셀룰라아제

Cellulase
셀룰라아제
Cellulase 1JS4.png
Thermonospora fusca에 의해 생성된 셀룰라아제 효소로, 촉매 도메인의 얕은 홈에 셀로트리오스가 결합되어 있다.
식별자
EC 번호3.2.1.4
CAS 번호9012-54-8
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스트렙토미세스 리비단 베타-1,4-엔도글루카나아제 촉매 도메인의 리본 표현 - 12개의 글리코사이드 가수분해효소군의[1] 예

셀룰라아제는 셀룰로오스 분해, 셀룰로오스 분해 및 일부 관련 다당류를 촉매하는 곰팡이, 박테리아, 원생동물들에 의해 주로 생성되는 여러 효소 중 하나이다.이 이름은 셀룰로오스 물질을 분해하기 위해 직렬 또는 상승작용을 하는 다양한 효소의 자연적으로 발생하는 혼합물 또는 복합체에도 사용됩니다.

셀룰라아제들은 셀룰로오스 분자를 베타 글루코스와 같은 단당류 또는 짧은 다당류와 올리고당으로 분해한다.셀룰로오스 분해는 식물의 주요 성분을 소비하고 화학 반응에 사용할 수 있도록 하기 때문에 경제적으로 매우 중요합니다.관련된 특이적 반응은 셀룰로오스, 헤미셀룰로스, 리세닌 및 곡물 베타-D-글루칸의 1,4-베타-D-글리코시드 결합의 가수분해이다.셀룰로오스 분자는 서로 강하게 결합하기 때문에, 셀룰로오스 분해는 [2]녹말과 같은 다른 다당류의 분해에 비해 상대적으로 어렵다.

대부분의 포유류는 셀룰로오스 같은 식이섬유를 스스로 소화시키는 능력이 매우 제한적이다.소나 양 같은 반추동물이나 말 같은 뒷발효제와 같은 많은 초식동물에서 셀룰라아제들은 공생 박테리아에 의해 생산된다.내인성 셀룰라아제들은 흰개미,[3][4][5] 달팽이, 지렁이와 같은 몇몇 종류의 메타조아 동물들에 의해 생산된다.

최근에는 녹색 미세조류(Chlamydomonas reinhardtii, Gonium pectorale 및 Volvox carteri)에서도 셀룰라아제가 발견되었으며, GH9 패밀리에 속하는 촉매 도메인(CD)은 메타조아 내인성 셀룰라아제에 대한 가장 높은 배열 상동성을 보인다.알갈 셀룰라아제는 모듈러형이며, 추정 Ig 유사 도메인 및 일부 구성원에서 미지의 도메인에 더해 추정 신규 시스테인 리치 탄수화물 결합 모듈(CBM), 프롤린/세린 리치 링커(PS)로 구성됩니다.고늄펙토랄의 셀룰라아제는 링커와 C 말단 [6]CBM으로 분리된 두 개의 CD로 구성되었다.

셀룰라아제에는 구조적으로나 기계적으로 다른 몇 가지 종류가 알려져 있습니다.셀룰라아제라는 명칭과 관련된 동의어, 유도체 및 특이효소는 엔도-1,4-베타-D-글루카나아제(베타-1,4-글루카나아제, 베타-1,4-엔도글루칸 가수분해효소, 엔도글루카나아제D, 1,4-베타-글루카-글루카-글루카-글루카-글루카네아제)를 포함한다.se A 3, 9.5 셀룰라아제 및 판셀라아제 SS. 리그닌을 분해하는 효소는 종종 셀룰라아제라고 불리지만, 이러한 오래된 용도는 폐지되어 리그닌을 변형시키는 효소이다.

유형 및 액션

촉매 반응 유형에 따른 셀룰라아제 5가지 일반적인 유형:

아비셀라아제는 매우 미세한 결정 기질이기 때문에 거의 독점적으로 셀룰라아제 활성을 가지고 있다.

