เซลลูเป็นกลุ่มของเอนไซม์ที่ผลิตโดยพืชและจุลินทรีย์ต่างๆ "เซลลูโลส" เร่งปฏิกิริยาที่เกี่ยวข้องกับการย่อยสลายเซลลูโลสที่ polysaccharide ที่มีมากที่สุดในธรรมชาติ
โปรตีนเหล่านี้อยู่ในตระกูลของเอนไซม์ไกลโคซิดิกไฮโดรเลสหรือไกลโคซิลไฮโดรเลสเนื่องจากมีความสามารถในการไฮโดรไลซิงพันธะระหว่างหน่วยกลูโคสไม่เพียง แต่ในเซลลูโลสเท่านั้น แต่ยังรวมถึงβ-D-glucans บางชนิดที่มีอยู่ในธัญพืชด้วย
การแสดงกราฟิกของโครงสร้างโมเลกุลของเซลลูเลส (ที่มา: Jawahar Swaminathan และเจ้าหน้าที่ MSD ที่ European Bioinformatics Institute ผ่าน Wikimedia Commons)
การปรากฏตัวของมันในอาณาจักรสัตว์ได้รับการโต้แย้งและการย่อยเซลลูโลสโดยสัตว์ที่กินพืชเป็นอาหารเป็นผลมาจากจุลินทรีย์ในลำไส้ที่มีชีวิตร่วมกัน อย่างไรก็ตามจากการศึกษาล่าสุดพบว่าเอนไซม์นี้ผลิตโดยสัตว์ไม่มีกระดูกสันหลังเช่นแมลงหอยและไส้เดือนฝอยบางชนิด
เซลลูโลสเป็นส่วนสำคัญของผนังเซลล์ของสิ่งมีชีวิตในพืชทุกชนิดและยังเกิดจากสาหร่ายเชื้อราและแบคทีเรียบางชนิด เป็นโฮโมพอลิแซ็กคาไรด์เชิงเส้นที่มีน้ำหนักโมเลกุลสูงซึ่งประกอบด้วย D-glucopyranose ที่เชื่อมโยงด้วยพันธะβ-1,4
โพลีแซ็กคาไรด์นี้มีความทนทานทั้งทางกลและทางเคมีเนื่องจากประกอบด้วยโซ่คู่ขนานที่วางแนวในแกนตามยาวซึ่งมีความเสถียรโดยพันธะไฮโดรเจน
เนื่องจากพืชซึ่งเป็นผู้ผลิตเซลลูโลสหลักเป็นฐานของห่วงโซ่อาหารการมีอยู่ของเอนไซม์เหล่านี้จึงจำเป็นสำหรับการใช้เนื้อเยื่อเหล่านี้ดังนั้นเพื่อการดำรงชีวิตของสัตว์บกส่วนใหญ่ (รวมถึง จุลินทรีย์)
ลักษณะเฉพาะ
เซลลูเลสที่แสดงโดยจุลินทรีย์ส่วนใหญ่ทำหน้าที่เร่งปฏิกิริยาในเมทริกซ์นอกเซลล์และโดยทั่วไปแล้วสิ่งเหล่านี้ผลิตในปริมาณมากซึ่งใช้ในอุตสาหกรรมเพื่อวัตถุประสงค์หลายประการ
แบคทีเรียสร้างเซลลูเลสที่มีความซับซ้อนในปริมาณเล็กน้อยในขณะที่เชื้อราผลิตเอนไซม์เหล่านี้จำนวนมากซึ่งไม่ได้เชื่อมโยงกันเสมอไป แต่ทำหน้าที่ในการทำงานร่วมกัน
ขึ้นอยู่กับสิ่งมีชีวิตที่ศึกษาโดยเฉพาะอย่างยิ่งถ้าเป็นโปรคาริโอตและยูคาริโอตเส้นทาง "สารคัดหลั่ง" สำหรับเอนไซม์ประเภทนี้จะแตกต่างกันมาก
การจัดหมวดหมู่
เซลลูเลสหรือเอนไซม์เซลลูโลไลติกพบได้ในธรรมชาติเป็นระบบหลายเอนไซม์กล่าวคือสร้างคอมเพล็กซ์ที่ประกอบด้วยโปรตีนมากกว่าหนึ่งชนิด การจำแนกประเภทของพวกเขามักจะแบ่งพวกเขาออกเป็นสามกลุ่มที่สำคัญ:
- Endoglucanasesหรือendo-1,4-β-D-glucan glucanohydrolases : ที่ตัดที่ไซต์ "อสัณฐาน" แบบสุ่มในบริเวณภายในของโซ่เซลลูโลส
- Exoglucanases, cellobiohydrolasesหรือ1,4-β-D-glucan cellobiohydrolases : ซึ่งไฮโดรไลซ์ที่ปลายสายเซลลูโลสที่ลดและไม่ลดปล่อยกลูโคสหรือเซลลูโลสตกค้าง (กลุ่มกลูโคสที่เชื่อมโยงกัน)
