Введение
Экзофермент, или внеклеточный фермент, – это фермент, который секретируется клеткой и функционирует за пределами этой клетки. Экзоферменты производятся как прокариотическими, так и эукариотическими клетками и доказали свою важную роль во многих биологических процессах. Чаще всего эти ферменты участвуют в расщеплении крупных макромолекул. Расщепление этих макромолекул необходимо для того, чтобы их компоненты могли пройти через клеточную мембрану и попасть внутрь клетки. У человека и других сложных организмов этот процесс наиболее ярко выражен в пищеварительной системе, которая расщепляет твердую пищу с помощью экзоферментов. Мелкие молекулы, образующиеся в результате активности экзоферментов, поступают в клетки и используются для различных клеточных функций. Бактерии и грибы также производят экзоферменты для переваривания питательных веществ в окружающей среде, и эти организмы можно использовать для проведения лабораторных анализов с целью выявления наличия и функций таких экзоферментов. Другая важная роль микробных экзоферментов заключается в поддержании естественной экологии и биоремедиации наземных и морских сред.
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.
История
Очень мало информации доступно о первоначальном открытии экзоферментов. Согласно словарю Merriam-Webster, термин "экзофермент" впервые зафиксирован в английском языке в 1908 году. Считается, что книга "Внутриклеточные ферменты: курс лекций по физиологии" Горация Вернона является первой публикацией, в которой этот термин был использован в том же году. Исходя из содержания книги, можно предположить, что первыми известными экзоферментами были пепсин и трипсин, поскольку Вернон упоминает, что оба этих фермента были открыты учеными Брике и Кине до 1908 года.
Функция
В бактериях и грибах экзоферменты играют неотъемлемую роль, позволяя организмам эффективно взаимодействовать с окружающей средой. Многие бактерии используют пищеварительные ферменты для расщепления питательных веществ в окружающей среде. После расщепления эти питательные вещества поступают в бактерию, где используются для обеспечения клеточных путей с помощью эндоэнзимов. Многие экзоферменты также используются как факторы вирулентности. Патогены, как бактериальные, так и грибковые, могут использовать экзоферменты в качестве основного механизма для вызывания заболеваний. Метаболическая активность экзоферментов позволяет бактериям проникать в организмы-хозяева, разрушая защитные внешние слои клеток хозяина или вызывая некроз тканей более крупных организмов. Многие грамотрицательные бактерии обладают инъекцисомами, или структурами, похожими на жгутики, для непосредственной доставки вирулентного экзофермента в клетку хозяина с использованием системы секреции третьего типа. В любом из этих случаев патогены могут атаковать структуру и функцию клетки хозяина, а также её нуклеиновую ДНК. В эукариотических клетках экзоферменты синтезируются, как и любые другие ферменты, посредством синтеза белка и транспортируются по секреторному пути. После прохождения через шероховатый эндоплазматический ретикулум они обрабатываются в аппарате Гольджи, где упаковываются в везикулы и высвобождаются из клетки. У человека большинство таких экзоферментов можно найти в пищеварительной системе и используются для метаболического расщепления макронутриентов посредством гидролиза. Расщепление этих питательных веществ обеспечивает их включение в другие метаболические пути.
гиалуронидаза
Подобно коллагеназе, гиалуронидаза позволяет патогену проникать глубоко в ткани. Бактерии, такие как Clostridium, используют этот фермент для разрушения коллагена и гиалуроновой кислоты – белка и полисахаридов, соответственно – которые скрепляют ткани.
Гемолизины
Гемолизины атакуют эритроциты, также известные как красные кровяные клетки. Повреждение и разрушение этих клеток вредит организму-хозяину и предоставляет микроорганизму, например, грибу Candida albicans, источник железа из высвобожденного гемоглобина. Микроорганизмы могут быть альфа-гемолитическими, бета-гемолитическими или гамма-гемолитическими (негемолитическими).
Амилазы
Амилазы – это группа внеклеточных ферментов (гликозидные гидролазы), катализирующих гидролиз крахмала до мальтозы. Эти ферменты классифицируются на три класса в зависимости от аминокислотных последовательностей, механизма реакции, метода катализа и структуры. К различным классам амилаз относятся α-амилазы, β-амилазы и глюкоамилазы. α-амилазы гидролизуют крахмал, случайным образом разрывая 1,4-α-D-гликозидные связи между звеньями глюкозы, β-амилазы расщепляют нередуцирующие концы цепей компонентов крахмала, таких как амилоза, а глюкоамилазы гидролизуют молекулы глюкозы с концов амилозы и амилопектина. Амилазы – это важнейшие внеклеточные ферменты, которые встречаются у растений, животных и микроорганизмов. У человека амилазы выделяются поджелудочной железой и слюнными железами, и оба источника фермента необходимы для полного гидролиза крахмала.