위의 유형에는 진행형(progressive라고도 함)과 비진행형도 있습니다.진행성 셀룰라아제는 단일 다당류 가닥과 계속 상호작용할 것이고, 비진행성 셀룰라아제는 일단 상호작용을 한 후 분리되고 또 다른 다당류 가닥과 결합할 것이다.

셀룰라아제 작용은 세 종류의 셀룰라아제 모두가 개별적으로 첨가하는 것보다 훨씬 더 많은 당을 산출할 수 있기 때문에 상승 효과가 있는 것으로 간주된다.반추동물을 제외하고, 대부분의 동물들(사람 포함)은 몸에서 셀룰라아제를 생산하지 않고 발효를 통해 셀룰로오스를 부분적으로 분해할 수 있어 섬유 식물 물질에 에너지를 사용하는 능력을 제한한다.

구조.

대부분의 곰팡이 셀룰라아제들은 유연한 링커에 의해 연결된 하나의 촉매 도메인과 하나의 셀룰로오스 결합 도메인을 가진 2개의 도메인 구조를 가지고 있다.이 구조는 불용성 기질에 작용하도록 조정되었으며, 효소가 표면에 애벌레처럼 2차원적으로 확산되도록 한다.그러나 셀룰로오스 결합 도메인이 없는 셀룰라아제(대부분 엔도글루카나아제)도 있다.

기질의 결합과 촉매 작용은 모두 단백질 접힘 수준의 결과로 발생하는 효소의 3차원 구조에 의존한다.활성 부위 내에서 발생하는 아미노산 배열과 기질이 결합하는 위치인 잔류물의 배열은 리간드의 결합 친화력, 활성 부위 내 기질의 안정화 및 촉매 작용과 같은 요인에 영향을 미칠 수 있다.기질 구조는 효소의 정확한 활성 부위 구조를 보완한다.잔류물의 위치가 변경되면 이러한 상호작용 [8]중 하나 이상이 왜곡될 수 있습니다.온도, pH 및 금속 이온과 같은 추가 인자는 효소 [9]구조 간의 비공유 상호작용에 영향을 미칩니다.Thermotoga maritima 종은 활성 [10]부위인 중앙 촉매 영역을 둘러싼 2개의 베타 시트(단백질 구조)로 구성된 셀룰라아제를 만듭니다.효소는 엔도글루카나아제로 분류되며, 엔도글루카나아제는 셀룰로오스 사슬에서 내부적으로 β-1,4 -글리코시딕 결합을 분해하여 폴리머의 추가적인 분해를 촉진한다.T와 같은 과에 속하는 다른 종입니다.마리티마는 다른 구조로 [10]셀룰라아제를 만든다.Coprinopsis Cinerea 종에 의해 생성된 셀룰라아제들은 베타/알파 [11]배럴이라고 불리는 밀폐된 터널 모양의 7개의 단백질 가닥으로 구성되어 있습니다.이들 효소는 기질 카르복시메틸 셀룰로오스를 가수분해한다.활성부위에서의 기판의 결합은 분자의 분해를 가능하게 하는 배좌의 변화를 유도한다.

셀룰라아제복합체

많은 박테리아에서, 체내 셀룰라아제들은 초분자 복합체, 즉 셀룰로솜으로 구성된 복잡한 효소 구조이다.이들은 β(1→4) 고리의 실제 가수분해에는 엑소셀룰라아제 및 셀로보아제만 참여하는 엔도셀룰라아제, 엑소셀룰라아제, 셀룰로오스 포스포릴라아제, 즉 엑소셀룰라아제, 엑소셀룰라아제, 엑소셀룰라아제만을 포함할 수 있다.셀룰로솜을 구성하는 소단위들의 수는 또한 효소 [12]활성의 속도를 결정할 수 있다.