- β-glucosidasesหรือβ-D-glucoside glucohydrolase : สามารถไฮโดรไลซิสที่ปลายเซลลูโลสที่ไม่ผ่านการรีดิวซ์และปล่อยกลูโคสตกค้าง
สารประกอบเชิงซ้อนหลายเอนไซม์ของเอนไซม์เซลลูเลสที่สิ่งมีชีวิตบางชนิดผลิตขึ้นเรียกว่าเซลลูโลสซึ่งเป็นส่วนประกอบแต่ละส่วนซึ่งยากต่อการระบุและแยกออกจากกัน แต่อาจสอดคล้องกับเอนไซม์ของทั้งสามกลุ่มที่อธิบายไว้
ภายในแต่ละกลุ่มของเซลลูเลสมีครอบครัวซึ่งรวมกลุ่มกันเนื่องจากมีลักษณะพิเศษบางอย่างร่วมกัน ครอบครัวเหล่านี้สามารถรวมกันเป็น "กลุ่ม" ซึ่งสมาชิกมีความแตกต่างกันในลำดับของพวกเขา แต่มีลักษณะโครงสร้างและลักษณะการทำงานร่วมกัน
โครงสร้าง
เอนไซม์เซลลูเลสเป็นโปรตีน "โมดูลาร์" ที่ประกอบด้วยโดเมนที่มีโครงสร้างและหน้าที่ไม่ต่อเนื่อง: โดเมนตัวเร่งปฏิกิริยาและโดเมนที่จับกับคาร์โบไฮเดรต
เช่นเดียวกับไกลโคซิลไฮโดรเลสส่วนใหญ่เซลลูโลสมีอยู่ในโดเมนตัวเร่งปฏิกิริยาซึ่งเป็นสารตกค้างของกรดอะมิโนที่ทำหน้าที่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยานิวคลีโอไทล์ที่มีประจุลบที่ pH ที่เหมาะสมสำหรับเอนไซม์และสารตกค้างอื่นที่ทำหน้าที่เป็นผู้บริจาคโปรตอน
สารตกค้างคู่นี้ขึ้นอยู่กับสิ่งมีชีวิตที่แสดงออกของเอนไซม์อาจเป็นสองแอสปาร์เตตสองกลูตาเมตหรือหนึ่งในแต่ละอย่าง
ในเชื้อราและแบคทีเรียหลายชนิดเซลลูโลสเป็นโปรตีนที่มีไกลโคซิเลตสูงอย่างไรก็ตามการศึกษาอิสระชี้ให้เห็นว่ากากคาร์โบไฮเดรตเหล่านี้ไม่ได้มีบทบาทสำคัญในการทำงานของเอนไซม์ของเอนไซม์เหล่านี้
เมื่อเซลลูโลสเชื่อมโยงกับรูปแบบเชิงซ้อนการบรรลุกิจกรรมของเอนไซม์ที่มากขึ้นในรูปแบบต่างๆของสารตั้งต้นเดียวกันสิ่งเหล่านี้สามารถมีหน่วยย่อยของเอนไซม์ที่แตกต่างกันได้ถึงห้าหน่วย
คุณสมบัติ
เอนไซม์ที่สำคัญเหล่านี้ผลิตขึ้นโดยเฉพาะโดยแบคทีเรียเซลลูโลไลติกและเชื้อรามีหน้าที่หลากหลายทั้งจากมุมมองทางชีววิทยาและอุตสาหกรรม:
ชีวภาพ
เซลลูโลสมีบทบาทพื้นฐานในเครือข่ายการย่อยสลายทางชีวภาพที่ซับซ้อนของเซลลูโลสและลิกโนเซลลูโลสซึ่งเป็นโพลีแซ็กคาไรด์ที่มีอยู่มากที่สุดในชีวมณฑล
เซลลูโลสที่ผลิตโดยจุลินทรีย์ที่เกี่ยวข้องกับระบบทางเดินอาหารของสัตว์ที่กินพืชเป็นอาหารหลายชนิดเป็นหนึ่งในตระกูลเอนไซม์ที่สำคัญที่สุดในธรรมชาติเนื่องจากสัตว์กินพืชทุกชนิดและสัตว์กินเนื้อที่เข้มงวดจะกินชีวมวลที่สัตว์เหล่านี้ดูดซึมเข้าไป
ตัวอย่างเช่นมนุษย์บริโภคอาหารที่มีต้นกำเนิดจากพืชและเซลลูโลสทั้งหมดที่มีอยู่ในสิ่งเหล่านี้ถือเป็น "เส้นใยดิบ" ต่อมาจะถูกกำจัดด้วยอุจจาระเนื่องจากไม่มีเอนไซม์สำหรับย่อยอาหาร
สัตว์เคี้ยวเอื้องเช่นวัวสามารถเพิ่มน้ำหนักและขนาดกล้ามเนื้อได้เนื่องจากการใช้คาร์บอนที่มีอยู่ในรูปของกลูโคสในเซลลูโลสเนื่องจากจุลินทรีย์ในลำไส้ของพวกมันมีหน้าที่ในการย่อยสลายของพืชผ่านกิจกรรมของเซลลูเลส .
