Előadást letölteni
Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon
KiadtaZita Jónás Megváltozta több, mint 8 éve
1
Enzimológia Lipáz enzimek Dr. Barta Zsolt Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Alkalmazott Biotechnológia és Élelmiszertudományi Tanszék 2016. 09. 26.
2
2 Lipidek Mi a lipid? zsírsavak és származékaik (gliceridek és foszfolipidek) zsírok (trigliceridek), viaszok szteránvázas metabolitok (koleszterin) Funkciójuk energia tárolás teljes oxidációjukkor kb. 9000 kcal/kg energia szabadul fel (szénhidrátból/proteinből kb. 4 kcal/g) szignál molekulák zsíroldható vitaminok (A, D, E, K) tárolása Jellemzőjük hidrofób vagy amfipatikus: hidrofil (víz-kedvelő) és lipofil (zsír-kedvelő) vezikulumok, liposzómák, membránok Lipids a foszfolipidek amfipatikus jellege
3
3 Zsírsavak Felépítésük szénhidrogén lánc hidrofób karboxil csoport hidrofil 4-24 C-atom telített vagy telítetlen a természetes zsírok/olajok → legalább 8 C-atomos zsírsavak C-lánc alfa(α)-végén karboxilcsoport (-COOH): vegyületképzés, másik végén: omega(ω) Néhány telített karbonsav / Saturated fatty acids jelölés: C-atomszám + kettős kötések száma (ezen esetben 0) Ecetsav (etánsav; C2:0): CH 3 COOH Vajsav (butánsav; C4:0): CH 3 (CH 2 ) 2 COOH Laurinsav (dodekánsav; C12:0): CH 3 (CH 2 ) 10 COOH Mirisztinsav (tetradekánsav; C14:0): CH 3 (CH 2 ) 12 COOH Palmitinsav (hexadekánsav; C16:0): CH 3 (CH 2 ) 14 COOH Sztearinsav (oktadekánsav; C18:0): CH 3 (CH 2 ) 16 COOH Arachidinsav (eikozánsav; C20:0): CH 3 (CH 2 ) 18 COOH Fatty acids szabad zsírsav
4
4 Zsírsavak Telítetlen zsírsavak / Unsaturated fatty acids legalább egy kettős kötés (-CH=CH-) a láncban két H atom állása szerint: cisz- / transz-zsírsav természetes, többszörösen telítetlen: kettős kötések között 2 egyszeres kötés cisz-konfiguráció (elhajlás lehetősége) transz: többnyire mesterséges eredetű kettős kötések helye: a) szénlánc "elejétől" (a karboxilcsoporttól, az alfa-szénatomtól) számítva b) végétől (a metilcsoporttól, az ún. ω-C-atomtól) → ω-3, ω-6, ω-9 zsírsavak Néhány telítetlen karbonsav jelölés: C-atomszám + kettős kötések száma + kötések láncvégtől számított helye -linolénsav, ALA (oktadekatriénsav, C18:3 ω-3): CH 3 CH 2 CH=CHCH 2 CH=CHCH 2 CH=CH(CH 2 ) 7 COOH Linolsav (oktadekadiénsav, C18:2 ω-6): CH 3 (CH 2 ) 4 CH=CHCH 2 CH=CH(CH 2 ) 7 COOH Olajsav (oktadecénsav, C18:1 ω-9): CH 3 (CH 2 ) 7 CH=CH(CH 2 ) 7 COOH Erukasav (dokozénsav, C22:1 ω-9): CH 3 (CH 2 ) 7 CH=CH(CH 2 ) 11 COOH Fatty acids
5
5 Növényolajok zsírsavösszetétele %napraforgóolívarepcemogyorókukoricaszójapálmamag C6nd <0,8 C8nd 2-5 C10nd 3-5 C12laurinsavnd -0,1nd nd -0,1nd -0,3nd -0,144-51 C14mirisztinsavnd -0,2<0,1nd -0,2nd -0,1nd -0,3nd -0,215-17 C16palmitinsav5,6-7,68-143,3-6,08-147-178-137-10 C16:1nd -0,3<10,1-0,6nd -0,2nd -0,4nd -0,2<0,1 C18sztearinsav2,7-6,53-61,1-2,51,9-4,4nd -3,32,4-5,42-3 C18:1olajsav ω -914-3961-8052-6736-6720-4217-2612-18 C18:2linolsav ω -648-743-1416-2514-4339-6650-571-4 C18:3 -linolénsav ω -3nd -0,2<16-14nd -0,10,5-1,55,5-9,5<0,7 C20arachidinsav0,2-0,4<0,50,2-0,81,1-1,70,3-0,70,1-0,6<0,3 C20:1nd -0,2<0,40,1-3,40,7-1,70,2-0,4nd -0,3<0,5 C220,5-1,3<0,9nd -0,52,1-4,4nd -0,50,3-0,7 C22:1erukasav ω -9nd -0,2nd -2,0nd -0,3nd -0,1nd -0,3 C240,2-0,3nd -0,21,1-2,2nd -0,4 C24:1ndnd -0,4nd -0,3nd
