнзимдер организмдердің қоршаған ортамен тиімді өзара әрекеттесуіне мүмкіндік беретін маңызды рөл атқарады. Көптеген бактериялар қоршаған ортадағы қоректік заттарды ыдырату үшін ас қорыту ферменттерін пайдаланады. Бұл қоректік заттар ыдырағаннан кейін бактерияға еніп, онда эндоэнзимдердің көмегімен жасушалық процестерді қамтамасыз етуге қолданылады. Көптеген экзоэнзимдер сондай-ақ вируленттілік факторлары ретінде де қолданылады. Патогендер, бактериялар да, саңырауқұлақтар да, экзоэнзимдерді ауру тудырудың негізгі механизмі ретінде пайдалана алады. Экзоэнзимдердің метаболизмі бактерияға иесінің жасушаларының қорғаныш сыртқы қабаттарын бұзу арқылы немесе ірі организмдердің тіндерін некроздау арқылы иесінің денесіне енуге мүмкіндік береді. Көптеген грам-теріс бактерияларда инъектизомалар немесе флагельге ұқсас проекциялар болады, олар үшінші типті секреция жүйесі арқылы вирулентті экзоэнзимді тікелей иесінің жасушасына жеткізеді. Кез келген процесте патогендер иесінің жасуша құрылымы мен функциясына, сондай-ақ оның ДНК-сына шабуыл жасай алады. Эукариоталық жасушаларда экзоэнзимдер басқа ферменттер сияқты ақуыз синтезі арқылы өндіріледі және секреторлық жолмен тасымалданады. Қабықты эндоплазмалық тор арқылы өткеннен кейін олар Гольджи аппараты арқылы өңделеді, онда олар көпіршіктерге жиналады және жасушадан шығарылады. Адамдарда мұндай экзоэнзимдердің көпшілігі ас қорыту жүйесінде кездеседі және гидролиз арқылы макроэлементтердің метаболизмін ыдырату үшін қолданылады. Бұл қоректік заттардың ыдырауы оларды басқа метаболизмік жолдарға енгізуге мүмкіндік береді.
In bacteria and fungi, exoenzymes play an integral role in allowing the organisms to effectively interact with their environment. Many bacteria use digestive enzymes to break down nutrients in their surroundings. Once digested, these nutrients enter the bacterium, where they are used to power cellular pathways with help from endoenzymes. Many exoenzymes are also used as virulence factors. Pathogens, both bacterial and fungal, can use exoenzymes as a primary mechanism with which to cause disease. The metabolic activity of the exoenzymes allows the bacterium to invade host organisms by breaking down the host cells' defensive outer layers or by necrotizing body tissues of larger organisms. Many gram negative bacteria have injectisomes, or flagella like projections, to directly deliver the virulent exoenzyme into the host cell using a type three secretion system. With either process, pathogens can attack the host cell's structure and function, as well as its nucleic DNA. In eukaryotic cells, exoenzymes are manufactured like any other enzyme via protein synthesis, and are transported via the secretory pathway. After moving through the rough endoplasmic reticulum, they are processed through the Golgi apparatus, where they are packaged in vesicles and released out of the cell. In humans, a majority of such exoenzymes can be found in the digestive system and are used for metabolic breakdown of macronutrients via hydrolysis. Breakdown of these nutrients allows for their incorporation into other metabolic pathways.
Гиалуронидаза
Коллагеназаға ұқсас гиалуронидаза патогенге тіндерге терең енуге көмектеседі. Clostridium сияқты бактериялар осы ферментті пайдаланып, тіндерді байланыстырып ұстайтын коллаген мен гиалурон қышқылын – сәйкесінше ақуыз бен сахаридтерді – ерітеді.
Similar to collagenase, hyaluronidase enables a pathogen to penetrate deep into tissues. Bacteria such as Clostridium do so by using the enzyme to dissolve collagen and hyaluronic acid, the protein and saccharides, respectively, that hold tissues together.
Гемолизиндер
Гемолизиндер эритроциттерге, яғни қызыл қан жасушаларын таңдап әсер етеді. Осы жасушаларға шабуыл жасап, оларды лиздейтін (жарып жіберу) әрекет мезбенге зиян келтіреді және Candida albicans сияқты микроорганизмдерге лизденген гемоглобиннен темір көзінің қамтамасыз етілуін қамтамасыз етеді. Микроорганизмдер альфа-гемолитикалық, бета-гемолитикалық немесе гамма-гемолитикалық (гемолитикалық емес) болуы мүмкін.
