XYLANASE CẤU TRÚC PHÂN TỬ VÀ ỨNG DỤNG

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.

Xylanase

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
của bột gỗ thô cây bạch đàn trước và sau khi xử lý bằng Xylanase