Շաբաթ , Նոյեմբեր 18 2017
Գլխավոր / ԳԻՏԱԿԱՆ ՀՈԴՎԱԾՆԵՐ / Ուսումնասիրվել է սպիտակուց, որը կարողանում է ճեղքել խիտինը

Ուսումնասիրվել է սպիտակուց, որը կարողանում է ճեղքել խիտինը

աղբյուրը՝ Gustav Vaaje-Kolstad, Bjørge Westereng, Svein J. Horn, Zhanliang Liu, Hong Zhai, Morten Sørlie, Vincent G. H. Eijsink. An Oxidative Enzyme Boosting the Enzymatic Conversion of Recalcitrant Polysaccharides // Science. 8 October 2010. V. 330. P. 219–222.
թարգմանությունը և մշակումը՝ Արամ Հակոբյանի (Արխանգելո)

Ներկայումս բիովառելանյութ փորձում են ստանալ ամենաէկզոտիկ հումքից մինչև սուրճի մրուրը: Եվ այս դեպքում ամենամեծ պրոբլեմներից մեկը՝ դա բիոմասսայում գտնվող պոլիմերների (ամենից առաջ պոլիսախարիդների) ճեղքումն է մինչև մոնոմերային մնացորդ, որոնցից հետագայում այս կամ այն մեթոդով կստացվի վառելանյութը: Օրինակ ցելյուլոզան և խիտինը աշխարհում ամենատարածված պոլիսախարիդներից են, որոնք շատ դժվար են ենթարկվում արդյունաբերական ճեղքման: Այդ իսկ պատճառով այդ պոլիսախարիդները “կտրող” բնության մեջ եղած ֆերմենտների ուսումնասիրությունը կարող է օգնել բիովառելանյութի արտադրությանը: Նորվեգական շրջակա միջավայրի և բիոսֆերայի գիտությունների համալսարանում (Norwegian University of Life Sciences, UMB) մանրակրկիտ ուսումնասիրել են ֆերմենտը, որը օգնում է ճեղքել խիտինը: Ստացված արդյունքները հնարավոր է բացեն մի նոր ճանապահ պոլիսախարիդներից բիովառելանյութ ստանալու համար:

Նկար 1. Ցելյուլոզի (վերևից) և խիտինի կառուցվածքը: Նկարը քննարկվող Science-ի հոդվածից

Ցելյուլոզան բույսերի բջջային պատերի գլխավոր ստրուկտուրալ կոմպոնենտն է, իսկ խիտինը՝ սնկերի մոտ: Խիտինից են կազմված միջատների և խեցգետնակերպերի զրահները: Այս երկու պոլիսախարիդներն էլ ամուր են, չեն լուծվում ջրում և դժվար են ենթարկվում քիմիական քայքայման: Ցելյուլոզայի թելիկները (շղթա) բաղկացած են գլյուկոզային մնացորդներից՝ միացած β-(1→4)-գլիկոզիդային կապերով: Խիտինի մոտ՝ N-ացետիլգլյուկոզամինից (գլյուկոզի ածանցյալ), միացած նույնանման կապով: Ե՛վ ցելյուլոզի և՛ խիտինի թելիկների արանքում գոյանում են բազմաթիվ ջրածնական կապեր, որոնք պոլիմերներին հաղորդում են հավելյալ ամրություն:
Այնպես որ այսպիսի պոլիսախարիդների ճեղքումը հեշտ գործ չէ: Դրանով զբաղված սպիտակուցները ընդունված է բաժանել էկզոֆերմենտների, որոնք “կծում են” պոլիմերային շղթայի “ծայրից” պատառներ և էնդոֆերմենտների, որոնք կտրում են շղթան մեջտեղներից (և այդպիսով տրամադրում են էկզոֆերմենտներին “կծելու” համար ավելի շատ “ծայրիկներ” ): Այս պրոցեսի ուսումնասիրման ընթացքում առաջացած ամենագլխավոր հարցերից մեկը դա այն է, թե ինչպե՞ս է հաջողվում ֆերմենտներին հասանելիություն ստանալ այդ կտրվող կապերին, եթե նրանք “դուրս չեն գալիս և աչքի չեն ընկնում” ամուր փաթեթավորված, բարձրակարգ պոլիմերային կառուցվածքից:
Պատկերը մի փոքր հստակ դարձավ խիտինը ճեղքող CBP21 (СВР -chitin-binding protein) սպիտակուցի ուսումնասիրումից, որը արտադրում է Serratia marcescens բակտերիան:

Նկար 2. CBP21 սպիտակուցի կառուցվածքը: Կապող մակերեսը (binding surface) նրա մոտ հարթ է, քանի որ գործ ունի հարթ խիտինային "թիթեղի" հետ, որը բաղկացած է երկար շղթաներից, որոնք իրար հետ միացած են ջրածնական կապերով: Հիստադինի մնացորդները՝ His114 և His2 պետք են մետաղների իոնների կապման համար: Նկարը Science-ի հոդվածից

Մեր սպիտակուցի կապող մակերեսի կողքը տեղակայված է “մետաղակապ” կենտրոնը, որը առաջանում է հիստիդինային երկու մնացորդներով (նկ.2): Ըստ երևույթին սա մեծ դեր է խաղում CBP21 գործունեությունում: Օրինակ, լուծույթից էթիլենդիամինտետրաքացաղաթթվով մետաղների իոնների հեռացումով, հնարավոր է փոքրացնել մեր ֆերմենտի ակտիվությունը: Իսկ լուծույթին ավելացնելով Mg2+ և Zn2+՝ վերականգնել նրա աշխատունակությունը: Ընդ որում մետաղի կատիոնները ոչ մի դեր չեն խաղում սպիտակուցի կողմից կատալիզված ռեակցիայում՝ ըստ երևույթին նրանք ուղակի օգնում են ֆերմենտին ընդունել ճիշտ կոնֆորմացիա: Հետաքրքիր է ընդգծել, որ CBP21-ի ցելյուլոզային անալոգ GH61-ի մոտ “մետաղակապ” մասը ունի շատ նման կառուցվածք (նկ.3):

