Разложение хитина и хитозана
Хитин – гомополимер, состоящий из остатков N-ацетил-D-глюкоза-мина, соединенных β-1,4-гликозидной связью. Стабильность структуры хитина обеспечивается многочисленными водородными связями между боковыми N-ацетильными группами. В качестве опорного вещества хитин широко распространен в животном и растительном мире. Из хитина состоит наружный скелет многих беспозвоночных животных (ракообразных, насекомых и простейших). В огромном количестве хитин присутствует в почве, где его образуют членистоногие, простейшие и грибы, у которых он является основным компонентом клеточной стенки. Непрерывно хитин образуется в морской среде как компонент зоопланктонных организмов. Таким образом, хитин является вторым или третьим наиболее распространенным источником углеводов в природе.
Хитозан – деацетилированная форма хитина, образуемая под действием деацетилазы у некоторых дрожжей и мицелиальных грибов. Процесс деацетилирования хитина в лабораторных условиях осуществляют с помощью концентрированных щелочей при повышенных температурах. При реакции деацетилирования происходит не только отщепление от хитина ацетильной группировки, но и разрыв его гликозидных связей. Таким образом, хитозан представляет собой водорастворимый, полидисперсный по молекулярной массе полимер D-глюкозамина.
Расщепление хитина в природе осуществляют хитинолитические микроорганизмы (бактерии и грибы), которые широко распространены в почве, донных осадках водоемов, кишечнике животных. Способностью использовать хитин обладают как аэробные, так и анаэробные бактерии, например представители родов Cytophaga, Chromobacterium, Vibrio, Pseudomonas, Aeromonas, Streptomyces, Clostridium, Photobacterium, Bacillus, Serratia, Flavobacterium, Arthrobacter и др. Среди грибов способностью разлагать хитин обладают виды рода Aspergillus и Mortierella. Установлено, что в 1 г почвы содержится до 106 клеток микроорганизмов, использующих хитин.
Расщепление хитина микроорганизмами осуществляется с помощью ферментов хитиназ и N-ацетилглюкозаминидаз. Механизм деградации хитина следующий (рис. 30).
.
Рис. 30. Расщепление хитина хитинолитическими ферментами
Фермент экзохитиназа отщепляет диацетилхитобиозный остаток от нередуцирующего конца цепи. Эндохитиназа расщепляет случайным образом гликозидные связи внутри цепи. Конечными продуктами эндохитиназной активности являются диацетилхитобиоза и триацетилхитобиоза. Далее β-N-ацетилглюкозаминидаза (хитобиаза) гидролизует диацетилхитобиозу с образованием N-ацетилглюкозамина. Известен также механизм деградации хитина путем предварительного деацетилирования с образованием хитозана. Под действием хитозаназы хитозан гидролизуется до хитобиозы, которую глюкозаминидаза расщепляет на две молекулы глюкозамина.
Ферменты микроорганизмов хитиназы и хитозаназы используются в биотехнологии для переработки хитинсодержащих отходов и в научных исследованиях для получения протопластов грибов.
2.2.6. Использование белков микроорганизмами
Белки являются важным источником питательных субстратов для микроорганизмов. В разложении белков участвуют многочисленные бактерии и грибы. Подобно другим высокомолекулярным соединениям, белки сначала расщепляются протеолитическими экзоферментами протеазами. Продукты гидролиза – полипептиды, олигопептиды, аминокислоты – транспортируются в клетку специальными транспортными системами. В клетке полипептиды и олигопептиды гидролизуются внутриклеточными протеазами до аминокислот. Нерастворимые в воде структурные белки кератин, эластин и коллаген высокоустойчивы к протеолизу. Еще более эта устойчивость повышается в результате связывания белков с полифенолами. Чувствительность к протеолитическим ферментам повышается после денатурации таких белков.
Микроорганизмы синтезируют множество различных протеолитических ферментов. Их тип и количество зависят от вида микроорганизма и условий культивирования. В зависимости от того, какие пептидные связи протеазы расщепляют, их делят на эндопептидазы и экзопептидазы. Эндопептидазы расщепляют пептидные связи внутри полипептидной молекулы, экзопептидазы отщепляют аминокислотные остатки от С- или N-конца полипептидной цепи (рис.31).
Рис.31. Расщепление полипептидной цепи протеазами
Протеазы, продуцируемые микроорганизмами, находят широкое применение в медицине, а также различных отраслях промышленности и поэтому их производят в больших количествах. Это обусловлено рядом факторов:
• микроорганизмы способны синтезировать различные по свойствам протеазы, отличающиеся по активности в широком диапазоне температуры (от 4 до 110 °С) и значений рН (от 0,1М НCl до 0,1М NaOH), а также устойчивые к действию мочевины в концентрации 8М;
• для культивирования протеолитических микроорганизмов применяют в качестве субстратов дешевое сырье;
• созданы высокопродуктивные штаммы микроорганизмов, синтезирующие протеазы в количестве до 10 и более г/л;
• с помощью мутагенеза и отбора, а также методов генетической инженерии можно значительно увеличить протеолитическую активность микробов-продуцентов и улучшить их свойства в отношении синтезируемого фермента;
• микробные протеазы широко применимы в пищевой промышленности, например, для свертывания молока, для выделки кожи, в химических технологиях, в качестве добавки к стиральным порошкам, а также при получении гормональных лекарственных препаратов.
Аминокислоты, образующиеся при расщеплении белков могут использоваться микробными клетками для синтеза собственных белков, либо подвергаются превращениям (декарбоксилированию, дезаминированию, трансаминированию) и после этого вовлекаются в промежуточный метаболизм (рис. 32).
Рис.32. Расщепление белков до аминокислот и пути из дальнейшего
превращения