Кіріспе

Энзимдер класы Целлюлаза (; жүйелік атауы 4 β D глюкан 4 глюканогидролаза) – негізінен саңырауқұлақтар, бактериялар және протозоялар өндіретін бірнеше ферменттердің бірі, олар целлюлозаның және кейбір туысқан полисахаридтердің ыдырауын катализдейді: целлюлозада, лихенде және астық β D глюканында (1→4) β D глюкозидтік байланыстардың эндогидролизі. Аталған ферменттердің табиғи түрде кездесетін қоспалары немесе кешендері де осы атаумен белгіленеді, олар сериялы немесе синергиялық түрде клеткалық материалды ыдыратуға қатысады. Целлюлазалар целлюлоза молекуласын β глюкозаға немесе қысқа полисахаридтер мен олигосахаридтер сияқты моносахаридтерге ("қарапайым қанттарға") дейін бөледі. Целлюлозаның ыдырауы экономикалық тұрғыдан маңызды, себебі ол өсімдіктердің негізгі құрауышын тұтынуға және химиялық реакцияларда пайдалануға мүмкіндік береді. Бұл процестегі нақты реакция – целлюлоза, гемицеллюлоза, лихенин және астық β D глюкандарындағы 1,4 β D гликозидтік байланыстардың гидролизі. Целлюлоза молекулалары бір-бірімен күшті байланысқандықтан, целлюлозаның ыдырауы, мысалы, крахмал сияқты басқа полисахаридтердің ыдырауымен салыстырғанда, қиынға соғады. Көптеген сүтқоректілердің целлюлоза сияқты диеталық талшықтарды өздері қорыту қабілеті өте шектеулі. Көптеген шөппен қоректенетін жануарларда, мысалы, ірі қара мен қой сияқты кепшік қарынды жануарлар мен жылқы сияқты ішек ішегінде ашытуға қабілетті жануарларда целлюлазалар симбиоздық бактериялар арқылы өндіріледі. Эндогенді целлюлазаларды жануарлардың кейбір түрлері, мысалы, кейбір термиттер, бүлдіргендер және құрттар өндіреді. Жақында целлюлазалар жасыл микробалдырларда (Chlamydomonas reinhardtii, Gonium pectorale және Volvox carteri) табылған, ал олардың GH9 туысына жататын каталитикалық домендері (CD) метазоандық эндогенді целлюлазалармен ең жоғары реттілік гомологияны көрсетеді. Бактериялық целлюлазалар модульдік құрылымға ие, кейбір түрлерінде Ig-ға ұқсас және белгісіз домендерден басқа, цистеинге бай жаңа көмірсутекті байланыстыру модульдері (CBM), пролин/серинге (PS) бай линкерлер болады. Gonium pectorale-ден алынған целлюлаза екі CD-дан тұрады, олар линкерлермен бөлінген және C-терминальды CBM-мен жабдықталған. Құрылымдық және механизмдік тұрғыдан ерекшеленетін целлюлазалардың бірнеше түрлері белгілі. "Целлюлаза" атауымен байланысты синонимдер, туындылар және нақты ферменттер: эндо 1,4 β D глюканаза (β 1,4 глюканаза, β 1,4 эндоглюкан гидролаза, эндоглюканаза D, 1,4 (1,3;1,4) β D глюкан 4 глюканогидролаза), карбоксиметил целлюлаза (CMCase), авицелаза, целлюдекстриназа, целлюлаза А, целлюлозин АП, сілтілі целлюлаза, целлюлаза А 3, 9,5 целлюлаза, целлюксилаза және панцеллаза SS. Лигнинді ыдыратуға қатысатын ферменттер кейде целлюлаза деп аталады, бірақ бұл ескі қолданыс қолданыстан шығып қалған; олар лигнинді өзгертетін ферменттер.

