Levanaasid

Levanaasid ehk levaanhüdrolaasid, fruktaanhüdrolaasid või fruktanaasid (süstemaatilise nimega (2→6)-β-D-fruktaani fruktaanohüdrolaasid) on eksoensüümid, mis katalüüsivad 2,6-β-D-fruktofuranosüülsidemete hüdrolüüsi 2,6-β-D-fruktaanides (levaanides). Levanaas lagundab polümeere, mis koosnevad vähemalt kolmest fruktoosi monomeerist. Levanaasi vahendatud hüdrolüüsi tulemusena vabanevad lühema ahelaga fruktooligosahhariidid ja fruktoos. Levanaasid jagunevad endo- ja eksolevanaasideks, sõltuvalt sellest, kus need toimivad. Endolevanaasid lagundavad polüsahhariidiahelat keskpaigast ja selle toimel vabanevad lühemad oligosahhariidid. Eksolevanaasid lagundavad polümeere ahela otsast, hüdrolüüsides viimase ja eelviimase monomeeri vahelist sidet. Selle tulemusel vabanevad fruktoosi monomeerid. Organismides levinuimad levanaase kodeerivad geenid on sacA, sacC ja levB. Levanaase toodavad valdavalt bakterid ja seened, kuid ka peet. Enim on uuritud Bacillus subtilis'e levanaasi. Levanaasid kuuluvad oma aminohappelise järjestuse ja struktuurilise ülesehituse põhjal 32. glükosiidi hüdrolaaside perekonda (CAZy andmebaasis GH32) koos invertaaside, transglükosülaaside ja teiste glükosiidi hüdrolaasidega. Selle perekonna ensüümid koosnevad kahest struktuursest alaühikust: katalüütilisest domeenist ja sahhariidi siduvast domeenist (CBM). Kahe domeeni vahel on vahelüli. Katalüütiline domeen asub valgu N-terminaalses otsas ning on 5-labalise β-propelleri ehitusega. Katalüütiliselt aktiivne piirkond asub propelleri labadevahelises õõnsuses. Selles on katalüüsis osalevad 3 aminohappe jääki: kaks aspartaati ja üks glutamaat. Sarnase katalüütilise domeeni ehitusega on ka glükosiidi hüdrolaaside 68. perekonna ensüümid, mille hulka kuuluvad näiteks ka levaansukraasid (sahharoosist levaani tootvad ensüümid). Sahhariidi siduv domeen asub levanaasi C-otsas ja moodustab "β-võileiva" struktuuri (kaks β-lehte, mis koosnevad kuuest antiparalleelsest β-ahelast). See piirkond stabiliseerib ensüümi, aitab substraadile kinnituda ning suurendab ensüümi afiinsust substraadi suhtes ja katalüüsi efektiivsust. Levanaaside funktsioon bakterites on lagundada levaani rakkutransporditavateks oligosahhariidideks. Kuna levanaasid on rakuvälised ensüümid, satuvad hüdrolüüsi saadused keskkonda, kus neid saavad kasutada ka teised mikroorganismid. Levanaasi ülesanded peedis pole selged, kuid oletatakse, et see võib aidata lagundada patogeensete bakterite levaani sisaldavat limast biofilmi. Levanaaside peamine lagundatav substraat on 2,6-β-D-fruktofuranosüülsidemetega seotud fruktoosijääkidest koosnev polümeerne sahhariid ehk levaan, kuid mitmed levaaniahelat otsast lagundavad levanaasid suudavad samamoodi hüdrolüüsida ka inuliini. Levanaaside substraadi lagundamise võime oleneb ka polüsahhariidi struktuurist ja molekulmassist. Lineaarseid ja vähem hargnenud levaani polümeere lagundatakse kiiremini ja edukamalt kui hargnenud polümeere. Väiksema molekulmassiga levaane hüdrolüüsitakse kiiremini kui suuremaid. Levanaas hüdrolüüsib vee juuresolekul levaani polümeeri 2,6-β-D-fruktofuranosüülsidemed. levaan ( n + m ) + H 2 O → l e v a n a a s levaan ( n ) + levaan ( m ) {\displaystyle {\ce {levaan (n+m) + H2O ->[{levanaas}]levaan (n) + levaan (m)}}} Hüdrolüüsides levaanis olevaid sidemeid, toodab levanaas lühemaid levaanitüüpi fruktooligosahhariide ehk FOS-e polümerisatsiooniastmetega 2–12 monomeeri. Milliseid fruktooligosahhariide kõige rohkem tekib, sõltub ensüümist, kuid sageli on ülekaalus levaanbioos (koosneb kahest fruktoosi monomeerist) või levaantrioos (koosneb kolmest fruktoosi monomeerist). Lisaks fruktooligosahhariididele tekib ka fruktoosi monomeere. Levanaas on rakuväline ensüüm, mis tähendab, et polümeeri lagundamise protsess toimub väljaspool rakku. Gramnegatiivsetel bakteritel, näiteks Bacteroides thetaiotaomicron'il, on ensüüm kinnitunud raku välismembraanile. Peedis asub ensüüm rakukestas. Metaboolselt on levanaas ja selle reaktsioonid osa tärklise ja sahharoosi metabolismi rajast. Ensüümi tööks optimaalne pH on 4–7, kuid võib ulatuda üksikutel levanaasidel kuni pH-ni 10. Temperatuurioptimum jääb vahemikku 30–50 °C. Ensüümi aktiivsust inhibeerivad metalliioonid (nt Hg2+ ja Ag+) ja EDTA. Levanaasi tootmist bakterirakus vähendab sahharoosi esinemine