1 Факултет по природни науки и биотехнологии, Южноазиатски университет, Ню Делхи 110021, Индия

хитинази

Резюме

Хитинът е вторият най-обилен полизахарид в природата след целулозата, присъстващ в клетъчните стени на няколко гъби, екзоскелети на насекоми и черупки от ракообразни. Хитинът не се натрупва в околната среда поради наличието на бактериални хитинази, въпреки изобилието му. Тези ензими са способни да разграждат хитина, присъстващ в клетъчните стени на гъбичките, както и екзоскелетите на насекомите. Те показаха, че са потенциалните агенти за биологичен контрол на растителните болести, причинени от различни патогенни гъби и вредители от насекоми и по този начин могат да се използват като алтернатива на химическите пестициди. Наблюдава се постоянно нарастване на търсенето на производни на хитина, получени чрез действие на хитинази върху хитинов полимер за различни промишлени, клинични и фармацевтични цели. Следователно този преглед се фокусира върху свойствата и приложението на хитиназите, започвайки от бактерии, последвани от гъби, насекоми, растения и гръбначни животни. Проучването на хитиназа чрез прилагане на насочена лабораторна еволюция и рационални подходи за подобрена каталитична активност за рентабилни полеви приложения също е проучено.

1. Въведение

2. Структури и функции на хитина

Хитинът главно помага за образуването на екзоскелет, както при членестоногите и някои видове гъби; в допълнение хитинът при няколко вида е свързан с много протеини, които определят дали екзоскелетът ще бъде твърд, мек или гъвкав. Той също така се свързва с непротеинова част като калциев карбонат, която формира структурата на скариди, раци и омари. Хитинът и свързаните с него материали имат широко приложение в доставката на лекарства: заздравяване на рани, диетични фибри и пречистване на отпадъчни води [6]. Също така, хитинът осигурява защитни ползи чрез образуване на екзоскелет при членестоноги и гъбички.

3. Класификации и каталитичен механизъм на хитиназите


Въз основа на аминокиселинното сходство на хитиназите от различни организми, те са разделени на пет класа и са категоризирани в семейства 18, 19 и 20 на гликозил хидролази [11]. Семейство 18 включва хитинази от вируси, бактерии, гъбички, животни и някои растителни хитинази. Състои се от редица запазени повторения на аминокиселини и ензимно ядро, което има 8 паралелни нишки β листове, създавайки цев, позиционирана надолу α спирали, от своя страна образуващи пръстен към външната страна (Фигура 2) [12]. Семейство 19 включва някои растителни хитинази и Стрептомицес хитинази [13]. Семейства 18 и 19 не споделят сходство на аминокиселинната последователност и имат напълно различна 3D структура и следователно се казва, че еволюират от различни предци. Семейство 20 включва N-ацетилглюкозаминидази от бактерии, някои гъбички и хора.

4. Роля на хитиназите в различни организми

Основно, организмите се нуждаят от тези хитинолитични ензими за три различни цели. а) организмите притежават жилав слой хитин и хитиназите се експресират по време на фазите на развитие, за да помогнат за преустройството на екзоскелета си, за да поддържат и поддържат размера и формата на тялото. (б) Организми, които консумират други организми, съдържащи хитин, като източник на хранителни експресиращи хитинази, за да смилат неразтворимия хитинов полимер в абсорбиращи се метаболити, което дава енергия. в) Организмите, които са склонни към инфекция от покрити с хитин микроорганизми, експресират хитинази, за да разграждат защитния щит на заразяващите патогени, като по този начин осигуряват имунитет. Различните форми и специфични функции на хитиназите при бактерии, гъби, насекоми, растения и гръбначни животни са описани по-долу за цялостна оценка.

4.1. Бактерии

Бактериите произвеждат основно хитинази, за да доставят азот и въглерод като източник на хранителни вещества или предшественици и паразитизъм [14, 15]. Те се използват за разграждане на хитина и използването му като енергиен източник [16]. Хитиназите играят важна роля в бактериалната патогенеза навсякъде, където гостоприемникът съдържа хитин [17]. Serratia marcescens, една от най-добре изследваните хитинолитични бактерии, съобщава, че произвежда главно четири вида хитинази ChiA, ChiB, ChiC и CBP21 (хитин свързващ протеин). И трите хитинази принадлежат към семейство 18 гликозил хидролази с (β/α) 8 TIM-барел каталитичен домейн с приблизително шест захарни подсайта [18]. ChiA и ChiB имат мултимодулна организация, тоест имат N-краен хитинов свързващ модул с фибронектиноподобна гънка в ChiA или C-терминален CBM5 модул. CBM модулите, открити в хитиназите, са отдалечени и се характеризират с наличието на запазени открити триптофанови остатъци, които взаимодействат със субстрата [19]. Наличието на този домейн увеличава афинитета на свързване на субстрата, както и ефективността на хитиновата хитиноза, особено за по-кристални форми на хитин [20].

