Компонентный состав древесины березы

Содержание

Введение 3
1 Компонентный состав древесины березы 4
2 Микологические разрушения древесины березы 9
2.1 Исследование разрушений 9
2.2 Типы микологического поражения древесины 13
2.3 Виды биологического повреждения древесины 14
2.4 Механизм микологического разрушения древесины 15
3 Энзиматическое разрушение древесины березы 17
4 Пероксидазы как биокатализаторы деструкции древесины 21
4.1 Пероксидазы 21
4.2 Классификация пероксидаз 22
4.3 Механизм действия 25
5 Пероксидаза дереворазрушающих грибов Ph. Igniarius 27
Заключение 33

Введение

Березы являются членами семьи Betula. Все члены семьи Бетулы имеют гладкую, смолистую белую кору, которая скручивается, причем кора с возрастом становится густой и ребристой. Березы, как правило, сначала создаются (новые виды) в новой экосистеме, а затем вытесняются, когда другие деревья приближаются и дают тень. Древесина березы традиционно имеет кремово-белый цвет в древесине и золотисто-коричневый цвет в сердцевине.
Цели работы:
1. Оценить компонентный состав древесины березы.
2. Определить микологическое разрушение древесины березы (типы микологического разрушения древесины, механизм микологического разрушения)
3. Изучить энзиматическое разрушение древесины березы
4. Выявить пероксидазы как биокатализаторы деструкции древесины (свойства растительных пероксидаз, механизм действия и субстратная специфичность растительных пероксидаз)
5. Изучить пероксидазу дереворазрушающих грибов Ph. Igniarius.
1 Компонентный состав древесины березыВ данной работе я исследовала химический состав древесины березы на примере вида березы серебристой. (Betula pendulaRoth.) Береза серебристая является одним из важнейших лесообразующих и деревообрабатывающих лиственных пород. На её долю приходится 7,3% лесопокрытия. Согласно мировым данным, около 2,5 миллионов кубических метров березовой древесины ежегодно получают из лесов многих стран. Постоянно растущая доля лиственных пород, в том числе серебряной березы, в составе лесов приводит к увеличению поставок древесины этих пород.
Изменчивость древесины березы заключается в зависимости от типа среды обитания леса и расположения древостоя. Анализ химического состава был выполнен на 51 пробе из 306 опытных деревьев в возрасте приблизительно 30, 50 и 70 лет.
В исследуемом материале образца сумма основных химических компонентов для отдельных мест варьировалась от 89,26 до 91,57%. Содержимое веществ, растворимых в воде и этаноле, варьировалось от 2,30 до 4,03%, а содержание золы измеряли от 0,09 до 0,25%. Результаты показали, что местоположение оказало значительное влияние на содержание вещества растворимые в холодной воде (р = 0,0015), горячей воде (р = 0,0005), этанол (р \ 0,0001) и 1% NaOH (р = 0,0014), а также на содержание целлюлозы (р = 0,04), лигнин (р = 0,002), пентозаны (р = 0,04) и зола (р \ 0,0001) и на значение рН (Р \ 0,0001).
Полученные результаты могут послужить основой для оценки промышленного использования березовой древесины, а также при оптимизации традиционных методов утилизации и разработки новых методов, которые являются экологичными и устойчивыми.
Традиционно березовую древесину используют в больших количествах при изготовлении таких изделий, как целлюлоза и бумага, древесностружечная плита, фанера, мебель, а также в качестве дров. Используют также в фармацевтической, косметической и пищевой промышленности.
Листья березы, кора и сок служат для производства трав, лекарств, антиоксидантов, косметики, пищевых добавок и напитков.
Тем не менее, вышеупомянутые виды использования березовой древесины не в полной мере раскрывают ее потенциал в качестве возобновляемого материала.
Получение материалов и энергии из возобновляемых источников, включая лесную биомассу, становится приоритетом из-за истощения запасов ископаемого топлива, особенно сырой нефти. Можно ожидать, что источники энергии и химические продукты с высокой добавленной стоимостью будут производиться методами термической или химической обработки биомассы, такими как торрефикация, пиролиз, гидролиз, рафинирование, обезвоживание и экстракция, из недооцененных материалов, таких как кора или опилки. Древесина и кора серебряной березы вместе с другими лиственными видами являются примерами ценных ресурсов биомассы, которые тщательно изучаются с точки зрения их использования в промышленных масштабах
Основными факторами, определяющими полезность древесины в промышленности, являются анатомическая и химическая структура. Древесина березы состоит из древесных волокон, сосудов, медуллярных лучей и паренхимы. Вклад отдельных элементов варьируется в пределах одного дерева, и они зависят не только от вида, возраста и местоположения, но также и от условий обитания. Древесные волокна являются основным компонентом, составляя в среднем 64,8% массы древесины березы.