ในพืชเอนไซม์เหล่านี้มีหน้าที่ในการย่อยสลายของผนังเซลล์เพื่อตอบสนองต่อสิ่งเร้าต่าง ๆ ที่เกิดขึ้นในขั้นตอนต่างๆของการพัฒนาเช่นการย่อยสลายและการสุกของผลไม้การละทิ้งใบและฝักเป็นต้น
ด้านอุตสาหกรรม
ในระดับอุตสาหกรรมเอนไซม์เหล่านี้ถูกผลิตขึ้นในปริมาณมากและใช้ในกระบวนการทางการเกษตรหลายอย่างที่เกี่ยวข้องกับวัสดุจากพืชและกระบวนการแปรรูป
ในบรรดากระบวนการเหล่านี้คือการผลิตเชื้อเพลิงชีวภาพซึ่งเซลลูโลสตอบสนองความต้องการเอนไซม์ในอุตสาหกรรมได้มากกว่า 8% เนื่องจากเอนไซม์เหล่านี้มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการผลิตเอทานอลจากเศษพืชจากแหล่งต่างๆ
นอกจากนี้ยังใช้ในอุตสาหกรรมสิ่งทอเพื่อวัตถุประสงค์หลายประการเช่นการผลิตอาหารสัตว์การปรับปรุงคุณภาพและ "ความสามารถในการย่อยได้" ของอาหารข้นหรือในระหว่างการแปรรูปน้ำผลไม้และแป้ง
ในทางกลับกันโปรตีนเหล่านี้ถูกนำไปใช้ในการผลิตน้ำมันเครื่องเทศโพลีแซ็กคาไรด์เพื่อการค้าเช่นวุ้นและเพื่อให้ได้โปรตีนจากเมล็ดพืชและเนื้อเยื่อพืชอื่น ๆ
อ้างอิง
- ไบเออร์, EA, Chanzyt, H. , Lamed, R. , & Shoham, Y. (1998) เซลลูโลสเซลลูโลสและเซลลูโลส ความคิดเห็นปัจจุบันทางชีววิทยาโครงสร้าง, 8, 548–557
- Dey, P. , & Harborne, J. (1977). ชีวเคมีของพืช. ซานดิเอโกแคลิฟอร์เนีย: สำนักพิมพ์วิชาการ
- Huber, T. , Müssig, J. , Curnow, O. , Pang, S. , Bickerton, S. , & Staiger, MP (2012) การทบทวนเชิงวิจารณ์ของคอมโพสิตเซลลูโลสทั้งหมด วารสารวัสดุศาสตร์, 47 (3), 1171-1186.
- Knowles, J. , & Teeri, T. (1987). ตระกูลเซลลูเลสและยีนของพวกมัน TIBTECH, 5, 255–261
- Nelson, DL, & Cox, MM (2009). Lehninger หลักการทางชีวเคมี Omega Editions (ฉบับที่ 5)
- Nutt, A. , Sild, V. , Pettersson, G. , & Johansson, G. (1998). เส้นโค้งความคืบหน้า ค่าเฉลี่ยสำหรับการจำแนกตามหน้าที่ของเซลลูเลส Eur J. Biochem , 258, 200–206
- ไรลี, พีเจ (2550). โครงสร้างและหน้าที่ของอะไมเลสและเซลลูเลส ใน S.-T. Yang (Ed.) การแปรรูปทางชีวภาพสำหรับผลิตภัณฑ์มูลค่าเพิ่มจากทรัพยากรหมุนเวียน (หน้า 119–130) Elsevier BV
- Sadhu, S. , & Maiti, TK (2013). การผลิตเซลลูเลสโดยแบคทีเรีย: บทวิจารณ์ British Microbiology Research Journal, 3 (3), 235–258.
- Watanabe, H. , & Tokuda, G. (2001). เซลลูเลสของสัตว์ Cellular and Molecular Life Sciences, 58, 1167-1178