4.2. Гъби

Ентомопатогенните гъби могат да играят основна роля като биоконтролен агент за борба с насекоми и вредители. Свръхекспресията и инженерството на хитинази в тези гъби повишиха тяхната ефективност като биоконтрол [27]. Паразитни гъбички нематоди, произвеждащи хитиназа, се използват като биоконтролен агент, като се насочват към яйца и ларви на заразяващи нематоди растения и животни [28]. Хитиназата и хитин-свързващите протеини могат също да се използват за откриване на инвазивна гъбична инфекция при имуносупресирани пациенти [29].

Хитиназите, които са свързани с гъбична клетъчна стена, играят роля в нишковидните гъбични спороношения. Това е показано чрез използване на хитиназни инхибитори деметилалозамидин и алозамидин, причинявайки инхибиране на фрагментацията на хифите в артроконидии. Триходерма се считат за биоконтролни агенти в случай на пренасяни от почвата гъбични патогени сред различни хитинолитични гъби. Хитинази и β-1,3-глюканази от Talaromyces flavus и Триходерма sp. са пречистени и характеризирани. Хартл и групата са дали подробна представа за разнообразието, механистичните свойства и биотехнологичния потенциал на няколко други вида гъбични хитинази [2].

4.3. Насекоми

Всички насекоми хитинази принадлежат към семейство GH18. Въз основа на сходство на последователността насекомите хитинази са разделени на осем групи, които се различават по своето молекулно тегло, вариращо между 40 kDa и 85 kDa и техните pH стойности [30]. Цялостната структура се състои от три домена: каталитичен регион, регион, обогатен с аминокиселини пролин, глутамат, серин и треонин и богат на цистеин регион. Въпреки това, последните два домена не са необходими за активността на хитиназата. Богат на цистеин С-краен свързващ хитин домен на насекоми хитинази закотви субстрата [2, 30].

Насекомите хитинази участват в разграждането на слоя на кутикулата до по-малки олигозахариди чрез хидролизиране и произволно разбиване на кутикула, която се използва за синтез на нова кутикула. По този начин тези хитинази са необходими за частично разграждане на старата кутикула и синтез на новата. Експресията на тези ензими трябва да бъде под строг контрол, за да се избегне преждевременно излагане, което може да доведе до инхибиране на растежа [31]. За постигането на тази цел насекомите произвеждат специфични хитинази, които се изразяват диференцирано с течение на времето в различни етапи на метаморфоза [32]. Съобщава се също така, че хитиназите присъстват в отровата и слюнчената жлеза на някои насекоми. В тези случаи ролята на хитиназите може да бъде разграждането на кутикулата гостоприемник.

4.4. Растения

Въз основа на тяхната аминокиселинна последователност растителните хитинази са разделени на 7 класа, всеки от които притежава различна структура [33]. Класове III и V от растителна хитиназа принадлежат към семейство GH18, докато останалите пет класа принадлежат към семейство GH19 [34]. Растителните хитинази обикновено са ендохитинази и са с по-малко молекулно тегло в сравнение с насекомите хитинази. Много растения непрекъснато експресират хитинази в грудка, стъбло и корен. При растенията те действат като протеини, свързани с патогенезата, т.е. синтезирани в отговор на самозащита срещу фитопатогенна атака, също така навремето се съобщава, че тези хитинази участват в жизненоважни физиологични процеси на растенията като ембриогенеза и образуване на етилен [12]. Известно е, че хитиназата играе основна роля в защитата срещу хитин, съдържащи патогени като гъбички и насекоми. Провеждат се интензивни изследвания за разработване на трансгенни растения, свръхекспресиращи различни комбинации от хитинази, както и други свързани с патогенезата протеини [35].

Известно е също така, че хитиназите се експресират по време на условия на висок стрес на околната среда, като студ и суша [8]. Установено е, че някои от растителните хитинази показват склонност към структуриране на леда, което означава, че те се свързват с ледените кристали, намалявайки техния растеж, като по този начин подпомагат състоянието на стрес при студ [36]. Съобщава се, че някои от хитиназите от клас III играят важна роля при съхранението на калций, без да имат по-значителен ефект върху тяхната каталитична активност. Структурите и каталитичните функции на растителните хитинази и тяхната роля във физиологията на растенията са забележително прегледани от Sahai and Manocha [8] и Grover [37].

4.5. Гръбначни животни

5. Приложения на хитинази

Хитиназите имат няколко полеви приложения. Хитиназите придобиват известност в областта на биотехнологиите, прилагани в управлението на отпадъците, борбата с вредителите в селското стопанство и здравеопазването на хората, които са рекапитулирани на Фигура 3 и обсъдени подробно по-долу.