6
6 Zsírsav-észterek - viaszok Mi a viasz? hosszú szénláncú alifás alkoholok + zsírsavak észterei (+ alkánok, egyéb észterek, poliészterek) Előfordulás méhviasz termés (pl. napraforgó) külső héján → véd a nedvességtől magban (pl. nyers napraforgó olajban) Felhasználás gyertya kozmetikai ipar (viasz+zsír+pigment → rúzsok, szemfestékek) édességipar sajtok bevonása textil, papír vízhatlanítása cipő- és autóápoló, fa kezelő szerek zsírkréta, színes ceruza, indigó papír Fatty esters – wax esters finomított rizskorpa- és napraforgó-viasz
7
7 Glicerolipidek Felépítésük mono- di- triszubsztituált glicerin Fischer képletben: a középső C atomon lévő zsírsav balra áll felül lévő C atom sn-1, alul lévő C atom sn-3 Trigliceridek / Triglycerides glicerin észtere 3 zsírsavval 3 azonos / különböző alkillánc alkillánc hossza változó, leggyakoribb: 16, 18, 20 C-atom természetes növényi és állati zsírsavak: páros számúak, mert szintézisük során az acetil CoA 2 C-atomos acetát-csoportokat képes szállítani baktériumok képesek páratlan C-atomszámú és elágazó láncú zsírsavak előállítására kérődzők zsírja is tartalmaz ilyet zsírok / olajok: trigliceridek keveréke Glycerolipids http://lipidlibrary.aocs.org/Lipids/tag1/index.htm
8
8 foszfolipid Foszfolipidek / foszfatidok Felépítésük glicerin + 2 zsírsav + foszforsav + 1 N-t tartalmazó molekula (alkohol észteresíti a foszfatidsavat) Jellemzőik amfipatikus vegyületek amfipatikus vegyületek (víz & apoláris kh.) vizes közegben cseppek/vékony hártyák sejtmembrán építőkövek foszfatidsav: más foszfatidok alapvegyülete ammónium-foszfatidok: élelmiszerekben (csokoládé- és kakaótart.) E442 névenemulgeálószer Glycerophospholipids / phospholipids glicerin-3-foszfát foszfatidsav
9
9 Foszfolipidek / foszfatidok Technikai lecitin sárgás-barnás zsíros anyag glikolipidek, trigliceridek, foszfolipidek keveréke előfordulása állati és növényi szövetekben, tojássárgájában (lekithos ógörögül) kinyerése napraforgó olaj nyálkátlanítása (a szója allergén) → nyálka üledék (olaj, víz, lecitin) bepárlása élettani hatása koleszterin-csökkentő (jó koleszterin-szint növelő) kötött P- és B vitamin (B8 és B11)-tartalom jó hatás az idegrendszerre, agyműködésre, memóriára a bélnedvben meggátolja egyes baktériumok elszaporodását felhasználása tartósító- (antioxidáns hatás), emulgeáló-, stabilizálószer - E322 margarin-, csokoládégyártás, sütőipar takarmányipar (zsíradék, pelletképzés-javító) festékipar (stabilizáló, emulgeáló, rozsdaképződést gátló, színélénkítő) Glycerophospholipids / phospholipids foszfatidil-kolin / foszfátkolin
10
10 Lipázok Jellemzőik lipidek észter-kötésének hidrolízisét katalizálják egyensúlyi reakció kis vízkoncentráció: katalizálják az alkoholok és savak észterképzését (lipid szintézis) legtöbb mikrobiális lipáz mezofil, optimális körülményeik: pH 7-9, 30- 40°C termofilek: potenciális ipari jelentőség Nem igényelnek kofaktorokat (ahogyan a hidrolázok egyike sem) Affinitás csökken a di- és monogliceridek esetén Lipases
11
