Курсовая работа: Ферменты дереворазрушающих грибов
Возбудители белой гнили представлены базидиомицетами (афиллофоровым и пластинчатым), сохраняют форму и волокнистое строение древесины, но вызывают ее осветление вплоть до светло-желтого или белой окраски. Деградация сопровождается уменьшением прочности и увеличением набухания. К ним относят, например, сосновая губка. Большинство из них предпочитает лиственную древесину [3].
Возбудители бурой гнили относятся к базидиомицетам. Древесина под их действием буреет – накапливаются ароматические хромофоры в видимой области спектра (хиноны, хинонметиды, карбоксильные группы, устойчивые феноксильные радикалы, переходит в видимую область спектра поглощение лейкохромофорных групп). Одновременно она становится хрупкой. Деструкция сопровождается продольным сморщиванием и деформацией клеточных стенок. Типичными возбудителями являются большинство домовых грибов, трутовики Швейница, серножелтый и окаймленный, лиственничная губка [9].
Возбудители мягкой гомогенной гнили разлагают в клеточной стенке древесины преимущественно вторичный слой с образованием темноокрашенных гумусовых веществ (шоколадного цвета), постепенно разрушая ее внутреннюю структуру, из-за чего влажная древесина приобретает консистенцию густой пасты легко царапаемой ногтем. Мягкую гниль вызывают некоторые аскомицеты несовершенные грибы. Они разрушают хвойную и лиственную древесину [3].
Грибы белой гнили известны также как активные деструкторы широкого ряда поллютантов, включая полихлорированные фенолы, нитро- и аминозамещенные фенолы, диоксины [12]. Это единственные эукариоты способные разлагать полициклические ароматические углеводороды (ПАУ). Например, они могут метаболизировать фенантрен, нафталин, антрацен, флюорантен, флюорен, пирен, бензaпирен, бензaантрацен, хризен, карбазол и многие другие [13]. В отличие от бактерий, они могут метаболизировать ПАУ с 4 и более конденсированными кольцами. В настоящее время неизвестно ПАУ полностью устойчивых к деградации грибами белой гнили [8].
Эти грибы не используют ПАУ, также как и лигнин, в качестве единственного источника углерода и энергии, но способны кометаболизировать их. Полная минерализация ПАУ грибами белой гнили ограничена и составляет, по данным разных авторов, от 0,17% до 10%, большая часть этих веществ метаболизируется в гидрофильные гидроксилированные продукты, например дигидродиолы, хиноны и 2,2'-дифеновую кислоту – продукт расщепления ароматического кольца. Процесс деградации ПАУ, также как и процесс деградации лигнина является окислительным и протекает наиболее интенсивно при рН 4,0-5,0 [13].
Современные исследования деградации ПАУ грибами белой гнили направлены на детальное изучение метаболических путей и вовлеченных в них ферментных систем. Деградативную активность этих грибов в основном связывают с их внеклеточной лигнинолитической ферментной системой [11].
Для прикрепления к твердому субстрату и сохранения внеклеточных ферментов вблизи поверхности гифов грибы используют особые структуры – гифальные чехлы, построенные из слизистых полисахаридов предположительно β-1,3-β-1,6-глюканов [4].
2. Лигнолитический ферментный комплекс дереворазрушающих
грибов
Способность грибов разрушать лигниновый компонент древесины известна давно. Наиболее активными деструкторами лигнина в природе являются грибы белой гнили, которые образуют гетерогенную группу, состоящую большей частью из базидиомицетов, относящихся к семействам Agaricaceae, Corticaceae , Pleurotaceae, Strophariaceae и нескольких аскомицетов [6]. Так как в качестве лигнинолитиков изучены преимущественно базидиомицеты, то в узком смысле под грибами белой гнили обычно понимают лигнинолитические базидиомицеты. Наиболее подробно изучены Phanerochaete chrysosporium , Coriolus versicolor и Pleurotus ostreatus . [4]
Хотя лигнин является потенциально богатым энергией материалом, он не может служить единственным источником углерода и энергии, его деградация возможна при наличии в среде ростового субстрата, такого как целлюлоза или глюкоза. Деградация лигнина является событием вторичного метаболизма и происходит когда в среде культивирования исчерпываются источники углерода, азота или серы. [14] Разложение лигнина – процесс окислительный, стимулирующее действие кислорода на биодеградацию лигнинового полимера характерно для всех грибов белой гнили. Лигнинолитический процесс у этих грибов подвержен влиянию рН, максимум лигнинолитической активности приходится на рН 4,5 [13].
