Biodegradációs , bioremediációs eljárások bemutatása
II. RÉSZ
FEHÉRJE- és SZÉNHIDRÁTPOLIMEREK
Fontosabb fehérjék:
• albuminok (szérumalbumin, ovalbumin, laktalbumin)
• globulinok (szérumglobulin, fibrinogén, aktin, miozin)
• prolaminok, glutelinek (gliadin)
• hisztonok, protaminok
• szkleroproteinek (fibroin, kollagén, keratin)
• összetett fehérjék: foszfo-, kromo-, gliko-, lipo-, nukleoproteinek
Fehérjék és bontásuk
Fehérje, mint hulladék
• Élelmiszer ipar fejlődésének eredményeként
• Nem toxikus, de magas szervesanyag tartalma miatt veszélyes hulladéknak minősül
• Ált. nem hosszútávú probléma, kivétel vízben nem oldódó polimer formái, főleg keratin
• Naponta nagy mennyiségben keletk. Keratin alapú hulladék (toll, szőr)
– Kémiai megsemmisítés: savas hidrolizis
– Biológiai megsemmisítés keratináz enzimmel
• Potenciális szerves tápanyag (biomassza) takarmányokba, fermentációs alapanyagként érdemes hasznosítani
Toll, szőr
• A testsúly 5-7%-át is elérő mennyiségben jelenlévő, védő funkciót ellátó képletek
szerkezetüknek stabilnak, ellenállónak kell lennie
• Biotechnológiai szempontból érdekesek és fontosak, mivel potenciális tápanyagok, hiszen fehérje polimerek - keratin -, így aminosavak építik fel
• Hátrányuk, hogy nehezen emészthetők, valamint minimális mennyiségben van jelen bennük néhány esszenciális aminosav pl.: metionin, lizin, hisztidin és triptofán
• Az aminosav összetétel változik az állat korával
Keratin szerkezeti felépítése
Vízben oldhatatlan fehérje, ellenálló a legtöbb proteo-
litikus (keratinolitikus) enzim aktivitással szemben
A kiemelkedő haj/szőr rostok a kortikális sejtekből állnak, melyeket a kb.
10 nm-es keratin filamentek és az azokhoz kapcsolódó mátrix tölt ki.
A keratint felépítő fehérjék csoportosítása:
glicin-tirozin gazdag fehérjék (főleg a filamentek közötti mátrixban)
alacsony kéntartalmú fehérjék (filamenteket alkotják)
magas kéntartalmú fehérjék (mátrixban)
A fehérjékből felépülő filamentumok között, a nagyszámú cisztein aminosavaknak köszönhetően kénhidak jönnek létre. A polipeptidek között
kialakuló hidrogén kötések és hidrofób
kölcsönhatások, valamint a szupercsavart szerkezet stabilitása felelős a nagyfokú rezisztanciáért.
Hidrogén kötés
Diszulfid híd
Ionos kötés
Hidrofób- és van der Waals kölcsönhatások
Polipeptid váz
KERATIN BONTÁSA
MIKROORGANIZMUSOKKAL
A mikrobiális lebontó folyamat lassú a természetben
A nagy kéntartalom következtében csak kevés mikroorganizmus képes a keratin alapú hulladékokat hasznosítani – dermatofita gombák képesek szén- és nitrogénforrásként hasznosítani. Azóta számos mikroorganizmust azonosítottak, melyek hasznosítják a keratint: szaprofita- ill. parazita gombák, sugárgombák,
baktériumok
Az iparban nagy mennyiségben keletkező keratin alapú hulladék gyors eltávolítására van szükség
A fehérjék egyik leggyakoribb, és legfontosabb enzimatikus módosítása a peptidkötések proteolitikus hasítása
PROTEÁZOK
Poliszaharidok
Általános jellemzésük
• Poliszaharidok vagy glükánok sok monoszaharid egységből felépülő óriás molekulák
• Vízben nem oldódnak, vagy ha igen oldatuk kolloid tulajdonságokat mutat
• A legelterjedtebb természetes eredetű szénvegyületek
• Állatok, növények, mikroorganizmusok sejtjeiben különféle szerkezetű poliszaharidok, funkciójuk szerint
váz-, tartaléktápanyag szénhidrátok
Keményítő
A keményítő – poliszaharid növényi tápanyagraktár felépítése: D-glükóz - 4) kötés
- lineáris homopolimer (amilóz) és - elágazó homopolimer (amilopektin) keverék - hidrogénkötések erősítik a polimert
- Az amilopektin elágazásainak mértéke és az
amilóz : amilopektin arány a keményítő „korától”
és származásától függ
vízben oldódva kolloidális oldatot képez, s így enzimatikusan bontható Ipari alkalmazás: élelmiszer- és szeszipar (fruktóz-, glükóz ill. alkohol gyártás)