Lipázok vs. észterázok Határfelületi enzimek: az aktív centrumot borító „fedél” határfelület hatására felnyílik határfelületi aktiváció (azonban nem mindenhol teljesül ez, így más megközelítésben 10 C atom szám feletti zsírsavakat tartalmazó lipidek hidrolízisét és szintézisét katalizáló észterázok) 11 Reakciósebesség VERGER, R; DEHAAS, GH. ANNUAL REVIEW OF BIOPHYSICS AND BIOENGINEERING Volume: 5 Pages: 77-117 Published: 1976 Reakciósebesség a szubsztrátkoncentráció függvényében máj észteráz és hasnyálmirigy lipáz esetén triacetin szubsztráton Az észterázok Michaelis-Menten kinetikát követnek, és oldatban lévő szubsztráton hatnak A lipáz aktivitás ugrásszerűen nő, ha a triacetin oldhatóságát meghaladja a szubsztrátkonc. (a telítettség >1) két fázis van jelen, és a lipáz a közöttük lévő határfelületen aktív
12
12 Lipázok Reakcióik észter hidrolízis észter szintézis átészterezés alkohollal észterrel savval Lipases Salleh et al. (Eds), New lipases and proteases, 2006
13
13 Lipázok Szerkezetük / hidroláz többféle mechanizmus, többségük kimotripszin-szerű katalitikus triád: szerin (mint nukleofil) + savas aminosav (ált. aszparaginsav) + hisztidin Hol termelődnek az emberi szervezetben? száj gyomor hasnyálmirigy Hol működnek? a sejt bizonyos részében (lizoszómában) extracellulárisan, a sejten kívül pl. hasnyálmirigyben termelt lipáz gomba vagy baktérium által termelt egyes méhek, darazsak mérgében foszfolipid-bontó enzimek csípés fokozottabb sérülés, gyulladás Lipases
14
pH-stat módszer Az észterek hidrolízisének követésére hidrolízis kinetika vizsgálatára Enzimaktivitás méréshez szintén használható A pH-t mérhetjük pl. üvegelektróddal, vagy indikátorok alkalmazásával A lipázok aktivitásmérését is leggyakrabban pH-stat segítségével valósítják meg Állandó pH-t tartanak lúgoldat hozzáadásával Ebben az esetben legtöbbször tributirint (a glicerin vajsav-észterét ) használnak szubsztrátként, de jellemző az olivaolaj emulzió is A pH ilyen méréseknél jól követhető üvegelektróddal, mivel a felszabaduló vajsav vízoldható és az NaOH oldattal jól mérhetően titrálható. Mikor van vége az enzimes reakciónak? Hogyan számítható a konverzió ismert mennyiségű tributirint tartalmazó reakcióelegy esetén? 14
15
Lipid-víz kétfázisú rendszerek I. Lipid emulzió A hidrofób tulajdonságok dominálnak II. a) Lipid kettősréteg és b) Liposzóma Megjelenik töltés a molekulában Pl. foszfolipidek III. Micella Egyre polárosabb a molekula Rövidebbek a zsírsavláncok Kis koncentrációban teljesen oldatban vannak CMC (kritikus micella koncentráció) felett gömb v. pálca, de optikailag tiszta a folyadék, gyors egyensúly Pl. detergensek 15 VERGER, R; DEHAAS, GH. ANNUAL REVIEW OF BIOPHYSICS AND BIOENGINEERING Volume: 5 Pages: 77-117 Published: 1976
16
Lipáz kinetika Lipid emulzió a szubsztrát Formailag a Michaelis-Menten kinetikához hasonló, de fontos eltérés a felületen történő adszorpció Üres kör: kis zsírcseppek, teli kör: nagy zsírcseppek „Felületi szubsztrátkoncentráció” esetén illeszkednek egy egyenesre 16 1/S S: anyagmennyiség/térfogat 1/S A S A : felület/térfogat VERGER, R; DEHAAS, GH. ANNUAL REVIEW OF BIOPHYSICS AND BIOENGINEERING Volume: 5 Pages: 77-117 Published: 1976
17
