Pektinase

Pektinasen sind eine Gruppe von Enzymen , die Pektin , ein Polysaccharid in pflanzlichen Zellwänden, durch Hydrolyse, Transeliminierung und Deesterifizierung abbauen . ^{[ 1 ] [ 2 ]} Sie werden gemeinhin als Pektinenzyme bezeichnet und umfassen Pektolyase , Pektozym und Polygalacturonase , eine der am besten untersuchten und am weitesten verbreiteten kommerziellen Pektinasen. Pektin ist von Bedeutung, da es die gelartige Matrix bildet, die Pflanzenzellen zusammenhält und in die andere Zellwandbestandteile wie Cellulosefibrillen eingebettet sind. Daher werden Pektinasen häufig in Prozessen eingesetzt, die den Abbau von Pflanzenmaterialien betreffen, beispielsweise zur Beschleunigung der Saftgewinnung aus Früchten wie Äpfeln und Sapote . Pektinasen werden seit den 1960er Jahren auch in der Weinherstellung verwendet. ^{[ 3 ]} Die Funktion der Pektinase beim Brauen ist zweifach: Erstens hilft sie beim Abbau pflanzlicher Bestandteile (typischerweise Früchte) und unterstützt so die Extraktion von Aromen aus der Maische. Zweitens verursacht das Vorhandensein von Pektin im fertigen Wein eine Trübung. Pektinase wird eingesetzt, um dieses Pektin abzubauen und den Wein so zu klären.

Pektinasen lassen sich aus Pilzen wie Aspergillus niger gewinnen . Dieser Pilz produziert diese Enzyme, um die Mittellamelle von Pflanzen aufzubrechen und so Nährstoffe aus dem Pflanzengewebe zu extrahieren und Pilzhyphen einzuschleusen . Wird Pektinase gekocht, denaturiert sie (entfaltet sich), wodurch die Bindung an das Pektin am aktiven Zentrum erschwert und die Saftproduktion reduziert wird.

Pektinasen sind ein Sammelbegriff für eine Gruppe von Enzymen, die den Abbau von Pektin durch Hydrolyse, Trans-Eliminierung und De-Esterifizierung katalysieren. Der Abbau pektischer Polymere wird hauptsächlich durch Exo- und Endo- Polygalacturonase (Exo- und Endo-PGs), Pektat- und Pektinlyasen (PLs), Pektinmethylesterase (PME) und Acetylesterase (PAE), β-Galactosidase (β-Gal) und α -L-Arabinofuranosidase ( α -L-Af) sowie weitere Enzyme verursacht. ^{[ 4 ] [ 5 ]}

• Die Endo-Polygalacturonase (EC 3.2.1.15) ist das wichtigste Enzym für die Depolymerisation und Solubilisierung von Pektin. Dieses Enzym hydrolysiert die α -1→4-glykosidischen Bindungen des methylierten, de-esterifizierten Homogalacturonan-Gerüsts. Es greift sein Substrat zufällig an und erzeugt dabei eine Vielzahl von D-GalA-Oligosacchariden.
• Exo-Polygalacturonase (EC 3.2.1.67 und EC 3.2.1.82) greift das Substrat vom nicht-reduzierenden Ende her an und kann terminal (1→)-verknüpfte D-GalA-Reste von Homogalacturonan- Ketten abspalten. Das Enzym benötigt eine nicht-veresterte D-GalA-Einheit an den Subsites −2, −1 und +1 und toleriert Xylose- Substitution (es kann ein D-GalA-Xyl-Dimer abspalten). Daher ist auch XGA ein Substrat der Exo -Polygalacturonase.
• PLs (Pektatlyasen, EC 4.2.2.2, und Pektinlyasen, EC 4.2.2.10) wirken durch die β-Eliminierung von methylverestertem Homogalacturonan in Gegenwart von Ca ²⁺ , Mn ²⁺ oder Ni ²⁺ . ^{[ 4 ]}
• PME (EC 3.1.1.11) und PAE (EC 3.1.1.6) de-esterifizieren Homogalacturonan-Ketten durch Abspaltung der Methoxyl- bzw. Acetylreste. Dadurch wird der Methylierungsgrad des Pektins verringert, was günstige Bedingungen für die Hydrolyse der α -1→4-Bindung im Homogalacturonan- Rückgrat durch Polygalacturonase schafft. Der Abbau von Rhamnogalacturonanen (RGs) erfolgt unter Beteiligung zahlreicher Enzyme.
• Die RG- Hydrolase (RGH, EC 3.2.1.171) hydrolysiert die α -D-1 → 4-D-GalA- α -L-1 → 2-Rha-Bindung im RG-I-Rückgrat, wobei Rha am nicht-reduzierenden Ende verbleibt. Die RG-Lyase (RGL, EC 4.2.2.23) hydrolysiert das RG-I- α -L-1 → 2-Rha- α -D-1 → 4-GalA-Rückgrat und hinterlässt eine 4-Desoxy-β-L-threo-hex-4-enpyranosyluronsäure-Gruppe (ungesättigtes GalA) am nicht-reduzierenden Ende.
• RG-Rhamnohydrolase (RGRH, EC 3.2.1.174) ist eine exo -wirkende Pektinase, die die Spezifität besitzt, terminale Rhamnosylreste (1 → 4)-gebunden an α -Galacturonosylreste freizusetzen .
• RG Galacturonohydrolase (RGGH, EC 3.2.1.173) ist in der Lage, eine GalA-Einheit, die an einen Rha-Rest gebunden ist, von der nicht-reduzierenden Seite der RG-I-Ketten abzuspalten, kann aber GalA nicht von Homogalacturonan freisetzen.
• β-Gal (EC 3.2.1.23) und α -L-Af (EC 3.2.1.55) sind zwei Enzyme, die für die Entfernung von Galactosyl- bzw. Arabinosylresten vom RG-I-Rückgrat verantwortlich sind, während die Acetylgruppen durch die Wirkung der RG-Acetylesterase (RGAE, EC 3.1.1.86) freigesetzt werden.