Высокое содержание древесных волокон и относительно высокая плотность и благоприятный химический состав древесины березы делают ее хорошим сырьем для целлюлозно-бумажной промышленности. Недостатком этой древесины является то, что она содержит от 2,5 до 3% экстрактивных веществ с до 33% неомыляемых компонентов, устойчивых к воздействию химикатов (Hillis 1962). Эти вещества вызывают затруднения при отбеливании целлюлозной массы, полученной из березы.
Основными компонентами древесины являются природные биополимеры, такие как целлюлоза, гемицеллюлозы (полисахариды) и лигнин. Они дополняются другими компонентами, такими как белки, крахмал, вещества, растворимые в органических растворителях (экстрактивных веществах) и в воде, и минеральные вещества. Целлюлоза представляет собой линейный полисахарид с кристаллической структурой, состоящей из линейных цепочек d-глюкозы, связанных β-1,4-гликозидными связями. Гемицеллюлозы – это полисахариды, которые отличаются от целлюлозы по своему составу и структуре. Они представляют собой комбинацию пентоз и гексоз (ксилоза, арабиноза, манноза, галактоза и глюкоза) с ацетильными группами, уроновой кислотой и 4-О-метилэфирами. Лигнин является аморфным природным полимером со сложной структурой, в основном состоящим из трех фенилпропановых мономеров: п-гидроксифенила, гваяцила и сирингила. Гваяцил доминирует в древесине хвойных пород деревьев, а сирингил и гваяцил доминируют в лиственных породах.
Экстрактивные вещества представляют собой группу соединений, которая включает жиры, жирные кислоты, спирты, фенолы, терпены, стероиды, смолы, смоляные кислоты, воски, древесные смолы и т. д. Вещества, растворимые в воде, включают сахара, минеральные соли, дубильные вещества, красители, пектины, свободные кислоты и др.
Результаты исследований химического состава различных видов березы варьируются в зависимости от используемых методов исследования и изученных видов березы, а также от исследуемой части дерева (ствол, ветви, кора, патологические наросты, древесина для реакции), возраста деревьев и климатических условий. Сурминский (1979), сравнивая серебряную березу и пушистую березу, на основании своих собственных исследований и исследований нескольких авторов, показал, что химический состав древесины серебряной березы и пушистой березы иногда проявляет большие различия в пределах одного и того же вида, чем между другими видами березы. Можно предположить, что это изменение связано с различными географическими регионами, из которых происходит происхождение древесины, возрастом деревьев и высотой ствола, из которого отбираются пробы. Небольшие различия не имеют большого значения для промышленного использования древесины березы.
Таким образом, существует острая необходимость в проведении обширных исследований химической структуры древесины березы (с использованием единых аналитических процедур) с учетом некоторых важных особенностей выращивания леса. Кроме того, при изучении химического состава различных лигноцеллюлозных материалов, включая все породы древесины, очень важно использовать точно описанные аналитические процедуры, которые позволяют сравнивать результаты и их статистический анализ.
Признание березовой древесины в сырьевых базах имеет важное значение, поскольку спрос на это сырье растет в центральной части Европы и России. Эта тенденция обусловлена более высокой потребностью в древесине для целлюлозно-бумажной и фанерной промышленности, а также в особом типе волокон, используемых при производстве продуктов, характеризующихся исключительной прочностью (например, изделий из полимеров), или текстильных изделий с особыми изоляционными свойствами. Поэтому полное, всестороннее понимание химического состава древесины березы может повлиять на новые способы применения или использование новых технологий для ее обработки.
Цель этого исследования состояла в том, чтобы изучить изменение некоторых отдельных элементов химической структуры древесины березы в зависимости от местоположения испытательного участка (географическое положение древостоев) и типа среды обитания леса.
Была выдвинута гипотеза: географическое расположение деревьев, из которых был взят материал для исследования, а также тип среды обитания леса, оказывают значительное влияние на содержание отдельных компонентов химической структуры древесины березы серебристой.