Նկար 3. CBP21-ի ցելյուլոզային անալոգ GH61 սպիտակուցի կառուցվածքը: Մետաղի կատիոնները կապող հիստիդինները տեղակայված են ինչպես CBP21-ում: Նկարը քննարկվող Science-ի հոդվածից

CBP21-ը գործում է ինչպես էնդոֆերմենտ՝ կտրում է խիտինե շղթայի կենտրոններից և արդյունքում ստացվում են բավական երկար ֆրագմենտներ: Եվ հետաքրքրականը այն է, որ համարյա բոլոր այդ ֆրագմենտները ունեն զույգ թվով մոնոմերներ՝ այսինքն մեր սպիտակուցը կարող է կտրել ոչ բոլոր գլյուկոզիդային կապերը, այլ միայն ամեն երկրորդը: Նայելով խիտինի կառուցվածքը (նկ.1), կարելի է եզրակացնել, որ CBP21-ը կարող է մոտենալ խիտինի շղթային միայն մեկ ուղղությամբ և հենց դրա համար է որ նրան հասանելի է գլիկոզիդային կապի միայն մի մասը:

նկար 4. Խիտոօլիգոսախարիդը օրգանական թթուն ծայրին՝ CBP21-ի գործունեության արդյունք (R-ը խիտինային շղթայի մնացորդ): Նկարը քննարկվող Science-ի հոդվածից

Կտրելով խիտինային շղթան՝ CBP21-ը վերջում գտնվող մոնոմերներից մեկը թողնում է անփոփոխ, իսկ մյուսը օքսիդացնում մինչև օրգանական թթու (ավելի կոնկրետ՝ 2-(ացետամինո)-2-դեօքսի-D-գլյուկոնային թթու) (նկ4): Որպեսզի պարզվի թե ինչպես է ընթանում այս ռեակցիան ուսումնասիրողները օգտագործել են իզոտոպային նշագրման մեթոդը: Պարզվել է, որ ստացված թթվի թթվածնի մեկ ատոմը գալիս է ջրից, իսկ մյուսը՝ մոլեկուլյար թթվածնից: Այսպիսով, ռեակցիան, որը կատալիզվում է մեր սպիտակուցով՝ բաղկացած է 2 մասից՝ հիդրոլիզ և օքսիդացում: Դոնորային էլեկտրոնների ներկայությամբ (օրինակ ասկորբինաթթու) օքսիդացումը կարագանա: Եվ հակառակը՝ շնչառական թույները, որոնք “իրենց ձևացնում են” ինչպես թթվածին, օրինակ ցիանիդները ռեակցիան կկանգնեցնեն: Այլ խոսքերով, ընտրելով ռեակցիայի ճիշտ պայմաններ՝ մենք կարող ենք կրկնակի անգամ արագացնել խիտինի ճեղքման արագությունը:

նկար 5. Խիտինի շղթայի ճեղքման ժամանակ CBP21-ը կատալիզում է միանգամից 2 ռեակցիա՝ օքսիդավերականգնաման (սլաքի վրա) և հիդրոլիզ (սլաքի տակ): Արդյունքում ստացված թթուն թթվածնի մեկ ատոմը վերցնում է ջրից, իսկ մյուսը՝ մոլեկուլյար թթվածնից: Նկարը քննարկվող Science-ի հոդվածից

Պետք է նաև նշել, որ CBP21-ը խիտինի միակ ճեղքողը չէ, ավելի շուտ նա հիմք է պատրաստում մյուս խիտինազների գործունեության համար: Ըստ երևույթին հենց մեր ֆերմենտի աշխատանքը մնացածների հետ համատեղ կլինի ամենալավագույն ստրատեգիան խիտինի արագ և էֆեկտիվ ճեղքման համար:
Չնայած CBP21-ի ախատանքի էությունը մինչև վերջ չի պարզվել (անհասկանալի է, թե նա ինչպես է կարողանում հասնել կապերին, որոնք գտնվում են ամենադժվար հասանելի մասերում), այս ուսումնասիրությունները մեծ ինֆորմացիա տվեցին գիտական և պրակտիկ տեսանկյունից: Իհարկե դեռ վաղ է խոսել խեցգետնակերպերի զրահներից բիովառելանյութի ստացման մասին, բայց այն, որ CBP21-ի ցելյուլոզային անալոգը գործում է նպանատիպ կերպով, կարող է շատ օգնել ցելյուլոզի արտադրական ճեղքմանը:

Հեղինակ՝ Արամ Հակոբյան

ԵՊՀ, Դեղերի տեխնոլոգիայի և էկոնոմիկայի ամբիոնի ուսումնական լաբորատորիայի վարիչ: Հայկական Քիմիական Բլոգի հեղինակ և ադմինիստրատոր: Հետևեք քիմիա-թվիթերին և գրեք քիմիա-ֆեյսբուք էջում:

Դիտեք նաև

Գունագեղ ջերմաչափ – ՔՐՈՄ

Մենդելեևի քիմիական տարրերի պարբերական աղյուսակում Ք (հայկակա այբուբենի 36-րդ տառը) տառով սկսվող անուն ունի քրոմը։ ...

Պատասխանել

Ձեր էլ. փոստի հասցեն չի հրապարակվելու: Պարտադիր դաշտերը նշված են *-ով

Time limit is exhausted. Please reload the CAPTCHA.