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.

Struktuur

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.

Funktsioon

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.

Reaktsioon ja saadused

Substraat

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.

Reaktsioon

Levanaas hüdrolüüsib vee juuresolekul levaani polümeeri 2,6-β-D-fruktofuranosüülsidemed.

$${\ce {levaan (n+m) + H2O ->[{levanaas}]levaan (n) + levaan (m)}}$$

Saadused

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.

Paiknemine rakus

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.

Optimaalsed tingimused

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.

Organismid, kus esineb levanaas

Bakterid

• Bacillus subtilis
• Bacillus licheniformis
• Bacteroides thetaiotaomicron
• Escherichia coli
• Actinomyces viscosus

Seened

• Saccharomyces spp.

Taimed

• Beta vulgaris

Kasutusalad

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.

Vaata ka

• Levaansukraas

Välislingid

• Levanaasi 3D-mudel
• Levanaas sahharoosi ja tärklise metabolismi rajas