2 Микологические разрушения древесины березы

2.1 Исследование разрушений

Грибы представляют одну из самых больших групп живых организмов. Количество видов, описанных в настоящее время, по различным данным, колеблется от 10 до 250 тысяч (по данным микологов, на Земле насчитывается более 1,5 миллиона видов). Они существуют в природе по всей Земле. Грибы, которые наиболее важны в восстановлении всякого биогеоценоза, решают задачу разложения веществ, зачастую растительного происхождения. В то же время некоторые типы грибов представляются причиной стеблевой и корневой гнили (трутовики), они наносят ущерб лесной промышленности.
Грибы, формирующиеся на древесине (ксилофилы, ксилотрофы), почти все связанны с клетками гифы (септированные) гифы: аскомицеты (аскомицеты), базидиомицеты (базидиомицеты) и дейтеромицеты или несовершенные грибы (дейтеромицеты). Базидиомицеты (Basidiomycetes), в том числе трутовики. Грибы могут нанести огромный ущерб сельскому хозяйству паразитируя на деревьях; Многие из них живут не только на лесных деревьях, но и на деревьях парков и садов, разрушают их древесину и ослабляют корневую систему. Если мы определим видовой состав грибковой флоры как разрушителя деревьев, это может значительно помочь лесному хозяйству выявлять опасные виды грибковых заболеваний на деревьях и разрабатывать меры по борьбе с ними.
Древесина – это проводящая ксилему ткань деревьев, содержащая волокна или сосуды, или трахеиды, которые обычно мертвы, а у растущих деревьев также небольшое количество живой паренхимы. Клеточные стенки содержат лигнин и целлюлозу вместе с набором полисахаридов, включая маннаны, ксиланы и другие гемицеллюлозы. Древесину из покрытосеменных обычно называют твердой древесиной, а из голосеменных (в основном хвойных) – мягкой. Твердые и мягкие типы древесин различаются по своему клеточному составу и грибы зависят от этого же состава. Но для некоторых (например, Ustulina и Xylaria) это в основном базидиомицетные грибы, которые ответственны за разрушение древесины.
Важными родами базидиомицетов, принадлежащих к отрядам Agaricales и Aphyllophorales, являются: Armillariella, Collybia, Lentinus, Pholiota, Schizophyllum, Echinodontium. Hydnum, Daedalea, Fistulina, Fomes, Ganoderma, Lenzites, Merulius, Polyporus, Polystictus, Poria, Serpula, Trametes, Coniophora, Hymeno-chaete, Peniophora и Stereum.
Существует два типа разложения древесины:
1. Тип, при котором происходит разрушение лигнина (или нечасто целлюлозы), когда гниющая древесина становится белой и похожей на губку, например, от Trametes pini, красная кольцевая гниль хвойных деревьев; и Ganoderma applanatum белый, пятнистая гниль твердых пород дерева.
2. Тип «сухая гниль», при которой происходит разрушение целлюлозы, когда гнилая древесина становится коричневой и легко измельчается, например, Phaeolus schweinitzii, который ответственный за красно-коричневую гниль хвойных деревьев; Lentinus lepideus ответственен за коричневую кубическую гниль хвойных деревьев, особенно сосен.
Некоторые леса гораздо менее восприимчивы к нападению грибков, чем другие. Наиболее восприимчивыми древесинами являются древесины березы. Восприимчивость пиломатериалов к инвазии грибами, по-видимому, тесно связана с тенденциями метаболических продуктов, таких как смолы и дубильные вещества, которые откладываются в сердцевине дерева. Лесная гигиена и практика лесного хозяйства являются основными методами контроля распада живых деревьев.
Было проведено исследование грибов, разрушающих древесину березы, в ходе которого были определены в лаборатории определённые виды грибов-деструкторов. При потребности из выбранного материала использовались недолговечные препараты. С помощью бинокуляра и микроскопа изучались материалы. При определении грибов использовались такие признаки как: внешнее строение, цвет плодовых тел, особенности гименофора, строение спор.
Результаты исследований представлены на рисунках 1, 2 и 3.