Құрылымы

Көптеген саңырауқұлақтың целлюлаздары екі домендік құрылымға ие, олардың бірі каталитикалық домен, екіншісі – целлюлозаға байланысатын домен, және олар икемді байланыс арқылы қосылған. Бұл құрылым ерімейтін субстратпен жұмыс істеуге бейімделген, сондай-ақ ферменттің бетінде құрт сияқты қозғалып, екі өлшемді таралуына мүмкіндік береді. Дегенмен, целлюлозаға байланысатын домендері жоқ целлюлазалар (көбінесе эндоглюканазалар) да кездеседі. Субстраттарды байланыстыру да, катализ де ферменттің үш өлшемді құрылымына байланысты, ол белоктың бүктелу деңгейімен анықталады. Аминқышқылдарының тізбегі және белсенді орындағы олардың орналасуы (субстрат байланысатын жер) лигандтардың байланысу туыстығы, активті орында субстраттарды тұрақтандыру және катализ сияқты факторларға әсер етуі мүмкін. Субстраттың құрылымы ферменттің белсенді орынының құрылымымен толық сәйкес келеді. Қалдықтардың орналасуының өзгеруі осы өзара әрекеттесулердің бірін немесе бірнешеуін бұрмалауы мүмкін. Температура, pH және металл иондары сияқты қосымша факторлар фермент құрылымы арасындағы ковалентті емес өзара әрекеттесуге әсер етеді. Thermotoga maritima түріндегі целлюлазалар белсенді орын болып табылатын орталық каталитикалық аймақты қоршап тұратын 2 β-жапырақтан (белок құрылымдарынан) тұрады. Фермент эндоглюканаза ретінде жіктеледі, ол целлюлоза тізбектеріндегі β 1,4-гликозидтік байланыстарды іштен кесіп, полимердің одан әрі ыдырауын жеңілдетеді. T. maritima тұқымдасына жататын әртүрлі түрлер әртүрлі құрылымдағы целлюлазаларды жасайды. Бұл ферменттер карбоксиметилцеллюлоза субстратын гидролиздейді. Субстраттың белсенді орындағы байланысы молекуланың ыдырауына мүмкіндік беретін конформациялық өзгеріске әкеледі.

Ұялы клеткалар кешендері

Көптеген бактерияларда, тірі организмде (in vivo) целлюлазалар – бұл супермолекулалық кешендерде ұйымдастырылған күрделі ферменттік құрылымдар, яғни целлюлозомалар. Олар құрамында эндоцеллюлазаларды, экзоцеллюлазаларды, целлобазаларды, тотығу целлюлазаларын және целлюлоза фосфорилазаларын көрсететін бес түрлі ферменттік кішібірліктерді қамти алады, бірақ олармен шектелмейді. Бұл процесте экзоцеллюлазалар мен целлобазалар ғана β(1→4) байланысының гидролизіне қатысады. Целлюлозома құрамына кіретін кішібірліктердің саны ферменттік белсенділіктің жылдамдығын анықтайды. Көп доменді целлюлазалар көптеген таксономиялық топтарда кең таралған, бірақ анаэробты бактериялардан алынған целлюлазалар целлюлозомаларда кездеседі және әртүрлі модульдерден тұратын ең күрделі архитектураға ие. Мысалы, Clostridium cellulolyticum 13 GH9 модульді целлюлазаларды шығарады, олардың құрамында каталитикалық доменнің (CD), көмірсуларды байланыстыру модулінің (CBM), докериннің, линкердің және Ig-тәрізді доменнің әртүрлі саны мен орналасуы бар. Мысалы, Trichoderma reesei целлюлаза кешені кристалды целлюлоза тізбектерін бөлетін C1 (57 000 дальтон) компонентінен, эндоглюканазадан (шамамен 52 000 дальтон), экзоглюканазадан (шамамен 61 000 дальтон) және β-глюкозидазадан (76 000 дальтон) тұрады. Целлюлозома өндіретін бактериялардың геномдарында докериндер және кохезиндер деп аталатын көптеген "ерекше" тізбектер анықталды. Аминқышқылдық тізбегі мен үшіншілік құрылысына байланысты целлюлазалар кландар мен отбасыларға бөлінеді. Көп модульді целлюлазалар, фермент пен целлюлозалық субстраттың жақын орналасуына байланысты синергия нәтижесінде, тек CD-дан тұратын бос ферментке қарағанда тиімдірек. CBM целлюлозамен байланысуға қатысады, ал гликозильді линкерлер CD-ға жоғары белсенділік пен протеазадан қорғауды, сондай-ақ целлюлоза бетіне байланыстылығын арттырады. Целлюлазаның бета-глюкозидаза белсенділігінің толық сипаттамасы.

Қолданылуы

Целлюлаза коммерциялық мақсатта кофе өңдеуде қолданылады. Ол бұршақтарды кептіру кезінде целлюлозаның гидролизін жүзеге асырады. Сонымен қатар, целлюлазалар тоқыма өнеркәсібінде және кір жуғыш құралдарда кеңінен қолданылады. Олар қағаз және целлюлоза өнеркәсібінде түрлі мақсаттарда қолданылады, тіпті фармацевтикалық салаларда да пайдаланылады. Целлюлаза биомассаны биоотынға айналдыру процесінде қолданылады, бірақ бұл әдіс әзірге тәжірибелік сипатта. Целлюлаза медицинада фитобезоарларды – адам асқазанында кездесетін целлюлоза безоарларының бір түрін – емдеу үшін қолданылады, сондай-ақ ол полимикробты бактериялық биоқабықшаларды құрамындағы β(1 4) гликозидтік байланыстарды гидролиздеу арқылы ыдыратуда тиімді екенін көрсетті.