Hemolysins target erythrocytes, a. k. a. red blood cells. Attacking and lysing these cells harms the host organism, and provides the microorganism, such as the fungus Candida albicans, with a source of iron from the lysed hemoglobin. Organisms can either by alpha hemolytic, beta hemolytic, or gamma hemolytic (non hemolytic).
Амилязалар
Амилазалар – крахмалдың мальтозаға гидролизін катализдейтін клетка сырты ферменттерінің (гликозид гидролазалары) тобы. Бұл ферменттер аминқышқылдарының тізбегі, реакция механизмі, катализ әдісі және құрылымы негізінде үш классқа бөлінеді. Амилазалардың әртүрлі классқа жататындары – α-амилазалар, β-амилазалар және глюкоамилазалар. α-амилазалар глюкоза бірліктері арасындағы крахмалдың 1,4-α-D-глюкозидтік байланыстарын кездейсоқ үзіп, гидролиздейді, β-амилазалар крахмал компоненттерінің, мысалы амилозаның тотықпайтын тізбек ұштарын үзеді, ал глюкоамилазалар амилоза мен амилопектиннің ұштарынан глюкоза молекулаларын гидролиздейді. Амилазалар – өсімдіктерде, жануарларда және микроорганизмдерде кездесетін маңызды клетка сырты ферменттері. Адам организмінде амилазалар қуыс без және сілекей бездері арқылы шығарылады, крахмалдың толық гидролизі үшін осы ферменттердің екі көзі де қажет.
Amylases are a group of extracellular enzymes (glycoside hydrolases) that catalyze the hydrolysis of starch into maltose. These enzymes are grouped into three classes based on their amino acid sequences, mechanism of reaction, method of catalysis and their structure. The different classes of amylases are α amylases, β amylases, and glucoamylases. The α amylases hydrolyze starch by randomly cleaving the 1,4 a D glucosidic linkages between glucose units, β amylases cleave non reducing chain ends of components of starch such as amylose, and glucoamylases hydrolyze glucose molecules from the ends of amylose and amylopectin. Amylases are critically important extracellular enzymes and are found in plants, animals, and microorganisms. In humans, amylases are secreted by the pancreas and salivary glands, with both sources of the enzyme required for complete starch hydrolysis.
Липопротеин липазасы
Липопротеин липазасы (ЛПЛ) – организмдегі майлы тіндерден триацилглицеролдарды хиломикроннан және басқа да төмен тығыздықты липопротеиндерден сіңіруді реттеуге көмектесетін ас қорыту ферментінің бір түрі. Экзоэнзиматтық функциясы триацилглицеролдың екі бос май қышқылына және бір молекула моноацилглицеролға ыдырауына мүмкіндік береді. ЛПЛ майлы, жүрек және бұлшықет сияқты майлы тіндердің эндотелиялық жасушаларында табылады және глюкагон мен адреналиннің жоғары деңгейімен стимуляцияланады. Пектиназалар пектиннің галактуронан тірекшесіне қатысты әрекеттеріне байланысты екі түрге бөлінеді: деэстерификациялаушы және деполимерлеуші. Бұл экзоэнзимдер өсімдіктерде де, микроорганизмдерде де, оның ішінде саңырауқұлақтар мен бактерияларда да кездеседі. Пектиназалар көбінесе өсімдіктер мен өсімдік тектес өнімдерде кездесетін пектин элементтерін ыдырату үшін қолданылады.
Lipoprotein lipase (LPL) is a type of digestive enzyme that helps regulate the uptake of triacylglycerols from chylomicrons and other low density lipoproteins from fatty tissues in the body. The exoenzymatic function allows it to break down the triacylglycerol into two free fatty acids and one molecule of monoacylglycerol. LPL can be found in endothelial cells in fatty tissues, such as adipose, cardiac, and muscle. and upregulated by high levels of glucagon and adrenaline. Pectinases can be classified into two different groups based on their action against the galacturonan backbone of pectin: de esterifying and depolymerizing. These exoenzymes can be found in both plants and microbial organisms including fungi and bacteria. Pectinases are most often used to break down the pectic elements found in plants and plant derived products.