Рисунок 1 – Результаты исследование грибов, разрушающих древесину березы, часть первая
Рисунок 2 – Результаты исследование грибов, разрушающих древесину березы, часть вторая
Рисунок 3 – Результаты исследование грибов, разрушающих древесину березы, часть третья
В ходе исследований было обнаружено 9 видов деструктивных грибов, относящихся к 8 видам. Большая часть видов (Fomes fomentarius; Trametes gibbosa, T.versicolor; Trichaptum biforme; Polyporus squamosus; Laetiporus sulphureus) принадлежит к семейству Polyporaceae. Виды Fomitopsis pinicola и Piptoporus betulinus являются частью семейства Fomitopsidaceae, а такие виды, как Ganoderma applanatum, принадлежат к семейству Ganodermataceae. Все три семейства объединены в порядке Polyporales (Poriales) – трутовиковых грибов, принадлежащих к группе афиллофорных hymenomycetes в классе Basidiomycetes (Bazadiomycetes).
2.2 Типы микологического поражения древесины

Грибы, водные организмы, насекомые – это основная причина биологического поражения древесины.
В умеренных широтах грибковые инфекции составляют около 90% всей биоповрежденности древесины. Грибы и насекомые используют в качестве источника пищи целлюлозу, лигнин и другие древесные компоненты.
Древесные грибы играют важную роль в круговороте углерода в биосфере. Они участвуют в разложении сотен миллионов тонн древесных углеводородных соединений с образованием углекислого газа и воды. В то же время грибы, которые повреждают живые деревья и разрушают древесные материалы и продукты, не могут быть полезными и требуют применения эффективных защитных мер. Различные типы древесины не только имеют различный химический состав, но также отличаются структурой и прочностью волокон, плотностью древесины и другими свойствами, которые влияют на биостабильность.
Биологический износ древесины обычно связан с погодными воздействиями, механическими или другими эксплуатационными нагрузками. Под влиянием периодического смачивания, изменения температуры, солнечного воздействия и других факторов, различий в волокнах поверхностного слоя древесины, происходит увеличение ворсистости (мацерации). Это приводит к благоприятным условиям для развития грибковых спор и вызывает размеренное гниение. Со временем грибы развиваются в более глубоких слоях – патогены постоянно гниют. Гнилое дерево свободнее впитывает воду. Существующие трещины при усадке расширяющейся древесины становятся шире. Замерзание воды в трещинах увеличивает разрыв, появляются осколки и осыпь заболони.
2.3 Виды биологического повреждения древесины

Существуют три группы грибов, которые вызывают биологическое разрушение древесины: поверхностные грибы (плесень), окрашивание древесины и разрушение древесины. Грибы на поверхности плесени в основном оседают на необработанных стволах, пиломатериалах, а также на различных загрязнителях древесины и вызывают зеленоватый цвет различных оттенков или появление черных пятен на древесине. Древесные грибы часто развиваются, когда они высыхают медленно. Они рубят дерево, конструкции, деревянные контейнеры, красят дерево в разные цвета. Одним из наиболее распространенных является синий на дереве, есть также желтый, оранжевый, коричневый и другие цвета. Окрашивающие древесину грибы глубоко проникают в заболонь древесины и вызывают сильное обесцвечивание из-за пигмента в GIF и метаболитов, выделяемых мицелием, в отличие от плесени. Однако наиболее вредными для древесины являются грибы, большинство из которых относится к классу Basidiomycetes.
Защита древесины от биологического разрушения осуществляется с помощью пропитки древесины жидкими антисептиками или их растворами. Существуют различные способы защитной пропитки древесины антисептиками.
2.4 Механизм микологического разрушения древесины

Распад древесины коры берёзы начинается с отмирания живых клеток коры и заболони. Вследствие этого, клетки теряют иммунитет, и древесина заболони становится менее устойчивой, т.к. вступает первой в процесс распада.
Грибы представляются катализаторами в разрушении древесины березы. Они расщепляют сложные органические соединения древесины и воздействуют на них энзимами (выделяемые ферменты) на простые растворимые органические соединения. Гниение древесины подразумевает под собой сложный биохимический процесс, реализуемый грибами.
Существует два типа гнили: коррозионная и деструктивная.
Коррозионную гниль вызывают грибы разрушая лигнин клеточных стенок и не затрагивая целлюлозных волокон. На последней стадии разложения древесина светлеет или имеет белые пятна на более темном фоне, что указывает на основной признак данной гнили.
Деструктивную гниль вызывают грибы, которые разрушают гемицеллюлозы и целлюлозу, при этом не затрагивают лигнин. Поэтому древесина имеет свойство темнеть, что является отличительной особенностью данной гнили.