Өлшем

Целлюлоза – табиғи субстрат болатын және суда ерімейтін полимер екендігіне байланысты, осы субстратты қолданатын дәстүрлі қанттарды азайту әдістерін целлюлаза активтілігін өлшеу үшін пайдалануға болмайды. Аналитикалық ғалымдар бірнеше балама әдістерді әзірледі. DNSA әдісі Целлюлаза активтілігі 0,5 мл үстіңгі сұйықтықты 0,5 мл 1% карбоксиметилцеллюлозамен (CMC) 0,05 М цитрат буферінде (pH 4,8) 50°C температурада 30 минут бойы инкубациялау арқылы анықталды. Реакция 3 мл динитросалицил қышқылы реагентін қосу арқылы тоқтатылды. Сіңіру 540 нм толқын ұзындығында өлшенді. Целлюлаза үлгісімен инкубацияланғанда карбоксиметилцеллюлоза сияқты суда еритін целлюлоза туындысын қамтитын ерітіндінің тұтқырлығының төмендеуін өлшеу үшін вискозиметрді қолдануға болады. Тұтқырлықтың төмендеуі целлюлаза активтілігіне тікелей пропорционал. Мұндай талдаулар эндоцеллюлазаға өте сезімтал және ерекше (экзо-әрекетті целлюлаза ферменттері тұтқырлықта аз немесе ешқандай өзгеріс тудырмайды), бірақ олардың қолданылуы энзимдік бірліктерде (минутына гидролизделген микромоль субстрат немесе түзілген өнім) активтілікті анықтаудағы қиындықтармен шектеледі.

Цельолигосахаридтер субстраттары

Төменгі ДП клеткалық олигосахаридтер (ДП2-6) суда жеткілікті мөлшерде ерігіш, сондықтан целлюлаза ферменттері үшін қолданылатын субстраттар ретінде тамаша жағдайға ие. Дегенмен, бұл субстраттар өзі "тотығу қанттары" болғандықтан, оларды дәстүрлі тотығу қантының сынақтарында қолдануға болмайды, себебі олар жоғары "негізгі" мәнді көрсетеді. Алайда, олардың целлюлазамен катализденетін гидролизі HPLC немесе иондық хроматография (IC) әдістерімен бақыланып, нақты целлюлаза ферментінің субстратқа қажеттіліктері туралы маңызды мәліметтер алуға мүмкіндік береді.

Кемелдік олигосахаридтер субстраттары

Келло олигосахаридтерін натрий борогидридінің әсерімен химиялық түрде тотығуын төмендетуге болады, нәтижесінде тиісті қант спирттері алынады. Бұл қосылыстар қанттарды анықтау сынақтарында реакцияға түспейді, бірақ олардың гидролизденген өнімдері түседі. Осы себепті, борогидридпен тотығуын төмендетілген келло олигосахаридтері Нельсон-Симоги әдісі сияқты дәстүрлі қанттарды анықтау әдістерін қолдана отырып, целлюлаза ферментін сынау үшін құнды субстраттар болып табылады.

Ферментпен қосылған реагенттер

Жақында эндоцеллюлазаны нақты өлшеуге мүмкіндік беретін жаңа реагенттер әзірленді. Бұл әдістер көмекші ферменттің қатысуымен функционалдық олигосахарид субстраттарын пайдалануды қамтиды. Көрсетілген мысалда целлюлаза ферменті целлюлозаның трисахарид фрагментін таниды және осы бірлікті кесіп бөле алады. Реагент қоспасындағы қосалқы фермент (β-глюкозидаза) хромофор немесе флюорофор бар фрагментті гидролиздейді. Талдау энзималық реакцияны тоқтату үшін және босатылған фенолдық қосылысты депротондырып, фенолят түрін жасау үшін негізгі ерітінді қосылуымен аяқталады. Белгілі бір сынаманың целлюлаза белсенділігі босатылған фенолят мөлшеріне тікелей пропорционалды, оны спектрофотометрмен өлшеуге болады. Трисахарид субстратының тотыққан емес ұшындағы ацетальді функционализация көмекші β-глюкозидазаның бастапқы субстратқа әсер етуіне кедерес жасайды.