keskkonnas. Sahharoosi allasuruv toime ensüümile on tingitud selle eelistamisest levaanile süsiniku allikana. Ka väga kõrge fruktoosi tase inhibeerib levanaasi ekspressiooni rakus. Bacillus subtilis Bacillus licheniformis Bacteroides thetaiotaomicron Escherichia coli Actinomyces viscosus Saccharomyces spp. Beta vulgaris Levanaase kasutatakse toiduainetööstuses, kosmeetikatööstuses, põllumajanduses ja meditsiinis. Toiduainetööstuses kasutatakse levanaase fruktoosisiirupite ja kalorivabade magusainete tootmiseks. Tulevikus loodetakse levanaase rakendada uute prebiootikumide tootmiseks. Levaan ise erilist prebiootilist toimet ei evi, kuid on prekursoriks paljudele prebiootilistele fruktooligosahhariididele. Levaani tarbimine soodustab levanaasi tootvate bakterite elutegevust inimese soolestikus. Need bakterid toodavad fruktooligosahhariide, mis on omakorda toitaineks teistele probiootilistele bakteritele. Näiteks inimese soolestikus ühed levinumad bakterid laktobatsillid ei tooda levanaasi ega suuda levaani lagundada, kuid selle hüdrolüüsi saadusi tarvitavad meeleldi. Põllumajanduses kasutatakse levanaase biotsiidide toimeefektiivsuse parandamiseks. Need aitavad lagundada seenerakkude kaitsvat limakihti, mis võimaldab kemikaalidel rakku tungida. Levaansukraas "Levanase". U.S. National Library of Medicine. 04.02.2004. Vaadatud 30.10.2017. "EC 3.2.1.65". IUBMB Enzyme Nomenclature. Vaadatud 30.10.2017. "UniProtKB: levanase". UniProt. Vaadatud 30.10.2017. "Information on EC 3.2.1.65 - levanase". BRENDA - The Comprehensive Enzyme Information System. Vaadatud 30.10.2017. "CAZY GH32". Vaadatud 14.12.2017. Willem Lammens, Katrien Le Roy, Lindsey Schroeven, André Van Laere, Anja Rabijns, Wim Van den Ende (01.03.2009). "Structural insights into glycoside hydrolase family 32 and 68 enzymes: functional implications". Journal of Experimental Botany, (Inglise keeles). Volume 60, Issue 3, lk 727-740. Vaadatud 30.10.2017.{{netiviide}}: CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link) CS1 hooldus: tundmatu keel (link) CS1 hooldus: üleliigsed kirjavahemärgid (link) Fiona Cuskin, James E. Flint, Tracey M. Gloster, Carl Morland, Arnaud Baslé, Bernard Henrissat, Pedro M. Coutinho, Andrea Strazzulli, Alexandra S. Solovyova, Gideon J. Davies, Harry J. Gilbert (03.12.2012). "How nature can exploit nonspecific catalytic and carbohydrate binding modules to create enzymatic specificity". PNAS. Vaadatud 30.10.2017.{{netiviide}}: CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link) Karin Mardo, Triinu Visnapuu, Heiki Vija, Anneli Aasamets, Katrin Viigand, Tiina Alamäe (01.19.2017). "A Highly Active Endo-Levanase BT1760 of a Dominant Mammalian Gut Commensal Bacteroides thetaiotaomicron Cleaves Not Only Various Bacterial Levans, but Also Levan of Timothy Grass". PLOS ONE (Inglise keeles). Vaadatud 30.10.2017. {{netiviide}}: kontrolli kuupäeva väärtust: |aeg= (juhend)CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link) CS1 hooldus: tundmatu keel (link) Wim Van den Ende, Barbara De Coninck, Stefan Clerens, Rudy Vergauwen, André Van Laere (03.11.2003). "Unexpected presence of fructan 6-exohydrolases (6-FEHs) in non-fructan plants: characterization, cloning, mass mapping and functional analysis of a novel 'cell-wall invertase-like' specific 6-FEH from sugar beet (Beta vulgaris L.)". The Plant Journal (Inglise keeles). Vaadatud 30.10.2017.{{netiviide}}: CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link) CS1 hooldus: tundmatu keel (link) Porras-Dominguez JR; et al. (mai 2014). "Levan-type FOS production using a Bacillus llicheniformis endolevanase.". Process Biochemistry (Inglise keeles). Lk 783-790. {{raamatuviide}}: et al.-i üleliigne kasutus kohas: |autor= (juhend)CS1 hooldus: tundmatu keel (link) "UniProtKB - P05656 (SACC_BACSU)". Vaadatud 14.12.2017. Kaarel Adamberg, Katrin Tomson, Tiina Talve, Ksenia Pudova, Marju Puurand, Triinu Visnapuu, Tiina Alamäe, Signe Adamberg (02.12.2015). "Levan Enhances Associated Growth of Bacteroides, Escherichia, Streptococcus and Faecalibacterium in Fecal Microbiota". PLOS ONE (Inglise keeles). Vaadatud 30.10.2017.{{netiviide}}: CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link) CS1 hooldus: tundmatu keel (link) Levanaasi 3D-mudel Levanaas sahharoosi ja tärklise metabolismi rajas