17 Lipázok ipari felhasználása Ipari felhasználás területei régió- és sztereospecifikusak lehetnek, vagy szelektívek lánchosszra, kettős kötés helyzetére tisztítószerek tejipar olajkémia (pl. biokenőanyag, szappanok eá.) gyógyászat kozmetikai ipar sütőipar (javítja a tészta állagát, szerkezetét) bőripar bioremediáció biodízelgyártás Szennyvízkezelés, biogáz előállítás Industrial uses of lipases
18
18 Kereskedelmi lipázok Novozymes olaj- és zsír feldolgozás tésztagyártás, sütőipar tejipar kontakt lencse tisztítószer bőripar detergens ipar textilipar állateledel papíripar egyéb biokatalízis Commercial lipases
19
19 Lipáz források, termékek Enzimforrások / Sources állati szövet hasnyálmirigy ۰marha, sertés fiatal kérődző előgyomra ۰kecskegida (pikáns sajt íz), borjú (vajas, kicsit borsos), bárány (pecorino, „koszos zokni”) mikrobiális előgyomor enzimek helyettesítésére egyedi lipázok vagy enzimkeverékek bakteriális eredetű gomba eredetű ۰Aspergillus, Mucor, Rhyzopus, Candida nemzetségek Kereskedelmi termékek folyadék extraktum vákuum- vagy fagyasztva szárított immobilizált Sources of lipases, products
20
20 Tisztítószerek Detergensek / Detergents követelmények lúgos környezetben aktív kis szubsztrát specificitás kompatibilitás a detergensekkel teljes lipáz termelés kb. 1/3-a kereskedelemben 1988- (Lipolase - Novo Nordisk) ipari és háztartási mosó- mosogató- egyéb tisztítószerekben Mosás után a szárítás során a lipáz aktivitás jelentősen nő (következő dia, jobb ábra). Oka: 20-30% nedvességtartalmú szövet az optimális az enzimműködéshez. A folteltávolítás a következő mosás során hatékonyabb (következő dia, bal ábra). Detergents
21
21 Tisztítószerek Detergents Mosási ciklusok száma Fényvisszaverés 460 nm (%) Tiszta szövet 3000 U/l, szennyezet szövet 1000 U/l, szennyezet szövet 300 U/l, szennyezet szövet 0 U/l, szennyezet szövet Wolfgang Aehle (ed.) Enzymes in industry: production and applications, 2004
22
22 Tejipar - sajtgyártás Tejipar / Dairy industry joghurtgyártás sajtgyártás / cheese making, ripening vajzsír és tejszín bontása érés gyorsítása ízfokozás (főleg lágy sajtok jellegzetes ízének kialakítása) ۰lipáz rövid láncú zsírsav (ált. C4, C6) felszabadítása erős, csípős íz ۰lipáz közepes lánchossz (C12, C14) zsírosabb íz ۰lipázok részt vesznek egyszerű kémiai reakciókban egyéb ízanyagok íz imitálás ۰utánozza a juh / kecske sajtok ízét feta és egyéb sajtok tehéntejből ۰pasztőrözött tejből való sajtgyártásnál a nyers tejből előállítotthoz hasonló ízt ad EMC: enzim-módosított sajtok (USA) ۰a sajtot enzimmel termosztálják magas hőfokon 10x nagyobb zsírsavkonc. szószokhoz, saláta-öntetekhez, levesekhez, rágcsálnivalókhoz Dairy industry – cheese making
23
23 Olajkémia Olajkémia ipar / Oleochemical industry szerteágazó felhasználási lehetőség, de viszonylag kevés iparosított technológia konzervatív iparág (nagy beruházási költségek) nagy enzimárak olcsó (és termostabil) enzimekkel lehet áttörni 60 M t zsír és olaj éves termelés a világon nagy energiaigényű kémiai átalakítások magas hőmérséklet, nyomás instabil termék pl. többszöri desztillációs tisztítás többszörösen telítetlen, hőérzékeny olajok hidrogénezés nélkül nem dolgozhatók fel kémiai technológiák enzimes energia megtakarítás hőbomlás csökkentése értéktelen/olcsó zsírok értékessebbé alakítása kémiai keverékekkel random termékösszetétel lipáz enzimekkel specifikusan, pl. átészterezéssel kakaóvajat pálmaolajból (CBE - cocoa butter equivalents) Oleochemical industry