다도메인 셀룰라아제들은 많은 분류학 그룹들 사이에 널리 퍼져 있지만, 셀룰로솜에서 발견되는 혐기성 박테리아로부터의 셀룰라아제들은 다른 종류의 모듈로 구성된 가장 복잡한 구조를 가지고 있다.예를 들어 클로스트리듐 셀룰로티쿰은 촉매 도메인(CD), 탄수화물 결합 모듈(CBM), 도카린, 링커 및 Ig 유사 [13]도메인의 다른 수와 배치를 포함하는 13GH9 모듈러 셀룰라아제를 생성한다.

예를 들어 트리코데르마 리세이로부터의 셀룰라아제 복합체는 결정 셀룰로오스 사슬을 분리하는 C1(57,000달톤), 엔도글루카나아제(약 52,000달톤), 엑소글루카나아제(약 61,000달톤) 및 베타글루코시드가수분해효소(76,000달톤)[14]로 이루어진 성분이다.

셀룰로솜을 생산하는 박테리아의 게놈에서 도커린과 코게틴으로 알려진 수많은 "시그니처" 배열이 확인되었다.셀룰라아제들은 아미노산 배열과 3차 구조에 따라 [15]종족과 종족으로 나뉜다.

다모듈라 셀룰라아제는 효소와 셀룰로오스 기질 사이의 근접성 때문에 상승작용으로 인해 유리 효소(CD만 있는)보다 효율적이다.CBM은 셀룰로오스 결합에 관여하는 반면 글리코실화 링커는 셀룰로오스 [6]표면에 대한 결합을 증가시킬 뿐만 아니라 더 높은 활성과 단백질 분해효소 보호를 위해 CD에 유연성을 제공합니다.

셀룰로오스 분해 메커니즘

셀룰라아제에 의해 촉매되는 세 가지 유형의 반응: 1.셀룰로오스(엔도셀룰라아제)2의 비정질 구조에 존재하는 비공유 상호작용의 파괴.고분자를 더 작은 당(엑소셀라아제)으로 분해하기 위한 사슬 끝의 가수 분해 3.이당류 및 4당류의 포도당(베타-글루코시다아제)으로의 가수분해.
셀룰라아제 베타글루코시드가수분해효소 활성의 기계적[16] 상세

사용하다

셀룰라아제는 커피의 상업적인 식품 가공에 사용된다.콩 건조 시 셀룰로오스 가수분해를 한다.또한 셀룰라아제는 섬유산업 및 세탁세제에 널리 사용된다.그것들은 또한 펄프나 제지 산업에서 다양한 목적으로 사용되어 왔고, 심지어 제약 분야에서도 사용되고 있다.셀룰라아제는 바이오매스를 바이오 연료로 발효시키는 데 사용되지만, 이 과정은 현재 비교적 실험적이다.의학적으로 셀룰라아제는 사람의 위에서 볼 수 있는 셀룰로오스 비조어의 일종인 피토베조어의 치료제로 사용되며, 세포외 고분자물질(EPS)[17][18]의 구조 매트릭스 엑소다당류 내에서 β(1~4) 글리코시드 결합을 가수분해함으로써 다균성 세균 바이오필름을 분해하는 효과가 있다.

측정.

천연기질인 셀룰로오스는 수용성 고분자이므로 셀룰라아제 활성 측정에 기존 환원당 측정법을 사용할 수 없다.분석 과학자들은 많은 대체 방법을 개발했다.

  • DNSA 방법 셀룰라아제 활성은 상등액 0.5ml와 1% 카르복시메틸셀룰로오스(CMC) 0.5ml를 0.05M 구연산버퍼(pH 4.8)에 50°C에서 30분간 배양하여 측정하였다.이 반응은 3ml의 디니트로살리실산 시약을 첨가함으로써 종료되었다.흡광도는 540 [19]nm에서 측정되었다.

셀룰라아제 [20]시료에 의한 배양 시에 카르복시메틸셀룰로오스 등의 수용성 셀룰로오스 유도체를 포함한 용액의 점도 저하를 측정하기 위해 점도계를 사용할 수 있다.점도의 감소는 셀룰라아제 활성에 정비례합니다.이러한 분석은 매우 민감하고 엔도 셀룰라아제(엑소 작용 셀룰라아제 효소는 점도의 변화를 거의 또는 전혀 일으키지 않음)에 특이하지만, 기존의 효소 단위(기질 가수분해물의 마이크로몰 또는 분당 생산물)에서 활성을 정의하기 어렵다는 사실에 의해 제한된다.