Die folgende Tabelle zeigt eine Zusammenfassung der am Pektinabbau beteiligten Enzyme. HG-PUL = Homogalacturonan-Polysaccharid-Utilisierungsloci; RG-I PUL = Rhamnogalacturonan-I-Polysaccharid-Utilisierungsloci.

Alle Pektinase-Enzymstrukturen enthalten einen prismenförmigen, rechtsgängigen Zylinder aus sieben bis neun parallelen β-Helices. Die drei parallelen β-Helices, die die Prismenform der Struktur bilden, werden als PB1, PB2 und PB3 bezeichnet, wobei PB1 und PB2 eine antiparallele β-Helix bilden und PB3 senkrecht zu PB2 angeordnet ist. Alle Substratbindungsstellen der verschiedenen Esterasen, Hydrolasen und Lyasen befinden sich in einer äußeren Spalte der zentralen parallelen β-Helix-Struktur zwischen vorstehenden Schleifen der Struktur und PB1. ^{[ 6 ]}

Wie alle Enzyme besitzen auch Pektinasen eine optimale Temperatur und einen optimalen pH-Wert , bei denen sie am aktivsten sind. Beispielsweise wird eine kommerzielle Pektinase typischerweise bei 45 bis 55 °C aktiviert und arbeitet optimal bei einem pH-Wert von 3,0 bis 6,5. ^{[ 3 ]}

Pektinasen depolymerisieren Pektin durch Hydrolyse , Trans-Eliminierung und Deesterifizierung, indem sie die Esterbindung spalten, die die Carboxyl- und Methylgruppen im Pektin zusammenhält. ^{[ 7 ]}

Die Endo-Polygalacturonase durchläuft eine Reaktion entlang des folgenden Reaktionswegs: ^{[ 8 ]}

(1,4-α-D-Galacturonosyl) _{_n+m} + H_₂ O = (1,4-α-D-Galacturonosyl) _{_n} + (1,4-α-D-Galacturonosyl)_{_m}

Die heute verwendeten Pektinase-Enzyme werden natürlich von Pilzen und Hefen (50 %), Insekten, Bakterien und Mikroben (35 %) sowie verschiedenen Pflanzen (15 %) produziert ^{[ 9 ]} , können aber nicht von tierischen oder menschlichen Zellen synthetisiert werden ^{[ 10 ]} . In Pflanzen hydrolysieren Pektinase-Enzyme das in der Zellwand vorkommende Pektin und ermöglichen so neues Wachstum und Veränderungen. Die chemischen und strukturellen Eigenschaften des Pektins verändern sich in der Frucht besonders häufig durch Solubilisierung und enzymatischen Abbau. Diese Prozesse gelten als Schlüsselfaktoren für die Fruchtreifung. Strukturelle Veränderungen in der Mittellamelle und der primären Zellwand während der Reifung führen zur Zelltrennung und zur Erweichung des Gewebes. Die molekularen Komponenten der primären Zellwände werden während der Fruchtreifung durch die zeitlich und räumlich regulierte Wirkung endogener Enzyme modifiziert ^{[ 11 ] [ 12 ] .}

Ähnlich wie bei Pflanzen bauen Pektinasen Pektin während der Entwicklungsphase von Pilzen ab.

Pektinase-Enzyme spielen vielfältige Rollen in der Fruchtsaft- und Weinindustrie. Sie werden zur Klärung von Fruchtsäften eingesetzt und beschleunigen die Fruchtsaftgewinnung durch enzymatische Verflüssigung des Fruchtfleisches. Darüber hinaus tragen Pektinase-Enzyme zur Herstellung von fruchtfleischhaltigen Produkten in der Fruchtsaftindustrie bei. Sie werden zur Saftgewinnung aus Püree verwendet . Dabei spaltet das Enzym Pektinase das Substrat Pektin, wodurch der Saft extrahiert wird. Das Enzym Pektinase senkt die für die Saftgewinnung benötigte Aktivierungsenergie und katalysiert die Reaktion.

Pektinasen sind in der Weinindustrie nützlich, da sie Anthocyane aus Früchten extrahieren und so die Weinfarbe intensivieren. ^{[ 7 ]} Pektinase kann auch zur Extraktion von Säften aus den Zellwänden von Pflanzenzellen eingesetzt werden.

Pektinasen werden auch in der Textilindustrie zur Röste eingesetzt. ^{[ 13 ]} Die Zugabe von Chelatbildnern oder eine Vorbehandlung des Pflanzenmaterials mit Säure verstärkt die Wirkung des Enzyms.

 Dieser Artikel enthält Texte von Luna Barrera-Chamorro, África Fernandez-Prior, Fernando Rivero-Pino und Sergio Montserrat-de la Paz, verfügbar unter der CC BY 4.0- Lizenz.