Keményítőt hasító enzimek: α-amiláz, glükoamiláz, glükóz izomeráz
Amilázok
-amiláz (α-1,4-D-glükán-glükonohidroláz):
– Endoenzim, véletlenszerűen hasítja a polimert, oligoszaharidok keletk., a hosszabb láncokat könnyebben bontja
– extracellulárisan fejti ki hatását, termék gátlás (glükóz) – Ca igény
– Hasznosítása: alkohol termelés, keményítő bontás
– Termelő fajok: Aspergillus niger, Bacillus subtilis, B. licheniformis, de megtalálható a nyálban, hasnyálmirigy is termeli, növényekben is
– A kül. eredetű enzimek sok tul-ban hasonlóak, de el is térnek egymástól (pH, hőm. opt)
-amiláz:
– nem redukáló láncvégekről hasít le maltózt – Stabilabb, nincs Ca igénye
– Egyes Streptomyces, Pseudomonas fajokban, növényekben
• Glükoamiláz:
– elágazásoknál hasít, de mindhárom féle hasítrásra képes – Termelő fajok: Aspergillus niger
• Pullulanáz (izoamiláz):
– amilopektin elágazódásainál, az -1,6-kötéseit hasítja – Termelő fajok: Pullularia pullulans
A keményítő szerkezete, és enzimatikus hasítása
-amiláz először oligoszaharidokra bontja (dextrinek)
-amiláz a láncvégi nem redukáló
csoportoknál hasít le maltóz molekulákat
A fruktóz és alkohol ipari előállítása keményítőből
1. Őrölt gabona keményítőjét gőz és nyomás segítségével gélesítik
2. Lehűtik 50-60°C-ra és α-amilázt adnak hozzá, mely az α-1,4-kötéseket elhasítja
rövidebb poliszaharid szálak
3. Glükóz felszabadítása glükoamiláz enzimmel végtermék: glükóz
4. Glükóz izomeráz hozzáadásával fruktózt állíthatunk elő
5. Élesztő sejtek hozzáadásával a glükózból alkohol fermentálható
α-amilázt főleg Bacillus-ok termelik, extracelluláris Glükoamiláz termelő pl. Aspergillus niger
Ciklodextrinek
• A keményítő amilóz komponenséből képezhető gyűrűs oligoszaharidok (B. macerans glükozil transzferáz)
• Szerkezetüknek köszönhetően „molekuláris
csomagolóanyagként” hasznosíthatók gyógyszeripar-, de mezőgazdaság-, élelmiszeriparban is
• Biodegradáció szempontjából a jelentősége az, hogy bizonyos anyagok hozzáférhetőségét javítja, nehezen oldódó vegyületeket kolloidális állapotba juttatva bonthatókká válhatnak
Glikogén
• Emberi, állati eredetű tartalék tápanyag
• Szerkezete hasonló a keményítőhöz
• Biodegradációs szempontból szerepe élettanilag nagy, de hasznosítás, ipari alkalmazás szempontjából nem jelentős
Dextránok
• Jellegzetes baktérium eredetű un. tokanyag poliszaharidok
• Szerkezetére a D-glükóz részek 6) kötése jellemző, néhol láncelágazódást is megfigyeltek
• Mesterségesen térhálósított alakja a Sephadex
• Biodegradáció szempontjából nem jelentősek
Glikolipidek (lipopoliszaharidok), glikoproteinek
• Sejteket határoló membránokban
• Jelentőségük a biodegradációs eljárásokban jelentős lehet, mint felületaktív anyagok
Néhány mikroorganizmus képes az extracelluláris terébe kijuttatni e molekulákat, melyek a vízben nem, vagy rosszul oldódó anyagokkal micellákat képezve a szerves tápanyagokat hozzáférhetővé teszik a mikroorganizmusok számára
Cellulóz
– a legelterjedtebb polimer molekula a bioszférában (a növények sz.súlyának 30-35%-a)
– hosszú lánca D-glükóz molekulák β-1,4-es kapcsolatából épül fel – a cellulózban a glükóz láncok úgy helyezkednek el, hogy egy
kristályszerű szerkezetet tudnak létrehozni, ami vízhatlan – oldhatatlan, és ellenáll a hidrolízisnek
– a növényekben támasztó-szerkezeti molekula (lignocellulóz) – a legegyszerűbb komponens a lignocellulózban
– Hidrogén hidak is kialakulnak
• Hasznos szénforrás, ezért iparilag hasznosítani kellene
• Első lépés: ki kell hámozni a lignin-hemicellulóz takaróból, ezek után jöhetnek a cellulázok:
- endoglükanáz - exoglükanáz
- cellobiohidroláz
- β-glükozidáz, v. cellobiáz
• Biogáz, bioetanol ellőállításban egyre nagyobb szerep!