Биологическое разрушение древесины берёзы происходит по этапам, зависящим от последовательной смены комплексов грибов. После валки дерева и раскряжевки начинается разрушение, в зависимости также от периода времени года. В теплое время процесс начинается практически сразу, зимнее с наступлением вегетационного периода.
Разрушение древесины начинается с отмирания живых клеток заболони, что способствует затемнению древесины от окислительных процессов. У берёзы темная окраска выражена четко и данный процесс характеризуется бурением. Однако окраска нестойкая и исчезает при сушке.
В потемневшей древесине появляются деревоокрашивающие и плесневые грибы, которым нужна высокая влажность и наличие кислорода. Деревоокрашивающие грибы погибают, после того, как будут исчерпаны все разлагающиеся соединения, которые находятся в стенках клеток древесины. Изменения, которые происходят в древесине отчетливо заметны. Первоначально наблюдается бурая окраска древесины, затем при изменении оболочек клеток появляются круглые отверстия, которые в дальнейшем увеличиваются, стенки становятся тоньше и в них появляются отверстия неправильной формы. В дальнейшем, в зависимости от типа грибов процесс гниения происходит по коррозионному типу или деструктивному.
3 Энзиматическое разрушение древесины березы

Цели этого исследования состояли в том, чтобы изучить чувствительность к ферментативному осахариванию древесины березы и понять различия в невосприимчивости к биохимическому превращению для производства биотоплива и химических веществ. Чувствительность к ферментативному осахариванию изучалась как с предварительной обработкой, так и без нее. Предварительная обработка используется для уменьшения рециркуляции лигноцеллюлозы и облегчения ферментативного осахаривания целлюлозы. Наиболее распространенный подход – гидротермальный, предварительная обработка в кислых условиях, которая в основном направлена ​​на гемицеллюлозу.
Лиственные породы, такие как береза различаются как по химическим, так и по структурным признакам. Например, лигнин лиственных пород состоит из значительных фракций как гваяцильных (G), так и сирингильных (S) единиц. Глюкуроноксилан является основной гемицеллюлозой лиственных пород.
Составляющие древесины также различаются по пространственному распределению по клеточной стенке. Фракция целлюлозы и гемицеллюлозы увеличивается от средней ламеллы на первичную клеточную стенку и далее на вторичную клеточную стенку тогда как доля лигнина уменьшается в том же направлении. Лиственные породы имеют большое разнообразие типов клеток. Считается, что некоторые факторы способствуют устойчивости лигноцеллюлозного сырья к ферментативному осахариванию, но основные факторы, определяющие рециркуляцию различных видов лигноцеллюлозы, до конца не изучены. Предыдущие исследования показали, что химические характеристики лигноцеллюлозы важны для невосприимчивости. Например, считается, что высокая кристалличность целлюлозы увеличивает непроницаемость для ферментативного осахаривания. Однако, поскольку гидротермальная предварительная обработка в кислых условиях увеличивает кристалличность биомассы , корреляция между кристалличностью целлюлозы и усвояемостью ставится под сомнение. Гемицеллюлозы и лигнин блокируют доступ ферментов к клетчатке. Лигнин также увеличивает непроницаемость за счет каталитического непродуктивного связывания ферментов. Растворимые продукты распада от гемицеллюлоз и лигнина могут вызывать частичное ингибирование целлюлолитических ферментов. Сообщалось, что G-богатый лигнин вызывает более высокую рецидивирующую активность, чем S-богатый лигнин. Предполагается, что ацетильные группы на ксилане оказывают негативное влияние на каталитически продуктивное связывание ферментов с целлюлозой. Снижение ацетилирования клеточной стенки экспериментально связано с улучшенным ферментативным осахариванием целлюлозы.
Разные лигноцеллюлозные материалы и методы были использованы в различных исследованиях, трудно сравнить результаты и прийти к комплексному представлению об основных причинах рецидива лигноцеллюлозы. Более того, структурным факторам, которые могут повлиять на невосприимчивость, уделяется гораздо меньше внимания, чем химическим факторам. Предварительная обработка повлияет как на структуру, так и на химический состав древесины.