24
24 Olajkémia oktatas.ch.bme.hu/oktatas/konyvek/mezgaz/Biotermektech/BSc/Ipari enzimek 2.pdf Oleochemical industry Sztearinsav hozzáadása és kis vízaktivitású közeg (szerves oldószer)
25
Margaringyártás 25
26
Olajok enzimes nyálkátlanítása Foszfolipáz A1 (sn-1 zsírsav hidrolízise), A2 (sn-2 zsírsav hidrolízise), C (foszfát csoporttól „balra”) és D (foszfát csoporttól „jobbra”) Ipari alkalmazása az A2-nek van (eredetileg sertés hasnyálmirigy eredetű, de később mikrobiális termelés is) Szűrésnél a nyálka gondot okoz célszerű a nyálka (emulgeálószer) enzimes bontása, ezzel megszűnik az amfipatikus jelleg EnzyMax folyamat pH 5.0, 60°C, 1-6 h (foszfatidtartalomtól és a termékminőségtől függ) 26 Casimir C. Akoh, David B. Min. Food Lipids: Chemistry, Nutrition, and Biotechnology, Third Edition Food science and technology. CRC Press, 2008
27
27 Gyógyszer-, Kozmetikai ipar Gyógyszeripar / Pharmaceutical Industry szintetikus enantiomerek ált. racém keveréke van forgalomban, pedig csak az egyik izomer kellene lipáz: szelektív észterezést végez, pl. intermedierek eá. tiszta enantiomer gyomírtók nem-szteroid gyulladásgátlók (pl. ibuprofén) béta-blokkolók és egyéb szívgyógyszerek prosztaglandinok szteroidok emésztést segítő gyógyszerkészítményekben Kozmetikai ipar / Cosmetic Industry drága az enzim, de jobb minőségű a termék és kevesebb „downstream” művelet kell speciális észterek eá. bőrápoló és napozókrémek, fürdőolajok viasz észterek Pharmaceutical, Cosmetic Industry
28
Biogázosítás – lipid hidrolízis gátolva ezzel az anyagtranszportot Az olajok és zsírok közvetlen beadagolva a biogázosító reaktorba rátapadhatnak a bakteriális ökoszisztémát adó aggregátumok, flokkulátumok felületére, gátolva ezzel az anyagtranszportot a vizes fázis és a szilárd részecskék között. beépülve egyes baktériumok membránjaiba Még ennél is kifejezettebb az az irreverzibilis gátlóhatás, amit az olajok és zsírok hidrolízisénél felszabaduló hosszúláncú zsírsavak – különösen a telítetlen zsírsavak – okoznak, beépülve egyes baktériumok membránjaiba, véglegesen meggátolva azok normális fiziológiai működését. Állattenyésztők A metanogén baktériumok erősen gátolhatók hosszúláncú zsírsavakkal. Állattenyésztők ki is használják ezt a jelenséget, amikor takarmányhoz adagolva azokat, nagymértékben csökkenthető a kérődzők metántermelése. 3-szor annyi energianyeréssel Másrészről a zsírsavak biogázosítása kb. 3-szor annyi energianyeréssel jár, mint a szénhidrátoké! 28
29
Biogázosítás – lipid hidrolízis a hidrolízis sebessége sokkal nagyobb, mint a biogázképzés sebessége Az olajok és zsírok gyors hidrolízisét és ezáltal a gátló hosszúláncú zsírsavak felszaporodását a biogázosító reaktorban megakadályozni nem tudjuk, mivel a reaktorban jelentős lipáz aktivitás figyelhető meg, ezáltal a hidrolízis sebessége sokkal nagyobb, mint a biogázképzés sebessége. hosszúláncú zsírsavak Ca-sói A hosszúláncú zsírsavak Ca-sói nem okoznak a fentiekhez hasonló gátlást, mivel oldhatóságuk vízben minimális. Ekvimoláris mennyiségû Ca 2+ szükséges a kívánt hatás eléréséhez,vagyis ha a hosszúláncú zsírsav (LCFA) és a Ca 2+ mólarányát fejezzük ki, akkor ha ez az arány : [LFCA] / [Ca] = 2,vagy ennél kisebb, akkor nincs gátlás. Ugyanakkor CaCO 3 adagolása nem csökkenti a gátlóhatást. Miért? 29