Cellulóz
cellulázok
• Enzimrendszer: endo-, exocellulázok, -glükozidázok – Extracelluláris, ill. sejtek felszínén
– Termelő fajok: Trichoderma, Aspergillus, Penicillium, Clostridium, Cellulomonas fajok
– Endocelluláz: random hasít oligomerekre
– Exocelluláz: láncvégről dimereket – cellobióz- hasít – -glükozidáz: cellobiózt kettéhasítja glükózokra
Cellulóz és hasító enzimei
Cellulóz bontó mikroorganizmusok
• Széles körben elterjedt e képesség a baktériumok és eukarióta gombák körében
• 1970-es évek: olajválság megújuló energiaforrások kutatása (cellulózból etanol és más hasznos vegyület előállítása)
• Pl. Trichoderma gombák - egyedi enzimek dolgoznak egymással szinergizmusban (aeroboknál általában igaz) - Trichoderma reesei
• termofil Clostridiumok (Gram pozitív, obligát anaerob bakt.) - C. thermocellum, C. cellulolyticus
• Kevés kivétellel az anaerob bakt. un. policelluloszóma organellunokba szervezik celluláz enzimeiket
Celluloszóma
sok van a sejt felszínén és extracellulárisan is
nagy molekula, kb. 2000 kDa, extracellulárisan rakódik össze
extracelluláris szupramolekuláris komplex, ami hatékonyan bontja a cellulózt és más sejtfalkomponenseket (glikozidos kötéseket)
nagy celluláz-aktivitás
az enzimösszetételt valószínűleg a szubsztrát is befolyásolja
a csapatmunka hatásosabb: kevesebb enzim elég ugyanannyi
kristályos cellulóz szolubilizálásához (szinergizmus), míg a szabad enzimek könnyebben eldiffundálhatnak
a C. thermocellum (celluloszóma) hatékonyabb a Trichoderma reeseinél (egyedi enzimek)
mesterséges celluloszómák: mesterséges polimerek lebontása
(nejlon, poliészter, műanyagok), válogatott enzimek meghatározott helyre beépítve
Nem celluloszómás cellulázok
• A termelő fajok gyakran több hasonló funkciójú cellulázt termelnek, melyek specifitása némileg eltér (a polimert más- más helyen hasítják)
• Pl. T. reesei két exoglükanáz, 5 endoglükanáz.
Cellulomonas sp. 6 endoglükanáz
• Ezek az enzimek rendelkeznek cellulóz kötő doménnel
• Thermobifida fusca faj érdekessége, hogy van egy olyan glükanáza, mely endo-, és exo aktivitással is bír
• Papírgyártás, biogáz, bioetanol előállítás
• Növényi eredetű hulladék nagy mennyiségben keletk. a növények feldolgozása során
• Nem tisztán cellulóz, hanem lignocellulóz formájában: A lignin, hemicellulóz, cellulóz polimerek különböző kombinációja
(növények szerkezeti felépítésében alapvető)
Hasznosítás
Lignocellulóz alkotó komponensei
• Lignin:
– 3D, globuláris, szabálytalan, nem oldható, nagy molek.s. polimer – fenilpropán alegységek- különböző kémiai kötésekkel kapcs.
