enzimi, biološki katalizatori, tvari koje enormno ubrzavaju biokemijske procese u živim organizmima. Osim u živim organizmima, enzimi djeluju i izvan njih (npr. u bioreaktorima), stoga se industrijski proizvode i rabe kao izvanredno učinkoviti katalizatori.

Enzimi su proizvodi žive stanice, a po kemijskoj su naravi bjelančevine (osim ribozima koji je molekula ribonukleinske kiseline, a nalazi se i u organizmima koji su na rubu živog i neživoga svijeta – virusima). Prema glavnoj podjeli, enzimi se svrstavaju u šest skupina prema reakcijama koje kataliziraju: oksidoreduktaze, transferaze, hidrolaze, liaze, izomeraze i ligaze. Aktivnost pojedinih enzima može se pojačati specifičnim aktivatorima te usporiti inhibitorima. U usporedbi s nekataliziranim reakcijama, enzimske su reakcije brže 10⁶ do 10¹² puta.

Kao katalizatoru kemijskih reakcija, uloga je enzima smanjiti energiju potrebnu za odvijanje reakcije, odn. preustroj kemijskih veza (aktivacijska energija). Za odvijanje većine kemijskih reakcija potrebno je savladati energetsku barijeru neophodnu za očuvanje života, koja inače sprečava spontanu razgradnju (raspad) složenih molekula. U metaboličkim procesima u stanici, složene molekule razgrađuju se u energiju i druge produkte pa se ta energetska barijera mora svladati, što je upravo uloga enzima. Enzimi reagiraju sa supstratom (tvar na koju enzim djeluje) formirajući prijelazno stanje tvari sa sniženom aktivacijskom energijom. Taj prijelazni spoj brzo se razgrađuje na produkte reakcije, dok enzim ostaje nepromijenjen i slobodan za reakcije s drugim molekulama supstrata. Enzime obilježava i velika aktivnost, jer jedna molekula enzima može preraditi čak 300 000 molekula supstrata u sekundi. Osim snažnoga katalitičkog djelovanja i velike aktivnosti, enzime obilježava i specifičnost djelovanja. Katalitički djeluju samo na reakcije određene vrste te samo kad u tim reakcijama sudjeluju određeni spojevi, odn. specifični supstrat.

Povijest

Otkriće enzima prethodilo je otkriću njihove uloge, primjerice 1833. otkriven je i stvoren koncentrat enzima dijastaza (danas amilaza), a 1836. iz životinjskog organizma izoliran je pepsin. Razjašnjenje procesa vrenja 1857 (francuskog kemičara i biologa Louisa Pasteura) bilo je ključno za razumijevanje enzima, kad je utvrđeno da je ono uzrokovano mikroskopskim živim bićima → kvascima, a ne truljenjem. Enzimi su tako niz godina bili poznati kao fermenti (od latinskoga fermentum: kvasac). Njihova je uloga otkrivena sredinom XIX. st. Njemački fiziolog Wilhelm Kühne prvi je 1877. za opisivanje fermentacije uporabio izraz enzim (prema grčkome »kiselog okusa« ili »u kvascu«). U Njemačkoj je 1897. otkriveno da se fermentacija šećera može odvijati i u odsutnosti živih stanica kvasca, a enzim koji je doveo do fermentacije saharoze nazvan je zimazom (od grčkog zyme: kvasac i sufiks -aza). Slijedeći taj primjer, enzimi su dalje nazivani dometanjem sufiksa -aza nazivu supstrata ili nazivu reakcije (npr. naziv laktaza za enzim koji razgrađuje laktozu ili DNA polimeraza za enzim koji tvori DNK polimere). Još neotkriven bio je biokemijski identitet enzima, a da je riječ o proteinu dokazano je 1926. kristaliziranjem ureaze, te nekoliko godina kasnije i kritalizacijom pepsina, tripsina i kimotripsina. Otkriće da se enzimi mogu kristalizirati omogućilo je otkrivanje njihove strukture s pomoću rendgenske kristalografije. Tako je u Britaniji 1965. riješena struktura prvog enzima lizozima. Otkriće strukture enzima omogućilo je daljnji rad na otkrivanju djelovanja enzima na atomskoj razini.