Предварительная обработка и аналитическое неисчерпывающее ферментативное расщепление необработанной и предварительно обработанной березы выполнялась с использованием быстрой миниатюрной процедуры, которая позволяла параллельную обработку нескольких образцов и статистическую оценку результатов. Ферментативное расщепление выполняли с добавлением ксиланазы и без нее, чтобы оценить роль ксилана. Процессы предварительной обработки и осахаривания анализировали с помощью высокоэффективной анионообменной хроматографии для количественного определения моносахаридных сахаров, уроновых кислот и алифатических кислот. Помимо анализа химического состава, была исследована потенциальная роль, которую играют физические структурные особенности, включая доступность целлюлозы, компактность и распределение лигнина. Образцы древесины были проанализированы с использованием сканирующей электронной микроскопии, флуоресцентной микроскопии, инфракрасной спектроскопии с Фурье-преобразованием, рентгеновской дифракции и метода окрашивания Саймонса. Лучшее понимание разрушения древесины обеспечивает основу для разработки более эффективных технологий переработки и более конкурентоспособных лесоперерабатывающих заводов.
Был определен химический состав березы. Самая низкая массовая доля глюкана у березы составила (39%). Порода дерева содержала низкие уровни арабинана (0,5–1%) и галактана (0,4–1,6%). Массовая доля маннана составляла (2,4-2,5%), а массовая доля ксилана березы (24.%). Как и ожидалось, учитывая ацетилирование ксилана, массовая доля ацетила была высокой (> 5%) для богатой ксиланом березы.
Общая массовая доля лигнина в березе составила 28,5% соответственно. Большую часть лигнина составлял лигнин Klason. Необработанная береза ​​имела отношение S: G, равное 1,68 и 3,25, соответственно. Предварительная обработка разбавленной кислотой привела к уменьшению соотношений S: G.
В результате исследования древесина березы имела плотную и цельную структуру. Отдельные березовые волокна были плотно упакованы, а просвет деревянных клеток был в основном невидимым. Большинство волокон показали интегрированную структуру клеточной стенки, а клеточные просветы были сужены на концах 
Анализ необработанной и предварительно обработанной древесины показал, что предварительная обработка вызывала уменьшение отношения S: G. Снижение отношения S: G в результате предварительной обработки кислотой предположительно объясняется более высокой реакционной способностью звеньев S.
Кроме того, у предварительно обработанной березы отношение S: G было высоким, но это не привело к повышению урожайности Glc. Кислотная предварительная обработка удаляет гемицеллюлозу и вызывает некоторые изменения в составе лигнина, что отражается в снижении соотношения S: G. В итоге, удаление гемицеллюлозы является более важным, чем удаление лигнина, для создания пор, доступных для целлюлазы.
Результаты осахаривания необработанных образцов древесины очень хорошо соответствовали результатам анализа пятен. Следует отметить, что для березы, результаты анализа окраски также соответствовали осахариванию гемицеллюлозы. Ферментативная деградация из ксилана, который отчасти имитирует эффект предварительной обработки кислотой, была, как и ожидалось, полезным для достижения более высоких выходов КЗС.
Флуоресцентная микроскопия показала, что необработанная береза ​​имела плотную структуру и менее доступную поверхность клеточной стенки. Плотность древесины из гибридной березы как сообщается, составит около 475 кг м-3. Высокая плотность должна была способствовать высокой непроходимости необработанной березы.
Таким образом, в зависимости от того, была ли включена предварительная обработка кислотой, береза была наиболее склонна к ферментативному осахариванию. Относительный порядок пересадки варьируется не только в зависимости от породы древесины, но также в зависимости от того, была ли древесина предварительно обработана или нет. Анализ химических свойств пород древесины был недостаточен для объяснения различий в разрушении древесины, что указывает на то, что анализ структурных особенностей является существенным дополнением для понимания непроницаемости древесины для ферментативного осахаривания. В сочетании с высокой скоростью роста и коротким временем вращения, высокая восприимчивость необработанной и предварительно обработанной березы к ферментативному перевариванию делает ее интересной альтернативой в качестве сырья, предназначенного для производства жидкого биотоплива и других товаров в лесоперерабатывающем заводе.
4 Пероксидазы как биокатализаторы деструкции древесины

4.1 Пероксидазы

Пероксидазы связаны с ферментами класса оксидоредуктаз. Они катализуют окисление огромного спектра субстратов под действием пероксида водорода. Молекулярная масса ферментов этого типа колеблется от 17 до 84 кДа, а полипептидная цепь составляет длину – от 153 до 753 аминокислотных остатков. Белковая глобула обычно образована 10-11 спиралями, складки либо отсутствуют, либо представлены слабо. В большинстве случаев в молекуле различают два структурных домена, между которыми в гидрофобном кармане расположена простетическая группа – гем (комплекс железа с протопорфирином IX).
