Chitinase

Chitin und Chitinase sind in der Natur weit verbreitet. Chitin, auch bekannt als Chitin, ist ein linearer Polymer mit β-1,4-N-Acetylglucosamin als Grundeinheit, und sein Gehalt rangiert an zweiter Stelle unter den natürlichen Polymeren. Chitin ist auch ein Hauptbestandteil der meisten Zellwände von Pilzen und kommt auch in der äußeren Schale und den Eingeweiden von Insekten vor. Chitinase wurde in Mikroorganismen, Pflanzen und Tieren gefunden, und ihre Funktionen sind ebenfalls unterschiedlich.

Verbreitung

Bereits 1905 isolierte Benecke ein Mikroorganismus, der Chitin als Nährstoff nutzen konnte, und nannte ihn Bacillus chitinovirous. Seitdem haben Menschen Chitinase aus weiteren Mikroorganismen, Pflanzen und Tieren isoliert und gereinigt.

Tabelle 1 Verbreitung und grundlegende Eigenschaften der Chitinase

Klassifikation

Es gibt allgemein drei Methoden zur Klassifizierung von Chitinase. Erstens, das Klassifikationssystem, das vom Nomenklaturkomitee der Internationalen Union für Biochemie bestimmt wurde. Da Chitinase und Cellulose viele Ähnlichkeiten aufweisen und beide zur gleichen Glycosylhydrolase gehören, wird Chitinase nach einem international anerkannten Enzymklassifikationssystem als EC 3.2.1.14 bezeichnet. Der Nachteil dieser Klassifizierungsmethode ist, dass sie die evolutionäre Beziehung innerhalb der Chitinase nicht widerspiegelt. Zweitens werden Chitinase und N-Acetylhexosaminidase gemäß der Aminosäuresequenz des Enzyms in drei Familien klassifiziert, nämlich Familie 18, 19 und 20. Die Familien 18 und 19 bestehen aus intrazellulären Chitinase aus verschiedenen Quellen wie Viren, Bakterien, Pilzen, Insekten und Pflanzen. Die Familie 19 besteht hauptsächlich aus pflanzlicher Chitinase. Die Familie 20 Chitinase ist relativ klein. Drittens, da Pflanzen eine große Menge Chitinase produzieren, wird pflanzliche Chitinase gemäß ihrer Gensequenz in sechs Typen klassifiziert, nämlich Typ I-VI. Die Beschreibung des Enzyms durch diese Klassifizierungsmethode umfasst hauptsächlich die folgenden Aspekte: N-terminaler Sequenz, Enzymlokalisierung, isoelektrischer Punkt, Signalpeptid und Induktor.

Biologische Funktionen

Chitinase hat eine unterschiedliche Rolle in Mikroorganismen, Tieren und Pflanzen. In Pilzen, Protozoen und Wirbellosen spielt Chitinase eine Rolle in ihrem Wachstum und ihrer Morphogenese. In einigen Bakterien kann Chitinase unlösliches Chitin abbauen und als Nährstoff nutzen, wodurch Chitin als Kohlenstoff- und Energiequelle verwendet wird. In Hefen (Saocharomyces) macht Chitin zwar nur 1% der Zellwand aus, es gibt jedoch eine große Menge an Chitinablagerungen im Separator zwischen den beiden Generationen von Zellen, was darauf hinweist, dass Chitinase im Prozess der Hefezellproliferation und -isolierung erforderlich ist. Nach dem aktuellen Stand der Forschung ist Chitinase ein Abwehrprotein in höheren Pflanzen und Wirbeltieren. Chitinase hat eine abbauende Wirkung auf bestimmte Nodulationsfaktoren. Es wird vermutet, dass Chitinase das Gleichgewicht zwischen Pflanzen und Rhizobien durch Kontrolle des Niveaus der Nodulationsfaktoren aufrechterhält und somit an der symbiotischen Stickstofffixierung beteiligt ist.