Липопротеиновая липаза
Липопротеиновая липаза (ЛПЛ) – это тип пищеварительного фермента, который способствует регулированию поглощения триацилглицеролов из хиломикронов и других липопротеинов низкой плотности жировыми тканями организма. Ее экзоэнзимная функция позволяет расщеплять триацилглицерол на две свободные жирные кислоты и одну молекулу моноацилглицерола. ЛПЛ обнаруживается в эндотелиальных клетках жировых тканей, таких как жировая, сердечная и мышечная, и ее активность повышается при высоком уровне глюкагона и адреналина. Пектиназы можно классифицировать на две группы в зависимости от их действия на галактуроновую основу пектина: деэстерифицирующие и деполимеризующие. Эти экзоферменты встречаются как у растений, так и у микроорганизмов, включая грибы и бактерии. Пектиназы чаще всего используются для расщепления пектиновых веществ, содержащихся в растениях и продуктах растительного происхождения.
Пепсин
Пепсин был открыт в 1836 году и стал одним из первых ферментов, классифицированных как экзофермент. Под воздействием импульса блуждающего нерва пепсиноген секретируется в желудок, где смешивается с соляной кислотой, образуя пепсин. После активации пепсин расщепляет белки в продуктах питания, таких как молочные продукты, мясо и яйца. Этот фермент отвечает за расщепление крупных глобулярных белков, а его активность специфична для отщепления C-терминальных участков остатков аминокислот аргинина и лизина. При секреции в тонкую кишку он взаимодействует с энтерокиназой, образуя активный трипсин. Благодаря своей роли в тонком кишечнике, трипсин проявляет оптимальную активность при pH 8.0.
Бактериальные анализы
Производство конкретного пищеварительного экзофермента бактериальной клеткой можно оценить с помощью посевов на чашках Петри. Бактерии высевают на агар и оставляют для инкубации. Выделение фермента в окружающую среду клетки приводит к разрушению макромолекулы на чашке. Если реакция не происходит, это означает, что бактерия не производит экзофермент, способный взаимодействовать с окружающей средой. Если реакция происходит, становится очевидным, что бактерия обладает экзоферментом, а то, какая макромолекула гидролизуется, определяет его специфичность.
Амилаза
Амилаза расщепляет углеводы на моно- и дисахариды, поэтому для этого анализа необходимо использовать крахмальный агар. После нанесения бактерий на агар, пластинку заливают раствором йода. Поскольку йод связывается с крахмалом, но не с продуктами его расщепления, в месте протекания реакции амилазы появится светлая область. *Bacillus subtilis* – бактерия, дающая положительный результат, как показано на рисунке. Одной из моделей производства биотоплива является использование смешанной популяции бактериальных штаммов или консорциума, совместно расщепляющих целлюлозные материалы до этанола посредством секреции экзоэнзимов, таких как целлюлазы и лакказы. Липазы – одни из наиболее востребованных экзоэнзимов в биотехнологии и промышленности. Липазы являются идеальными ферментами для этих применений, поскольку они обладают высокой селективностью, легко продуцируются и секретируются бактериями и грибами, их кристаллическая структура хорошо изучена, они не требуют кофакторов для ферментативной активности и не катализируют побочные реакции. Спектр применения липаз охватывает производство биополимеров, создание косметических средств, использование в качестве гербицида и эффективного растворителя. Целлюлазы, гемицеллюлазы и пектиназы – различные экзоэнзимы, вовлеченные в широкий спектр биотехнологических и промышленных процессов. В пищевой промышленности эти экзоэнзимы используются при производстве фруктовых соков, нектаров, пюре, а также для экстракции оливкового масла и многих других продуктов. Роль этих ферментов в пищевых приложениях заключается в частичном разрушении клеточных стенок растений и пектина. Помимо участия в производстве продуктов питания, целлюлазы применяются в текстильной промышленности для удаления избыточного красителя из денима, смягчения хлопчатобумажных тканей и восстановления яркости цвета хлопчатобумажных изделий. Помимо способности микроорганизмов переваривать и поглощать загрязнители, их секретируемые экзоэнзимы играют важную роль во многих стратегиях биоремедиации. Показано, что грибы являются жизнеспособными организмами для проведения биоремедиации и используются для дезактивации ряда загрязняющих веществ, включая полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), пестициды, синтетические красители, хлорофенолы, взрывчатые вещества, сырую нефть и многие другие. Хотя грибы способны разрушать многие из этих загрязнителей внутриклеточно, они также секретируют многочисленные окислительные экзоэнзимы, действующие внеклеточно. Важным аспектом роли грибов в биоремедиации является секреция этих окислительных экзоэнзимов из постоянно удлиняющихся кончиков гиф. Пластиковые отходы, включая полиуретаны, особенно трудно поддаются разложению, однако экзоэнзим, обнаруженный у грамотрицательной бактерии *Comamonas acidovorans*, способен разлагать полиуретановые отходы в окружающей среде.