30
Biogázosítás – lipid hidrolízis pH (üveg) elektróddal Először megvizsgáltuk, hogy követhető-e a lipázos hidrolízis 3 fázisú (víz-olaj- oldhatatlan zsírsav-Ca sók) rendszerben manuális pH-stat módszerrel pH (üveg) elektróddal. CaO zavar. Fenolftalein Fenolftalein: Ezért az újabb kísérletünkben először ismert mennyiségű CaO-ot adtunk a rendszerhez. Ennek hatására a fenolftalein lilaszínre váltott. Mértük azt az időt, ami az adott mennyiségű CaO elfogyásához szükségeltetett az időközben képződött zsírsavak hatására. fordulatszám A fordulatszám nagymértékben befolyásolja a hidrolízis sebességét. Miért? 30 A Novozyme 871 lipáz enzim aktivitásának pH-függése
31
31 Biogázosítás – lipid hidrolízis
32
szigmoid enzim adszorpciója a határfelületen nulladrendű hidrolízis kinetikával A görbe szigmoid jellegű. Oka lehet a lipáz enzim határfelületen történő működése, amelynek első lépése az enzim adszorpciója a határfelületen. Valószínűleg ennek időben elnyújtott jellege okozza a furcsa kinetikai viselkedést. A kezdeti görbekésés után viszont jó közelítéssel lineáris szakasz következik. Ez viszont csak nulladrendű hidrolízis kinetikával indokolható. Ismert, hogy nulladrend esetében a sebesség és a sebességi állandó nem függ a szubsztrát koncentrációjától, vagyis: Integrálva S o és S t, ill. 0 és t között: ahol S 0 = a kiindulási szubsztrátkoncentráció, S t = adott t idő után még megmaradt szubsztrátkoncentáció, t = a reakcióidő [S 0 ]-[S t ] viszont egyenlő a termékkoncentrációval, ill. esetünkben áttételesen a CaO fogyással. 32 Biogázosítás – lipid hidrolízis
33
amikor a Ca-szappan csapadék jelentőssé válik a reakcióelegyben, akkor annak felületén kialakul egy olajfilm Ezt a furcsa hidrolízis kinetikai viselkedést, t.i. hogy a szubsztrátkoncentráció nem változik a hidrolízisnek egy jelentős szakaszán – mert, ha változna, akkor nem nulladrendű összefüggést kellene kapnunk – csak úgy tudjuk magyarázni, hogy amikor a Ca-szappan csapadék jelentőssé válik a reakcióelegyben, akkor annak felületén kialakul egy olajfilm. Ennek a felülete határozza meg a hidrolízis sebességét. De a film felülete mindaddig nem változik, amíg már csak molekuláris fedettség nem lesz a csapadék felületén. Ha ez bekövetkezik, akkortól már csökken a szokásoknak megfelelően a hidrolízis sebessége. maradék olajfázis teljesen eltűnt, valószínűleg adszorbeálódott a csapadékon Ennek egy indirekt bizonyítékát tapasztaltuk is, mert egy teljesen azonosan kivitelezett kísérletben reakció közben leállítottuk a lineáris szakasz közepe táján a keverést. Állás közben szétvált a rendszer szilárd csapadékká és vizes fázissá. A maradék olajfázis teljesen eltűnt, valószínűleg adszorbeálódott a csapadékon. 33 Biogázosítás – lipid hidrolízis
Hasonló előadás
© 2024 SlidePlayer.hu Inc.
All rights reserved.