Развитие экологически устойчивых процессов является сложной задачей для нынешней биоэкономики. В этом направлении использование биоцистов, ферментов, в различных процессах рассматривается как экоферентный подход. Стабильность, активность и специфичность ферментов являются основными параметрами, необходимыми для разработки ферментов для их оптимального применения в различных промышленных процессах. Поэтому важно идентифицировать новые источники таких новых ферментов с желаемыми свойствами. Кроме того, большой спрос на современные подходы, такие как молекулярное моделирование in-silico, сопровождаемое мутагенезом, направленным на участок, для разработки таких новых ферментов с улучшенными свойствами.
Пероксидазы – это перекись водорода (H2O2), разлагающие ферменты, сопровождающие окисление широкого спектра фенольных и нефенольных субстратов (RH).
2RH + H2 O2 → 2R° + 2H2OОни повсеместно встречаются в природе в бактериях, грибках, водорослях, растениях и животных. Пероксидазы растений, относящиеся к пероксидазе класса III, вовлечены в различные жизненно важные процессы роста и развития растений на протяжении всего жизненного цикла растений, включая метаболизм стенок клеток, лигнитизацию, суберизацию, метаболизм реактивных видов кислорода (ROS), метаболизм auxin, рост плодов и созревание, защита от патогенов и т.д. Благодаря универсальности реакции, катализируемой пероксидазами, и их повсеместной природе, они обладают огромным потенциалом быть промышленным энзимом с применением в различных медицинских, иммунологических, биотехнологических и промышленных секторах. Пероксидазы находят применение в биоремедиации, дефолиации синтетических красителей текстиля, синтеза полимеров, бумажной и целлюлозно-целлюлозной промышленности, в разработке биосенсоров, диагностических наборов и т.д. с учетом различных применений, идентификация новых источников пероксидазы, предлагающей устойчивость к температуре, pH, солям, тяжелым металлам, органическим растворителям и т.д. Таким образом, настоящий обзор представляет собой попытку обобщить различные физиологические функции, а также промышленные применения пероксидаз растений.
4.2 Классификация пероксидаз

На основании наличия или отсутствия гема пероксидазы классифицируются в гемы и негемы пероксидазы, более 80% известных генов пероксидазы, как сообщается, кодируются для геме-содержащих пероксидаз. С другой стороны, пероксидазы, не являющиеся пероксидазой, такие как тиол пероксидаза, алкилгидропероксидаза, пероксидаза НАДГ, составляют лишь небольшую долю. Так как большинство последовательностей пероксидазы, как сообщается, являются пероксидазами гема, они подробно описаны. Пероксидазы ЭМ были далее назначены двум суперсемействам, а именно суперсемейству пероксидазы-циклооксигеназы (PCOXS) и суперсемейству пероксидазы-каталазы (PCATS). Описание этих суперсемейств пероксидазы представлено ниже.
Суперсемейство Пероксидазы-Циклооксигеназы: Пероксидазы суперсемейства исключительно содержат пероксидазы животных, которые, как было предложено, были вовлечены в врожденный иммунитет, защитные реакции и т.д. К этой семье относятся миелопероксидаза (МПО), эозинофильная пероксидаза (ЭПО), лактопероксидаза (ЛПО), пероксидаза щитовидной железы (ТПО). В этой суперсемье протезная группа связывается с апопротеином.
Семейство Пероксидазы-Каталазы является наиболее интенсивно изученным суперсемейством пероксидаз, не относящихся к животным. Первоначально суперсемья была названа растением, грибком и бактериальным в зависимости от источника пероксидазы. Позднее, в связи с появлением новой пероксидазы cnidarians, название этой суперсемьи было изменено как пероксидаза-каталаза суперсемья.
Пероксидазы, не относящиеся к животным, далее подразделяются на nри класса, а именно пероксидазы класса I, II и III.
