GLUCOSE-OXIDASE: KENMERKEN, STRUCTUUR, FUNCTIES - BIOLOGIE - 2026

De glucose-oxidase , ook bekend als β-D-glucose: zuurstof 1-oxidoreductase, glucose-1-oxidase of gewoon glucose-oxidase is een oxidoreductase-enzym dat verantwoordelijk is voor de oxidatie van glucose β-D-producerende D-gluconolacton en waterstof peroxide.

Het werd eind jaren twintig ontdekt in extracten van de schimmel Aspergillus niger. Zijn aanwezigheid is bewezen in schimmels en insecten, waar de permanente productie van waterstofperoxide, vanwege zijn katalytische werking, belangrijke functies heeft ter verdediging tegen pathogene schimmels en bacteriën.

Schematische voorstelling van de structuur van het enzym Glucose Oxidase (Bron Arcadian, via Wikimedia Commons)

Tegenwoordig is glucose-oxidase gezuiverd uit veel verschillende schimmelbronnen, vooral uit de geslachten Aspergillus en Penicillium. Hoewel het andere substraten kan gebruiken, is het vrij selectief voor de oxidatie van β-D-glucose.

Het heeft meerdere toepassingen in industriële en commerciële contexten, wat te danken is aan de lage productiekosten en grote stabiliteit.

In die zin wordt dit enzym zowel in de voedselproductie-industrie als in de cosmetologie, farmacie en klinische diagnostiek gebruikt, niet alleen als additief, maar ook als biosensor en / of analytisch reagens voor verschillende oplossingen en lichaamsvloeistoffen.

kenmerken

Glucose-oxidase is een globulair flavoproteïne dat moleculaire zuurstof gebruikt als elektronenacceptor om uit glucose, D-glucono-δ-lacton en waterstofperoxide te produceren.

In een cellulair systeem kan het geproduceerde waterstofperoxide worden verbruikt door het enzym catalase om zuurstof en water te produceren. Op zijn beurt wordt in sommige organismen D-gluconolacton gehydrolyseerd tot gluconzuur, dat verschillende functies kan vervullen.

De tot dusver beschreven glucoseoxidase-enzymen zijn echter in staat om monosacchariden en andere klassen van verbindingen te oxideren, en zoals eerder besproken, zijn ze vrij specifiek voor het β-anomeer van D-glucose.

Ze werken in zure pH-bereiken, van 3,5 tot 6,5, en afhankelijk van het micro-organisme kan dit bereik aanzienlijk variëren. Bovendien zijn glucose-oxidasen van schimmels een van de drie soorten eiwitten die aan orthofosfaten zijn gebonden.

Net als andere biologische katalysatoren kunnen deze enzymen worden geremd door verschillende moleculen, waaronder zilver-, koper- en kwikionen, hydrazine en hydroxylamine, fenylhydrazine, natriumbisulfaat, onder anderen.

Structuur

Glucose-oxidase is een dimeer eiwit met twee identieke monomeren van elk 80 kDa, gecodeerd door hetzelfde gen, covalent verbonden door twee disulfidebruggen en waarvan de dynamiek betrokken is bij het katalytische mechanisme van het enzym.

Afhankelijk van het organisme varieert het gemiddelde molecuulgewicht van het homodimeer tussen 130 en 175 kDa en aan elk monomeer is via een niet-covalente binding een flavine-adenine-nucleotide (FAD) gebonden, een co-enzym dat tijdens de katalyse als elektronentransporteur fungeert. .

Structuur van monomeren

De analyse van de monomeren van verschillende glucosasoxidasen die in de natuur worden aangetroffen, onthult dat ze zijn onderverdeeld in twee verschillende regio's of domeinen: een die zich bindt aan FAD en een andere die zich bindt aan glucose.

Het FAD-bindende domein is samengesteld uit β-gevouwen vellen, terwijl het glucose-bindende domein bestaat uit 4 alfa-helices, die verschillende antiparallel β-gevouwen vellen ondersteunen.

Glycosylering

De eerste onderzoeken die zijn uitgevoerd met het A. niger-enzym, tonen aan dat 20% van het verse gewicht van dit eiwit uit aminosuikers bestaat en dat nog eens 16-19% overeenkomt met koolhydraten, waarvan meer dan 80% mannoseresiduen zijn. gehecht aan het eiwit door N- of O-glycosidebindingen.