Структура высокомолекулярной полимерной гидрофобной молекулы лигнина определяет свойства расщепляющей его ферментативной системы. Такая система должна быть внеклеточной негидролитической и неспецифической. Лигнинолитическая система грибов белой гнили является внеклеточной окислительной и неспецифической, и включает лигнин пероксидазу, Mn-пероксидазу и лакказу [4].
Лигнин – глобулярный нестереорегулярный нерастворимый полимер. Его молекулярная масса более 10 000. Состоит из остатков фенилпропана, соединенных несколькими типами углерод – углеродных и эфирных связей. Молекулы этого ароматического вещества при образовании лигнина соединяются друг с другом случайным образом с помощью разных химических связей не подающиеся химическому расщеплению. У растений лигнин образует комплекс с гемицеллюлозой, в которой заключены проводящие пучки. Лигнин обусловливает ригидность растений, а также их устойчивость к механическим повреждениям и действию микробов [1].
С развитием биотехнологии базидиомицеты становятся доступным источником ферментов различных классов. Способность базидиомицетов синтезировать внеклеточные ферменты, характеризующиеся высокой активностью и стабильностью, дает возможность использовать их ферментные комплексы для практических целей [14].
В настоящее время во всем мире ведется интенсивная разработка технологий на основе базидиальных лигнинолитических грибов и их ферментов как для обработки лигниноцеллюлозных материалов, так и для утилизации лигнинсодержащих отходов, накапливающихся в природе в огромных количествах [15].
Дереворазрушающие базидиомицеты отличаются высоким содержанием окислительно-восстановительных ферментов, в первую очередь пероксидазы, Мп-пероксидазы, тирозиназы и лакказы [8]. Высшие базидиомицеты по составу лигнолитических ферментов объединяют в следующие группы:
В первую группу вошли грибы, обладающие лакказой, лигнин- и марганецпераксидазой активностью Phellinus ріпі, Trametes hirsuta, Bjerkandera adusta, Phanerochaete chrysosporium.
Вторая группа представлена грибами Lentinu s edodes, Pa n us tigrinus, P. chrysosporium, Dichomitus squalens, обладающих Mn-пероксидазной и лакказной активностью.
Третья группа характеризуется лигнинпероксидазной и лакказной активностью – грибы Trametes versicolor, Phlebia radiate, Pleurotus ostreatus.
Грибы, составляющие четвертую группу определены как Pleurotus ostreatus, P. eringii, В. adusta и для них характерна лакказа, арилалкогольоксидаза и другие ароматические оксидазы [12].
Разнообразное сочетание ферментативных комплексов у лигнинразрушающих грибов связано в первую очередь с экологическими особенностями грибов, трофической специализацией и является следствием длительной эволюции растений и грибов [7]. Представители различных таксономических и экологических групп обладают сходным составом ферментов. Однако уровень активности внеклеточных ферментов имеет существенную штаммовую и видовую вариабельность [10].
Внеклеточные лигнинолитические ферментные комплексы грибов белой гнили включают следующие типы окислительно-восстановительных ферментов: I. гем-содержащие ферменты, П. флавинсодержащие ферменты, III. целлобиозодегидрогеназа, IV. медьсодержащие ферменты [4].
Помимо лигнинразрушающих ферментов эти грибы образуют также системы гидролаз, гемицеллюлозы и целлюлозу [9].
I. Гемсодержащие ферменты,среди которых принято особо выделять лигнинпероксидазы (LiP) и марганец-пероксидазы (МnР). Основная функция этих ферментов – прямое, как у LiP или опосредованное медиатором (вератролом у LiP и ионами Мn у МnР) одноэлектронное окисление ароматических субстратов до соответствующих радикалов и двухэлектронное восстановление перекиси водорода до воды [4].
Лигнинпероксидаза(диарилпропаноксигеназа, Н2 02 -зависимая оксигеназа, лигниназа, КФ 1.11.1.14) – гемсодержащий фермент с молекулярной массой 39-42 кДа, являющийся донором Н2 02 . Катализирует различные реакции одноэлектронного окисления ароматических соединений (предпочтительно нефенольных) за счет кислорода перекиси водорода, с восстановлением ее до воды. К ним относят:
1. Сα−Сβ – разрыв пропильной группы лигнина и модельных соединений.
2. Гидроксилирование бензильных метиленовых групп.
3. Окисление бензиловых спиртов до соответствующих альдегидов и кетонов.
4. Окисление фенолов и расщепление ароматического кольца в нефенольных модельных соединениях лигнина [16, 17].