XYLANASE CẤU TRÚC PHÂN TỬ VÀ ỨNG DỤNG

• Xylan là 1 phức hợp polysaccharide hình thành từ liên kết β-1,4 trên mạch chính xylopyranosyl với mạch nhánh là arabinosyl hay glucuronosyl, methylglucuronosyl, acetyl, feruloyl và ρ-c

XYLANASE CẤU TRÚC PHÂN TỬ VÀ ỨNG

DỤNG

Giới thiệu

• Xylan là thành phần chính trong cấu trúc vách

tế bào thực vật

• Xylan là 1 phức hợp polysaccharide hình thành từ liên kết β-1,4 trên mạch chính xylopyranosyl với mạch nhánh là arabinosyl hay glucuronosyl, methylglucuronosyl, acetyl, feruloyl và ρ-coumroyl, tùy theo nguồn gốc thực vật

Sự phân giải xylan nhờ enzyme

Hai nhóm chính:

• Nhóm hoạt động trên mạch chính xylose.

• Nhóm cắt mạch nhánh.

Quá trình phân giải xylan rất phổ biến ở các vi sinh vật hoại sinh, gỗ, vi khuẩn và nấm, cũng như ở dạ cỏ động vật nơi có các hệ thống enzyme phân giải xylan hoàn chỉnh.

Hình 1 Vị trí enzyme tiếp xúc và xúc tác quá trình phân giải xylan

và các mạch nhánh

 Chức năng, sự biểu hiện và tính đa hình:

• Xylanase cắt mạch xylan chính thành các oligosaccharide nhỏ hơn

• Xylanase là loại enzyme endo thủy phân các liên kết ở ở mạch xylan và ngẫu nhiên tạo thành 1 hỗn hợp các xylooligosaccharide từ mạch polymer

• Do xylan là 1 polymer lớn, không thể xâm nhập vào trong tế bào được, nên xylanase phải được tiết ra ngoài môi trường ngoại bào để tiếp xúc và xúc tác thủy phân nó

• Nhiều vi sinh vật phân giải xylan tạo ra nhiều xylanase đa hình có cùng tính chất xúc tác

• Cellulosome tiết ra phức hợp nhiều ezyme được tìm thấy trong các vi khuẩn kỵ khí

 Cấu trúc phân tử và phân loại:

• Dựa vào cấu trúc phân tử mà xylanase được phân thành 2 nhóm: nhóm enzyme có 1 domain và nhóm

có nhiều domain.

• Các domain gắn kết với cellulose, hầu hết là các domain không có chức năng xúc tác ở xylanase, chúng thúc đẩy việc gắn kết với các dạng cellulose crytalline hoặc amorphous khác nhau và có thể bẻ gãy

vi sợi cellulose để cellulase phân giải dễ dàng hơn

Phân loại:

• Phân loại thành hai nhóm dự theo tính chất lý hóa (1988):

+ Nhóm có phân tử khối thấp (<30 kDa) và pI (điểm đẳng điện) trung tính

+ Nhóm có phân tử khối cao (>30 kDa) và pI acid

• Dựa trên sự so sánh cấu trúc bậc hai của các domain xúc tác và phân enzyme thành các family có trình tự tương tự nhau

 Cấu trúc:

• Cấu trúc không gian của nhiều xylanase vi khuẩn và nấm trong family 10 và 11 đã được xác định.

• Có nhiều enzyme của family 10 đáng chú ý, gồm 1 module gắn kết carbonhydrate được nối bằng 1 cầu nối (linker) linh động

• Xylanase family 11 thường có các domain xúc tác có

từ 180-200 cấu tử gấp cuộn thành 1 motif β-sheet được gọi là gấp β-jelly-roll.Chúng đặc hiệu với xylan hơn và thường không có các domain phụ.

Hình 2 Cấu trúc 3 chiều của các xylanase và phức của chúng với xylooligosaccharide

• So sánh tính chất xúc tác của xylanase trong 2 family,

10 và 11, cho thấy xylanase family 10 biểu hiện có phổ cơ chất lớn hơn hay tính đặc hiệu cơ chất thấp hơn các enzyme của family 11.

• Sự biến đổi thay thế trên chuỗi xylan ảnh hưởng tới các loại xylanase cũng khác nhau và với các enzyme family 11 sự biến đổi này tạo thành 1 cản trở không gian lớn

Cơ chế xúc tác

• Glycoside hydrolase hoạt động theo 2 cơ chế chính là tạo mạng lưới giữ lại hay nghịch chuyển cấu trúc hình thể anomeric

• Hai cấu tử glutamate được bảo tồn nằm trên trung tâm hoạt động (cách nhau khoảng 5.5 Å)

là các cấu tử liên quan tới hoạt động xúc tác

β-xylosidase và các enzyme cắt

mạch nhánh

• β-xylosidase: thủy giải xylobiose và các mạch xylooligosaccharide ngắn tạo ra bởi hoạt động của xylanase, giải phóng xylose khỏi đầu không khử

• α-L-arabinofuranosidase: là những exo enzyme xúc tác cắt cuối nhánh arabiose gắn lên xylan và các polysaccharide có chứa arabinose

• α-D-glucuronidase: thủy giải liên kết giữa acid

4-O-methylglucuronic/glucuronic các cấu tử

xylose trong glucuronoxylan

• Acetyl xylan esterase: loại nhóm chức acetyl khỏi xylan được acetyl hóa

• Acid hydroxycinnamic esterase: cắt liên kết ester giữa arabinose mạch nhánh và cấu tử feruloyl hay ρ-coumaroyl

Ứng dụng

• Ứng dụng CNSH của xylanase bắt đầu từ 1980 trong sản xuất thức ăn động vật, và sau này mở rộng ra lĩnh vực công nghiệp thực phẩm, dệt

và giấy

• Cải tạo sinh học xylan thành xylitol có độ ngọt cao nhưng calorie thấp

• Xylanase được dùng như phụ gia thêm vào thức ăn động vật cho các loài monogastric, thường có trong các thành phần của thức ăn gia súc

• Xylanase kết hợp với pectinase ứng dụng trong công nghiệp nước quả và rượu vang, trong công nghệ làm bia

• Chất phụ gia thêm vào trong quá trình nướng

• Hai ứng dụng chính của xylanase hiện nay trong ngành công nghiệp là sản xuất giấy và bột giấy

Hình 3 Hình ảnh phân tích bằng hiển vi điện tử