Лигнолитический ферменты
Что такое ферменты?
Это органические вещества белковой природы, которые синтезируются в клетках и во много раз ускоряют протекающие в них реакции, не подвергаясь при этом химическим превращениям. Вещества, оказывающие подобное действие, существуют и в неживой природе и называются катализаторами. Ферменты (от лат. fermentum - брожение, закваска) иногда называют энзимами (от греч. en - внутри, zyme - закваска). Все живые клетки содержат очень большой набор ферментов, от каталитической активности которых зависит функционирование клеток. Практически каждая из множества разнообразных реакций, протекающих в клетке, требует участия специфического фермента. Изучением химических свойств ферментов и катализируемых ими реакций занимается особая, очень важная область биохимии - энзимология.
Многие ферменты находятся в клетке в свободном состоянии, будучи просто растворены в цитоплазме; другие связаны со сложными высокоорганизованными структурами. Есть и ферменты, в норме находящиеся вне клетки; так, ферменты, катализирующие расщепление крахмала и белков, секретируются поджелудочной железой в кишечник. Секретируют ферменты и многие микроорганизмы.
Первые данные о ферментах были получены при изучении процессов брожения и пищеварения. Большой вклад в исследование брожения внес Л.Пастер, однако он полагал, что соответствующие реакции могут осуществлять только живые клетки. В начале 20 в. Э.Бухнер показал, что сбраживание сахарозы с образованием диоксида углерода и этилового спирта может катализироваться бесклеточным дрожжевым экстрактом. Это важное открытие послужило стимулом к выделению и изучению клеточных ферментов. В 1926 Дж.Самнер из Корнеллского университета (США) выделил уреазу; это был первый фермент, полученный в практически чистом виде. С тех пор обнаружено и выделено более 700 ферментов, но в живых организмах их существует гораздо больше. Идентификация, выделение и изучение свойств отдельных ферментов занимают центральное место в современной энзимологии.
Ферменты, участвующие в фундаментальных процессах превращения энергии, таких, как расщепление сахаров, образование и гидролиз высокоэнергетического соединения аденозинтрифосфата (АТФ), присутствуют в клетках всех типов - животных, растительных, бактериальных. Однако есть ферменты, которые образуются только в тканях определенных организмов. Так, ферменты, участвующие в синтезе целлюлозы, обнаруживаются в растительных, но не в животных клетках. Таким образом, важно различать «универсальные» ферменты и ферменты, специфичные для тех или иных типов клеток. Вообще говоря, чем более клетка специализирована, тем больше вероятность, что она будет синтезировать набор ферментов, необходимый для выполнения конкретной клеточной функции[1].
Лигнин
Главными компонентами древесины всех видов являются три основных структурных полимера - целлюлоза, гемицеллюлозы и лигнин.
Лигнин - один из наиболее распространенных полимеров в природе. Он является обязательным компонентом всех высших сосудистых растений, начиная с папоротникообразных. У древесных форм содержание лигнина достигает 20 - 35% сухой массы ткани.
Лигнин - сложный трехмерный полимер, состоящий из производных фенилпропана, соединенных несколькими типами углерод-углеродных и эфирных связей.
Предложено несколько схем строения лигнина, одна из которых предполагает, что в клеточных стенках растений лигнины присутствуют в виде лигноуглеводных комплексов. Основная масса лигнина находится в толстой вторичной клеточной стенке, но его концентрация выше в срединных пластина, где лигнин цементирует растительные клетки, придавая жесткость и устойчивость растению.
Грибы, вызывающие разложение древесины, подразделяют на три основные группы: грибы белой гнили (базидиомицеты и некоторые актиномицеты), бурой гнили (базидиомицеты) и мягкой гнили (аскомицеты, несовершенные грибы).
Грибы белой гнили - наиболее распространенные разрушители древесины в природе. Их стратегией является разложение лигнина древесины, при этом они получают доступ к целлюлозе и гемицеллюлозам. Это единственные организмы, способные разлагать лигнин до углекислого газа и воды[2].