Пепсин
1836 жылы ашылған пепсин – экзофермент ретінде жіктелетін алғашқы ферменттердің бірі. Ваг нервінің импульсымен пепсиноген асқазанға секрецияланады, онда тұз қышқылымен араласып пепсинге айналады. Белсенділенгеннен кейін пепсин сүт өнімдері, ет және жұмыртқа сияқты тағамдардағы ақуыздарды ыдыратады. Бұл фермент үлкен, шар тәрізді ақуыздардың ыдырауына жауапты, ал оның активтілігі аргинин және лизин аминқышқылдарының С-терминалды бөліктерін кесуге қатысты. Кіші ішекке секрецияланғанда ол энтерокиназамен қосылып белсенді трипсинге айналады. Кіші ішектегі қызметіне байланысты трипсин 8,0 оптималды pH-та жұмыс істейді.
Discovered in 1836, pepsin was one of the first enzymes to be classified as an exoenzyme. With an impulse from the vagus nerve, pepsinogen is secreted into the stomach, where it mixes with hydrochloric acid to form pepsin. Once active, pepsin works to break down proteins in foods such as dairy, meat, and eggs. This enzyme is responsible for the breakdown of large globular proteins and its activity is specific to cleaving the C terminal sides of arginine and lysine amino acid residues. When secreted into the small intestine, it mixes with enterokinase to form active trypsin. Due to its role in the small intestine, trypsin works at an optimal pH of 8.0.
Бактериялық талдаулар
Бактериялық жасушаның белгілі бір ас қорыту экзоферментін өндіруін пластиналық талдаулар арқылы бағалауға болады. Бактериялар агар бетіне жайылып, инкубацияға қалдырылады. Жасушаның қоршаған ортасына фермент бөлінуі пластинадағы макромолекуланың ыдырауына себеп болады. Егер реакция болмаса, бактериялар қоршаған ортамен әрекеттесе алатын экзофермент өндірмейді дегенді білдіреді. Егер реакция жүрсе, бактерияда экзофермент бар екені анық болады, ал қай макромолекула гидролизделгені оның түрін анықтайды.
The production of a particular digestive exoenzyme by a bacterial cell can be assessed using plate assays. Bacteria are streaked across the agar, and are left to incubate. The release of the enzyme into the surroundings of the cell cause the breakdown of the macromolecule on the plate. If a reaction does not occur, this means that the bacteria does not create an exoenzyme capable of interacting with the surroundings. If a reaction does occur, it becomes clear that the bacteria does possess an exoenzyme, and which macromolecule is hydrolyzed determines its identity.
Амиляза
Амилаза көмірсуларды моно- және дисахаридтерге ыдыратады, сондықтан бұл сынақ үшін крахмал агары қолданылуы керек. Бактерия агарға егілгеннен кейін, табаққа йод құйылады. Йод крахмалмен байланысады, бірақ ыдыраған өнімдермен байланыспайды, сондықтан амилаза реакциясы өткен жерде ашық аймақ пайда болады. Bacillus subtilis – суретте көрсетілгендей, оң нәтиже беретін бактерия. Биоотын өндірісінің бір моделі – целлюлоза материалдарын этанолға ыдыратуды жеңілдету үшін жұмыс істейтін бактериялық штаммдардың аралас популяциясын немесе консорциумын пайдалану, мысалы, целлюлазалар мен лакказалар сияқты экзоэнзимдерді бөліп шығару. Липазалар биотехнологияда және өнеркәсіптік қолданыста ең көп қолданылатын экзоэнзимдердің бірі болып табылады. Липазалар осы қолданыстар үшін идеалды ферменттер, өйткені олар белсенділігі жағынан өте іріктелген, бактериялар мен саңырауқұлақтар оңай өндіріп, бөліп шығарады, олардың кристалдық құрылымы жақсы сипатталған, ферментативтік қызметі үшін кофакторлар қажет емес және жанама реакцияларды катализдемейді. Липазалардың қолданылу аясы биополимерлерді өндіруді, косметика жасауды, гербицид ретінде және тиімді еріткіш ретінде пайдалануды қамтиды. Целлюлазалар, гемицеллюлазалар және пектиназалар – биотехнологиялық және өнеркәсіптік қолданыстардың кең спектріне қатысатын әртүрлі экзоэнзимдер. Тамақ өнеркәсібінде бұл экзоэнзимдер жеміс шырындарын, жеміс нектарын, жеміс пюрелерін өндіруде, сондай-ақ зәйтүн майын алуда және тағы да көптеген салаларда қолданылады. Бұл ферменттердің тамақ өнімдеріндегі рөлі – өсімдік жасуша қабырғаларын және пектиннің