셀룰리고당 기질

하위 DP 첼로올리고당(DP2-6)은 셀룰라아제 [21]효소의 활성 기질로 작용하기에 충분히 물에 용해됩니다.그러나 이들 기질은 그 자체가 환원당이기 때문에 높은 '빈' 값을 발생시키기 때문에 전통적인 환원당 측정법에는 적합하지 않다.그러나 이들의 셀룰라아제 매개 가수분해는 HPLC 또는 IC법에 의해 모니터링되어 특정 셀룰라아제 효소의 기질 요구에 대한 귀중한 정보를 얻을 수 있다.

환원 셀룰리고당 기질

첼로올리고당은 수소화붕소나트륨의 작용을 통해 화학적으로 환원되어 대응하는 당알코올을 제조할 수 있다.이 화합물들은 설탕 분석을 줄이는 데 반응하지 않지만 그들의 가수분해 생성물은 반응한다.이로 인해 환원된 붕소수물 첼로올리고당은 [22][23]넬슨-시모기법과 같은 전통적인 환원당 측정법을 사용하여 셀룰라아제 분석에 귀중한 기질이 됩니다.

염색 다당류 기판

[24]

이러한 기판은 두 가지 등급으로 세분될 수 있다.

  • 불용성 발색성 기판:AZCL-HE-셀룰로오스 등의 불용성 셀룰라아제 기판은 용액에 넣으면 물을 흡수하여 젤라틴 입자를 생성한다.이 기질은 셀룰라아제 작용에 의해 점차적으로 탈중합되고 가용화된다.알칼리성 용액을 첨가하여 효소의 활성을 정지하고, 반응 슬러리를 여과 또는 원심분리한다.여과액 또는 상등액의 색상이 측정되며 효소 활성과 관련이 있을 수 있습니다.
  • 수용성 색소성 기판:셀룰라아제 시료를 아조-CM-셀룰로오스 등의 수용성 기질로 배양하여 반응을 종료하고 에탄올이나 메톡시에탄올 등의 유기용매에 의해 고분자량의 부분 가수분해 단편을 용액에서 침전시킨다.서스펜션을 완전히 혼합하여 원심 분리한 후 상등액(작은 용해성, 염색된 조각으로 인해)의 색상을 측정합니다.표준 곡선의 도움을 받아 효소 활성을 결정할 수 있다.

효소결합시약

비색계 및 불소계 셀룰라아제 기질은 내 셀룰라아제 활성의 특정 측정을 위해 보조 β-글루코시다아제 존재 하에서 사용될 수 있다.

최근에는 엔도셀룰라아제의 [25][26]특정 측정을 가능하게 하는 새로운 시약이 개발되었습니다.이러한 방법들은 보조 효소의 존재 하에서 기능화된 올리고당 기질의 사용을 포함한다.이 예에서 셀룰라아제 효소는 셀룰로오스의 삼당류 단편을 인식하고 이 단위를 절단할 수 있다.시약 혼합물에 존재하는 보조 효소(β-글루코시다아제)는 색소단 또는 불소단체를 포함하는 단편을 가수 분해하는 역할을 한다.이 분석은 효소 반응을 멈추고 해방된 페놀 화합물을 탈양성자화하여 페놀레이트 종을 생성하는 기본 용액의 첨가로 종료됩니다.주어진 샘플의 셀룰라아제 활성은 분광 광도계를 사용하여 측정할 수 있는 방출되는 페놀라아제 양에 정비례합니다.삼당류 기질의 비환원 말단에서 아세탈 관능화는 모 기질에서 보조 β-글루코시다아제의 작용을 막는다.

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레퍼런스

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