Пероксидазы класса I включают в себя прокариотические и эукариотические пероксидазы, относящиеся к неживотным источникам. В настоящее они продемонстрировали большую роль в оксидативном стрессе т.е. детоксикация РОС (H2O2). Они включают цитохром С пероксидаза, аскорбат пероксидазы и каталазы пероксидазы. Цитохром С пероксидаза, использует уменьшающие эквиваленты цитохрома С и снижает содержание перекиси водорода в воде. Пероксидазы аскорбата участвуют в детоксикации перекиси водорода с использованием аскорбата снижения эквивалентов, а также фотозащита хлоропластов и цитозол в высших растениях. Каталазы-пероксидазы, преимущественно в бактериях, являются бифункциональные антиоксиданты ферменты, которые проявляют активность ферментов каталазы и пероксидазы. Благодаря своей уникальной каталитической способности к растворению перекиси водорода и способности развивать молекулярный кислород (O2) окислением H2O2, они предотвращают окисление бактерий. Эволюционно они тесно связаны с пероксидазами аскорбата и цитохром c-пероксидазами. На структурном уровне пероксидазы класса I не имеют дисульфидных мостиков, кальция и последовательности сигналов эндоплазмической ретикулумы.
Пероксидазы класса II, исключительно содержащие грибковые пероксидазы, играют главную роль в биодеградации лигнина. К настоящему времени сообщается о 609 последовательностях пероксидаз класса II. Пероксидазы лигнина грибов белой гнили имеют секретарную природу и катализируют деполимеризацию лигнина, а также обладают огромным потенциалом для утилизации отходов.
Пероксидазы также секретируются лигниновыми грибками белой гнили. Они катализируют пероксид-зависимое окисление Mn (II) до Mn (III), и Mn (III) высвобождается из фермента в виде оксалатного комплекса Mn (III), который служит в качестве диффундирующего окислительно-восстановительного посредника, обладающего способностью окислять лигнин. Универсальные пероксидазы демонстрировали гибридную молекулярную структуру между LiP и MnP. Они не только специфичны для Mn (II), как в 3MnP, но также катализируют окисление фенольных и нефенольных субстратов, таких как LiP, в отсутствие марганца. В отличие от пероксидаз класса I, пероксидазы класса II имеют N-концевые сигнальные пептиды, четыре консервативных дисульфидных мостика и кальций.
Пероксидазы класса III широко распространены в растительном мире. К настоящему времени сообщается о 5692 последовательностях пероксидаз класса III (приблизительно 70% от общего количества пероксидаз гемного животного). Они включают пероксидазы хрена (HRP), пероксидазу арахиса (PNP), пероксидазу сои (SBP) и т. д. Как сообщается, они играют решающую роль в жизненном цикле растения. Таким образом, они участвуют в широком спектре физиологических процессов, таких как метаболизм клеточной стенки, лигнификация, суберизация, метаболизм ауксинов, заживление ран, активные формы кислорода (АФК) и реактивные метаболизм видов азота (RNS), рост и созревание плодов, защита от патогенных микроорганизмов и т. д. Подобно пероксидазам класса II, в структурной складке пероксидазы класса III также содержат N-концевые сигнальные пептиды, четыре консервативных дисульфидных мостика и кальций.
4.3 Механизм действия

Пероксидазы имеют общий каталитический механизм для разложения перекиси водорода. Реакция пероксидазы – это двухэлектронное окисление-восстановление с тремя отдельными шагами:
1. Пероксидаза + H2O2 → Соединение I + H2O.
2. Соединение I + RH → Соединение II + R°.
3. Соединение II + RH → Пероксидаза+ R° + H2O).
2RH + H2O2 → 2R° + 2H2OТам, где RH является пероксидазной субстратом, а R° – это производный из него продукт свободного радикала. Каталитический цикл пероксидаз геме, специфичный для растений, начинается с координации перекиси с феррогема. Координированная перекись подвергается быстрому гетеролитическому расщеплению, производя молекулы воды и полустабильный промежуточный Компаунд I (зеленый в цвете, а также называется оксиферрил порфирин π катионно-радикальный). Реакция включает перенос протона из пероксида O1 в O2, а затем разрыв связи O-O. Выход O2.
По мере того как молекула воды выходит с O1, она уже имеет только 6 электронов. Он завершает свой октат, абстрагируясь от фермента двумя наиболее доступными электронами. Один электрон удаляется из железа, создавая центр оксид-феррил (Fe=O). Обычно в случае большинства пероксидаз второй электрон удаляется из порфириновой кольца, создавая порфириновый пи-катионно-катионорадикал.
Этот порфирин радикал принимает один электрон от электрона