ішінара ыдырауына көмектесу. Тамақ өндірісіндегі рөлінен басқа, целлюлазалар тоқыма өнеркәсібінде джинстен артық бояуды кетіру, мақта маталарын жұмсарту және мақта маталарының түсінің жарық болуын қалпына келтіру үшін қолданылады. Микроорганизмдердің ластағыштарды сіңіру және ыдырату қабілетіне қоса, олардың бөліп шығарған экзоэнзимдері көптеген биоремедиация стратегияларында маңызды рөл атқарады. Саңырауқұлақтар биоремедиацияны жүргізуге қабілетті организмдер екені көрсетілді және полициклді ароматты көмірсутектер (ПАҚ), пестицидтер, синтетикалық бояғыштар, хлорофенолдар, жарылғыш заттар, шикі мұнай және басқа да көптеген ластағыштарды залалсыздандыруға көмектеседі. Саңырауқұлақтар осы ластағыштардың көп бөлігін жасуша ішінде ыдырата алса да, олар жасушадан тыс жұмыс істейтін көптеген тотықтырғыш экзоэнзимдерді де бөліп шығарады. Биоремедиацияға қатысты саңырауқұлақтың маңызды ерекшелігі – олар осы тотықтырғыш экзоэнзимдерді үнемі ұзара түсетін гифа ұштарынан бөліп шығарады. Пластикалық қалдықтар, соның ішінде полиуретандарды ыдырату өте қиын, бірақ грам-теріс бактерия Comamonas acidovorans-та полиуретан қалдықтарын қоршаған ортада ыдырата алатын экзоэнзим анықталды.
Amylase breaks down carbohydrates into mono and disaccharides, so a starch agar must be used for this assay. Once the bacteria is streaked on the agar, the plate is flooded with iodine. Since iodine binds to starch but not its digested by products, a clear area will appear where the amylase reaction has occurred. Bacillus subtilis is a bacterium that results in a positive assay as shown in the picture. One model of biofuel production is the use of a mixed population of bacterial strains or a consortium that work to facilitate the breakdown of cellulose materials into ethanol by secreting exoenzymes such as cellulases and laccases. Lipases are one of the most used exoenzymes in biotechnology and industrial applications. Lipases make ideal enzymes for these applications because they are highly selective in their activity, they are readily produced and secreted by bacteria and fungi, their crystal structure is well characterized, they do not require cofactors for their enzymatic activity, and they do not catalyze side reactions. The range of uses of lipases encompasses production of biopolymers, generation of cosmetics, use as a herbicide, and as an effective solvent. Cellulases, hemicellulases and pectinases are different exoenzymes that are involved in a wide variety of biotechnological and industrial applications. In the food industry these exoenzymes are used in the production of fruit juices, fruit nectars, fruit purees and in the extraction of olive oil among many others. The role these enzymes play in these food applications is to partially breakdown the plant cell walls and pectin. In addition to the role they play in food production, cellulases are used in the textile industry to remove excess dye from denim, soften cotton fabrics, and restore the color brightness of cotton fabrics. In addition to the microorganisms ability to digest and absorb the pollutants, their secreted exoenzymes play an important role in many bioremediation strategies. Fungi have been shown to be viable organisms to conduct bioremediation and have been used to aid in the decontamination of a number of pollutants including polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs), pesticides, synthetic dyes, chlorophenols, explosives, crude oil, and many others. While fungi can breakdown many of these contaminants intracellularly, they also secrete numerous oxidative exoenzymes that work extracellularly. One critical aspect of fungi in regards to bioremediation is that they secrete these oxidative exoenzymes from their ever elongating hyphal tips. Plastic wastes including polyurethanes are particularly hard to degrade, but an exoenzyme has been identified in a Gram negative bacterium, Comamonas acidovorans, that was capable of degrading polyurethane waste in the environment.