– kémiai kötésekkel kapcsolódik a hemicellulózhoz is, és a cellulóz szálakat beburkolja
– felelős a növény rigiditásáért, a mechanikai behatásokkal és mikroorganizmus támadásokkal szembeni ellenállóképességért
• Hemicellulózok:
– rövid láncú, heterogén polimerek - hexózokat (pl. glükóz, mannóz, galaktóz), pentózokat (xilóz, arabinóz) tartalmaznak
– három fő csoport: a, xilánok b, mannánok
c, arabinogalaktánok
Reprezentatív lignin szerkezet
- a fenilpropán egységek
kapcsolódása nem szervezett, nem ismétlődő
O CH
C 2
C C
Reprezentatív xilán szerkezet, és hasító enzimei
Xilán az egyik leggyakoribb poliszaharid a term-ben, a cellulóz és lignin szálak között kovalens ill. hidrogén kötésekkel kapcs.
Papíripar számára hátrány
Etanol előállítás lignocellulózból
Kitin
• Rovarok, rákok-ban váz poliszaharid, megtalálható gomba sejtfalban
• Vízben, híg savban, lúgban nem oldódik
• Tömény savval is csak nehezen hidrolizálható melegítéssel
N-acetil-glükózamin, majd ecetsav és D-glükóz keletkezik
• Felépítése: N-acetil-D-glükózamin részek -glikozid (1-4) kötéssel kapcsolódnak
• Enzimes hasítása kitinázzal, mely egyes baktériumokban, gombákban, néhány növényben fordul elő
• Derivátja a kitozán
Kitin szerkezeti részlet
Pektinek
• Növényekben, főleg gyümölcsökben (citrus félék, alma, szeder, ribizli –ben sok), savas karakterű
• Legjellemzőbb a poligalakturonsav előfordulása, melyben a D-galakturonsav részek 4) kötéssel kapcsolódnak, ezt a kötést pektináz enzimmel lehet hasítani
• Minor komponensként rhamnóz előfordul (1 2) kötéssel, valamint neutrális cukrok, pl. arabinóz, galaktóz, xilóz, a galaktironsav metilált lehet
• Iparban gélesítő ágens (pl dzsem készítéshez)
• Pektináz jelentősége: élelmiszeripari hasznosítás (gyümölcslé)
Sejtfal szerkezet
O
O
O O
O
COOH
COOH OH
OH
OH
OH
Poligalakturonsav részlet
Elágazások lehetnek a pektinben
Pektin gélesedése Ca ionok hatására
Poligalakturonát
Lipidek
• Elterjedtek: növényekben a magvak súlyának akár 50%-a, állatvilágban pl. méhek viasz termelése, tengeri élőlények túléléshez fontos a zsiradék
• Lúgokkal kezelhetjük, de biológiai bontása enzimatikusan észterázok, lipázok
• Bontás eredménye glicerin és zsírsav
• Hulladékként a szennyvizek elvezető csatornáiban komoly gondot okoznak, eltömődések, ill. gátolják az oxigén transzfert
• Biodegradációt gátolja, hogy nem oldódnak vízben, így biohozzáférés korlátozott
• Biodegr elősegítése pl. felületaktíva. v. oldószer adagolás
Észterázok, lipázok
• Észterkötések hidrolizise: glicerinészterekből zsírsav és glicerid
• Extracelluláris, ált. gyengén lúgos környezetben, Ca ionok pozitív hatás (zsírsavak Ca sóként kicsapódnak, nincs
termékgátlás)
• Indukálhatóak, az enzim termelésre a N forrás is hatással van
• 3 féle mikrobiális lipáz: 1. nem specifikus, 2. régióspecifikus, 3.
zsírsav specifikus lipázok
• Hasznosítás: gyógyászat, élelmiszeripar (pl. sajtgyártás), tisztítószerek, bioüzemanyagok (biodízel)
• Termelő fajok: Aspergillus, Penicillium, Rhizopus, egyes élesztőgombák, és Pseudomonas, Bacillus, Lactobacillus, Micrococcus baktériumok, emlős hasnyálmirigy, máj,
magvakban