Биодеградация лигноцеллюлозных субстратов
лигнин субстрат аденозинтрифосфат фермент
Лигнин представляет собой вещество, которое не встречается в чистом виде и не может быть выделено неизменным, что создает определенные трудности в изучении лигнолитических ферментов. По мнению большинства исследователей, разложение лигнина преимущественно аэробный процесс, в анаэробных условиях лигнин может существовать очень долго. Аэробная деградация лигнина протекает с небольшой скоростью, причем окисление ароматических колец осуществляется в гораздо большей степени, чем расщепление связей между кольцами. Низкомолекулярные продукты биодеградации превращаются далее под действием микроорганизмов значительно быстрее, чем исходный лигнин. Среди этих микроорганизмов известны представители грибов Рhanerochaete, Trametes, Lentinus, бактерий Streptomyces, Bacillus, Pseudomonas.
Биологическое окисление лигнина осуществляется атмосферным кислородом и/ или пероксидом водорода с участием различных ферментов. Эти окислительные ферменты, во-первых, обычно выделяются клетками в окружающую среду и функционируют автономно; во-вторых, организм всегда синтезирует не один, а несколько окислительных ферментов, которые образуют внеклеточный лигнолитический ферментный комплекс (ВЛФК) [2].
Лигнолитический ферментный комплекс
ВЛФК грибов белой гнили включает: лакказу - мальтозосодержащуюфенолоксидазу и пероксидазы, при этом для разных грибов ключевым ферментом являются различные ферменты этого комплекса.
Исходя из набора трех ферментов выделены 5 групп грибов, вызывающих белую гниль, способных к расщеплению лигнина: 1) группа грибов с системой «легнинпероксидаза - Mn-пероксидаза»; 2) группа грибов с системой «Mn-пероксидаза - лакказа»; 3) группа грибов с системой «лакказа - лигнинпероксидаза»; 4) группа грибов с системой «лакказа - арилалкагольоксидаза»; 5) группа с системой «лакказа - Mn-пероксидаза - пероксидаза растительного типа».
Наиболее активные разрушители лигнина относятся к первой группе, хотя во второй группе также встречаются многие известные лигнинолитики. Представители третьей группы расщепляют синтетический лигнин лишь в слабой степени. Лигнинразрушающая способность грибов четвертой группы изучена пока недостаточно.
Пероксидаза. Показано, что пероксидаза из грибов, у которых отсутствует лигнинпероксидаза и Mn-пероксидаза, участвует в разрушении лигнина. Этот фермент обладает не только пероксидазными, но и оксидазными свойствами [2].
Применение
Разрушаясь, лигнин в качестве осколков дает ароматические альдегиды, например ванилин в ископаемой древесине, лигнитах. Из осколков лигнина за счет синтеза идет образование такого важного компонента, как гуминовые кислоты и родственные им соединения.
Гуминовые кислоты для растений являются важнейшим жизнеобеспечивающим элементом, необходимым для стимулирования роста растений, а также развития корневой системы, что дает возможность сильным корням проникать глубоко в почву, насыщаясь влагой даже в неимоверную засуху.
Но, увы, большая часть гуминовых кислот не растворяется в воде и находится в почве в связанном состоянии. При этом, корневая система каждого из растений способна употребить только растворы, способные растворяться в воде. Поэтому, вот уже более 50-ти лет назад было доказано, что в случае перевода гуминовой кислоты, которая и в обычном виде является высокоэффективным экологически чистым биостимулятором, в водорастворимые соли калия или натрия, то их эффективность и биологическая активность возрастает в тысячи раз. Вот эти самые соли и имеют название гуминовых удобрений, или гуматов, без которых сегодня невозможно представить процесс выращивания растений, вне зависимости от их назначения. Гуминовые удобрения оказывают комплексный эффект не только на рост растений и химико-физические свойства почвы, но и на биоценозы почвенных микроорганизмов. Кроме того, гуматы значительно повышают эффективность других минеральных удобрений, совместное применение с которыми приносит наиболее приемлемый результат [3].
Список использованных источников
[1]Теоретические и прикладные основы получения биокомпозиционных материалов с помощью биологических связующих: монография / В. В. Ревин, В. В. Шутова, Д. А. Кадималиев [и др.]. - Саранск : Изд-во Мордов. Ун-та, 2010. - С. 7-22.
[2]<http://www.krugosvet.ru/enc/nauka_i_tehnika/biologiya/FERMENTI.html>
[3] http://www.avitapro.com/guminovyye-kisloty/guminovyye-kisloty-dlya-rasteniy