Eigenschaften

Chitinase ist induzierbar. Viele Studien haben gezeigt, dass Chitinase in Wirbeltieren und Pflanzen induzierbar ist. Nachdem höhere Pflanzen durch Krankheitserreger und deren Elicitoren, Ethylen, Salicylsäure, ultraviolettes Licht, Schwermetalle, mechanische Schäden usw. induziert wurden, steigt die Chitinaseaktivität schnell an, und die Pflanzen werden bis zu einem gewissen Grad geschützt. Bestimmte mikrobielle und tierische Chitinase können nach dem Abbau Chitinase mit einem niedrigeren Molekulargewicht bilden. Die Expression von Chitinase ist ebenfalls zeitlich und gewebespezifisch. Obwohl die Produktion von pflanzlicher Chitinase mit der Pflanzenresistenz zusammenhängt, wurde die Anwesenheit von Chitinase auch in bestimmten Entwicklungsstadien und speziellen Geweben vieler Pflanzen festgestellt. In Pflanzen wird an der Spitze fast keine Chitinase nachgewiesen, aber sie ist in den alten Blättern und Wurzeln der Basis reichlich vorhanden. Daher ist Chitinase ein Schutzmechanismus, der entwickelt wurde, um sich an die ungünstige äußere Umgebung während bestimmter Entwicklungsstadien von Pflanzen anzupassen, um den reibungslosen Abschluss des Entwicklungsprozesses zu gewährleisten. Die von parasitären Nematoden produzierte Chitinase ist spezifisch und zeitabhängig und spielt eine wichtige Rolle in ihrer Entwicklung und Übertragung.

Anwendungen

• Anwendung von Chitinase zur Bekämpfung von pflanzenpathogenen Pilzen

Der Hauptbestandteil der Zellwand vieler phytopathogener Pilze ist Chitin. In vitro Bakteriostatik-Tests haben gezeigt, dass Chitinase die Sporenkeimung und das Mycelwachstum einiger pathogener Pilze hemmen kann. Wenn Pflanzen von Krankheitserregern infiziert werden, produzieren sie eine Reihe aktiver Abwehrreaktionen, einschließlich einer erhöhten Aktivität von Chitinase. Daher wird Chitinase seit langem als potenzieller Stoff gegen pflanzliche Pilzkrankheiten angesehen. Seit den 1980er Jahren haben Wissenschaftler Chitinase-Gene in Pflanzen wie Tabak, Tomate, Sojabohne, Kartoffel, Salat, Traube und Zuckerrübe übertragen und transgene Pflanzen mit Chitinaseaktivität erhalten. Im Vergleich zu nicht-transgenen Pflanzen sind transgene Pflanzen nicht nur resistent gegen Pilze, sondern auch resistent gegen Nematoden, Insekten und andere pathogene Organismen.

• Anwendung von Chitinase in der biologischen Kontrolle

Da die Parasiten Brugia malayi und Wuchereria bancrofti Chitinase im Prozess der Fortpflanzung und Übertragung verwenden, kann Chitinase als potenzieller Impfstoff zur Bekämpfung dieser beiden parasitären Nematoden eingesetzt werden. 1992 berichteten Furhman et al. dass der monoklonale Antikörper MF1 die peripheren Komponenten von parasitären Mikrofilarien in Gerbils abbauen kann, und dieser Antikörper hat eine hohe Homologie mit mehreren bakteriellen und Hefechitinase. Einige biokontrollierende Bakterien, wie Trichoderma harzianum, Rhizoctonia solani, Leishococcus, Bacillus usw., haben als eines der Mechanismen der biologischen Kontrolle die Produktion von Zellwand-abbauenden Enzymen wie Chitinase und Glucanase. Darüber hinaus haben Studien gezeigt, dass Chitinase in bestimmten Entwicklungsstadien Schädlinge und Mücken töten oder verhindern kann, sodass envisagiert wird, dass Chitinase zur Kontrolle der Anzahl von Mücken und diesen Schädlingen ohne den Einsatz einer großen Menge Pestizide verwendet werden kann.

• Anwendung von Chitinase-Abbauprodukten

Amino-Oligosaccharid, das Produkt, das durch Hydrolyse von Chitin entsteht, spielt eine sehr wichtige Rolle bei der Regulierung des Lebensstoffwechsels von Pflanzen und Tieren. N-Acetylglucosamin selbst kann als entzündungshemmendes Medikament verwendet werden und hat therapeutische Wirkungen auf Geschwüre des Dickdarms und gastrointestinale Geschwüre. Darüber hinaus können Amino-Oligosaccharide als Immuninduktoren verwendet werden, um Pflanzen zur Produktion einer Abwehrreaktion zu induzieren. Bei Tieren haben Amino-Oligosaccharide ebenfalls physiologische Aktivitäten wie die Verbesserung der Immunität und die Hemmung des Wachstums von Tumorzellen.