Hoewel deze koolhydraten niet essentieel zijn voor katalyse, zijn er berichten dat de eliminatie of verwijdering van deze suikerhoudende residuen de structurele stabiliteit van het eiwit vermindert. Dit kan te wijten zijn aan de oplosbaarheid en weerstand tegen proteasen die deze "laag" koolhydraten eraan geeft.

Kenmerken

Bij schimmels en insecten speelt glucose-oxidase, zoals besproken, een essentiële verdedigingsfunctie tegen pathogene schimmels en bacteriën door een constante bron van oxidatieve stress in stand te houden door de permanente productie van waterstofperoxide.

Praten over andere algemene functies van het glucose-oxidase-enzym is niet zo eenvoudig, omdat het zeer specifieke functies heeft in de verschillende organismen die het tot expressie brengen. Bij bijen bijvoorbeeld draagt ​​de afscheiding van de hypofaryngeale klieren in het speeksel bij aan het behoud van honing.

Bij andere insecten werkt het, afhankelijk van het stadium van de levenscyclus, bij het desinfecteren van ingenomen voedsel en bij het onderdrukken van het afweersysteem van de planten (bijvoorbeeld bij fytofage insecten).

Voor veel schimmels is dit een cruciaal enzym voor de vorming van waterstofperoxide dat de afbraak van lignine bevordert. Op zijn beurt is het voor andere soorten schimmels slechts een antibacterieel en schimmelwerend afweersysteem.

Functies in de industrie

Op industrieel gebied wordt glucoseoxidase op veel manieren geëxploiteerd, waaronder we kunnen specificeren:

- Als additief tijdens voedselverwerking, waar het werkt als antioxidant, conserveermiddel en stabilisator van voedselproducten.

- Bij het conserveren van zuivelproducten, waar het werkt als antimicrobieel middel.

- Het wordt gebruikt tijdens de productie van eipoeder voor de eliminatie van glucose en de productie van waterstofperoxide dat de groei van micro-organismen voorkomt.

- Het is ook nuttig bij de productie van wijnen met een laag alcoholgehalte. Dit komt door het vermogen om de glucose te consumeren die aanwezig is in de sappen die voor fermentatie worden gebruikt.

- Gluconzuur, een van de secundaire producten van de reactie die wordt gekatalyseerd door glucose-oxidase, wordt ook gebruikt voor het verven van textiel, het reinigen van metalen oppervlakken, als voedingsadditief, als additief in wasmiddelen en zelfs in medicijnen en cosmetica.

Glucosesensoren

Er zijn verschillende tests om de glucoseconcentratie onder verschillende omstandigheden te bepalen die gebaseerd zijn op de immobilisatie van het enzym glucose-oxidase op een specifieke drager.

In de industrie zijn drie soorten assays ontworpen die dit enzym als biosensor gebruiken en de verschillen daartussen zijn gerelateerd aan het detectiesysteem voor glucose en / of zuurstofverbruik of de productie van waterstofperoxide.

Naast hun bruikbaarheid in de voedingsindustrie, worden glucosebiosensoren gebruikt om de hoeveelheid glucose in lichaamsvloeistoffen zoals bloed en urine te bepalen. Dit zijn doorgaans routinetests voor het opsporen van pathologische en andere fysiologische aandoeningen.

Referenties

1. Bankar, SB, Bule, M. V, Singhal, RS en Ananthanarayan, L. (2009). Glucose oxidase - Een overzicht. Biotechnology Advances, 27 (4), 489-501.
2. Haouz, A., Twist, C., Zentz, C., Tauc, P., & Alpert, B. (1998). Dynamische en structurele eigenschappen van glucose-oxidase-enzym. Eur Biophys, 27, 19-25.
3. Raba, J., & Mottola, HA (1995). Glucose-oxidase als analytisch reagens. Critical Reviews in Analytical Chemistry, 25 (1), 1-42.
4. Wilson, R., & Turner, A. (1992). Glucose-oxidase: een ideaal enzym. Biosensoren en bio-elektronica, 7, 165–185.
5. Wong, CM, Wong, KH en Chen, XD (2008). Glucose-oxidase: natuurlijk voorkomen, functie, eigenschappen en industriële toepassingen. Appl Microbiol Biotechnol, 75, 927-938.