Микробный синтез на основе целлюлозы: белок и другие ценные продукты - Лобанок А.Г.
ISBN 5-343-00283-8
Скачать (прямая ссылка):
По современным представлениям, гидролиз целлюлозы происходит под действием полиферментной системы или целлюлаз-ного комплекса и конечным продуктом гидролитического расщепления целлюлозы является глюкоза. Различают четыре основных индивидуальных компонента целлюлазных комплексов: эндоглюканаза (КФ 3.2.1.4), целлобиогидролаза (КФ 3.2.1.91), экзоглюкогидролаза (КФ 3.2.1.74) и целлобиаза (КФ 3.2.1.21). Число индивидуальных целлюлолитических ферментов и их разнообразных форм, входящих в состав целлюлазного комплекса, различно и зависит от источника целлюлазы (Клесов и др., 1985а).
38
Имеются данные, что эндоглюканаза Trichoderma reesei непосредственно действует на исходную нерастворимую целлюлозу с образованием глюкозы и целлобиозы. Целлобиогидролаза образует целлобиозу непосредственным действием на исходную целлюлозу и на промежуточные нерастворимые целлоолигосахариды (продукты действия эндоглюканазы). Полагают, что целлобио-гидролазе принадлежит ключевая роль при гидролизе микрокристаллической целлюлозы (МКЦ) (Клесов и др., 1985). Целлобио-
Рис. 4. Общая схема ферментативного гидролиза карбокси-метилцеллюлозы (Клесов и др.,
1985а; Рабинович, 1987): S —
исходная молекула субстрата,
Gn — целлодекстрины, G2 — целлобиоза, G — глюкоза, Ei—
Е4 — соответственно эндоглюканаза, целлобиогидролаза, цел-лобиаза, экзоглюкогидролаза
гидролаза, по мнению Клесова и др. (1985), в процессе гидролиза многих видов нерастворимой целлюлозы образует до 80% глюкозы и 80—90% целлобиозы. В тех целлюлазных комплексах, где целлобиогидролаза отсутствует (например, у микроскопических грибов рода Aspergillus), ее каталитическую роль выполняет эндоглюканаза, что приводит к существенно меньшему образованию глюкозы и в целом к заметному снижению эффективности ферментативного гидролиза целлюлозы.
Общая схема ферментативного гидролиза растворимой кар-бокспметилцеллюлозы, по Клесову и др. (1985а) и Рабиновичу (1987), представляется в виде серии последовательно-параллельных реакций, в каждой из которых может работать несколько ферментов (рис. 4).
Рабиновичем (1987) выявлена доминирующая роль иецелло-биазного пути образования глюкозы при ферментативном гидролизе растворимых производных целлюлазными компонентами ряда грибов. Обнаружено специфическое свойство сорбирующихся целлюлаз диспергировать целлюлозные частицы. На основании этого сделан вывод о существовании у прочно сорбирующихся частиц некаталитических функций поверхностно-активных веществ, способствующих диспергированию целлюлозы. Автор предполагает, что деградация высокоупорядоченной целлюлозы есть результат совместного действия прочно и слабо сорбирующихся целлюлаз, причем основная роль принадлежит первым. Прочно сорбирующиеся эндоглюканазы разрушают наибольшее число внешних аморфных областей, соединяющих отдельные микрокристаллиты, и образуют дефекты, заполняемые сильно сорбирующимися целлобиогидролазами.
39
Под действием прочно сорбирующихся ферментов, концентрирующихся и диффундирующих в глубь дефектов, расширяемых как за счет гидролиза, так и механическим путем, происходит диспергирование, расслаивание микрокристаллитов с понижением их поперечной упорядоченности и высвобождением внутренних неупорядоченных областей. Слабо сорбирующиеся эндоглюканазы и целлобиогидролазы активно работают на вновь образующейся поверхности. При этом эндоглюканазы действуют на аморфные области либо вблизи концов молекул, уложенных в микрокристаллиты. По мнению Рабиновича, в противоположность установившейся точке зрения воздействие эндоглюканаз на глико-зпдные связи, лежащие в кристаллических областях, невозможно.
Moloney, Coughlau (1983) показано, что адсорбция целлю-лазных компонентов Tataromyces emersonii на целлюлозе возрастает при увеличении температуры (от 4 до 45 или 60 °С) и pH (от 3,8 до 5,8). Скорость десорбции всех компонентов возрастает при повышении температуры от 60 до 65 °С. Ферментативная деструкция субстрата способствует переходу компонентов из комплекса в жидкую фазу.
Получены доказательства существования двух форм эндоцеллюлазной активности у Agaricus bisporus (Manning, ¦Wood, 1983). Одна из них сильно сорбируется на целлюлозе и преобладает в культурах с низким содержанием целлюлозы, а в культурах с высоким содержанием целлюлозы преобладает форма целлюлозы, которая не адсорбируется.
При исследовании очищенных ферментов Eupenicillium javanicum установлен различный характер сорбции целлюлаз. Matsuno et al. (1986) пришли к заключению, что стадия быстрой адсорбции соответствует связыванию целлюлаз на наружной поверхности пучков микрофибрилл целлюлозы, а на стадии медленной адсорбции происходит проникновение целлюлаз во внутренней области пучков микрофибрилл.
Hiroshi et al. (1986) установили, что неионные амфотерные и катионные поверхностно-активные вещества усиливают осаха-ривание целлюлозы целлюлазами Trichoderma viride. Наиболее эффективное из них Твин 20, по мнению авторов, действует главным образом на гидролиз кристаллической целлюлозы и нарушает адсорбцию эндоглюканазы на целлюлозе, что выражается в увеличении скорости гидролиза субстрата. Гусаковым и др. (1986) обнаружен эффект обратимой инактивации целлюлолитических ферментов, образующих целлобиозу, при их сорбции на поверхность субстрата. Предполагается, что путем устранения диффузии целлюлаз в целлюлозные фибриллы, где каталитическое действие целлюлоз ингибируется, можно сохранить скорость гидролиза на высоком уровне (Tanaka et al., 1986).