U početku su se enzimi primjenjivali u prehrambenoj industriji. Prvi enzimi koji su se rabili bili su sirove i nečiste smjese enzima izolirane iz materijala životinjskog i biljnoga podrijetla ili pak žive stanice mikroorganizama (gljivica i bakterija) koje su reakcije (poput fermentacije) izazivale enzimima koje sadržavaju. Japanski kemičar Jōkichi Takamine prvi je patentirao postupak proizvodnje enzima (dijastatskih enzima koji škrob pretvaraju u šećer) iz gljivica (1894), no industrijska uporaba nije se održala zbog neugodna mirisa i okusa proizvoda (alkohola). Njemački kemičar Otto Röhm je, otkrićem da se enzimi iz gušterače životinja mogu uporabiti za mekšanje sirove kože prije štavljenja, prvi uveo enzime u kožarsku industriju (1908). Röhm je 1913. uveo u uporabu tripsinske enzime pri uklanjanju mrlja s tekstila. Uporaba pektinaza za bistrenje voćnih sokova uvedena je 1930-ih, a u SAD-u se za II. svj. rata, potaknuta oskudicom šećera, razvila uporaba gljivičnih enzima za pripremu slatkih sirupa. Proizvodnja čišćih enzimskih preparata i čistih enzima započela je sredinom XX. st. Enzimi industrijski proizvedeni s pomoću mikroba uvedeni su 1950-ih u pekarstvo, a potkraj 1960-ih u alkoholnoj industriji je uporaba gljivičnih enzima postala povoljnija od uporabe slada. Prva organska sinteza enzima (ribonukleaze) ostvarena je 1969. Znanje o prirodi i djelovanju enzima, umijeće izoliranja i pročišćavanja pojedinih enzima te njihova uporaba od tada su se znatno razvili te se enzimi osim iz materijala biljnog i životinjskoga podrijetla dobivaju i biotehnološkom proizvodnjom.

Biotehnološka proizvodnja i tehnologija enzima

Industrijska proizvodnja i primjena enzima smatra se jednim od tri najvažnija gospodarska sektora (uz farmaceutski i poljoprivredni). U procesima biotehnološke proizvodnje i tehnologije enzima industrijski ih se proizvodi mikroorganizmima, bakterijski ili fungalno, a poboljšavanje njihovih svojstava za industrijsku primjenu ostvaruje se primjenom genetičkog i proteinskog inženjerstva.

Enzimski procesi jedan su od najvažnijih procesa u → prehrambenom inženjerstvu. Ti se procesi zasnivaju na katalitičkom djelovanju enzima, izvode se u kontroliranim uvjetima (temperatura i pH), a enzimi u njima mogu biti autohtoni ili pak dodani radi određene funkcije (dodaju se putem mikroorganizama ili kao izolirani čisti ili miješani enzimi). Enzimi ključnu ulogu imaju i u → bioprocesnom inženjerstvu, gdje se rabe enzimski bioreaktori koji, zbog bolje učinkovitosti i veće čistoće proizvoda, danas sve više zamjenjuju postupke kemijske sinteze. U njima se kao biokatalizatori rabe izolirani enzimi otopljeni ili vezani (imobilizirani) na nosaču.

Prednost uporabe enzima kao katalizatora, nasuprot kemijskim katalizatorima, leži u više od 1000 puta bržim reakcijama te u tome što ne zahtijevaju ekstremne uvjete temperature, tlaka i pH vrijednosti. Dobivanje proizvoda primjenom enzima, za razliku od primjene kemijske tehnologije, tako je prihvatljivije s ekološkoga stajališta. Uz to, zbog specifičnosti kemijske reakcije koju enzimi provode, dobiveni proizvodi su visokog stupnja čistoće, što je iznimno važno u njihovoj primjeni u farmaceutskoj i medicinskoj tehnologiji (npr. u enzimskom procesu dobivanja antibiotika).

U farmaceutskoj industriji primjenjuju se kao lijekovi te za proizvodnju antibiotika i dodataka prehrani za ljude i životinje. Rabe se i u medicinskoj dijagnostici (gdje primjerice prisutnost enzima u krvi upućuje na oštećenje tkiva), u kozmetici i proizvodima za čišćenje (npr. kao sastavni dio deterdženata), u prehrambenoj, kemijskoj, tekstilnoj i kožarskoj industriji, u proizvodnji papira (enzimi ksilanaza, hemicelulaza i lignin peroksidaza), kao i obradbi otpadnih voda. Posebno mjesto zauzimaju u iskorištavanju obnovljivih izvora energije za proizvodnju biogoriva i biokemikalija. U proizvodnji biogoriva rabe se enzimi ligninaza i celulaza, koji biomasu pripremaju za proizvodnju te potom celulozu razgrađuju u šećere koji se potom fermentiraju u etilni alkohol. U biološkim deterdžentima enzimi proteaza, amilaza, lipaza ili mananaza s posuđa ili tkanina uklanjaju tragove proteina, masnoća i dr. Mnogi se enzimi (glukanaza, pululanaza i dr.) rabe u industriji pića za bistrenje, smanjene kaloričnosti i poboljšanje vrenja. Papain je jedan od enzima kojim se u kulinarstvu omekšava meso, a među ostalim enzimima prehrambene industrije su i kimozin (proizvodnja sira), tripsin (hipoalergena dječja hrana), pektinaza (bistrenje voćnih sokova) i dr. Enzimi se rabe i u rekombinantnoj DNA tehnologiji (nukleaza, DNA ligaza, polimeraza).







Proizvodnja i uporaba u Hrvatskoj

Proizvodnja amilolitičkih i proteolitičkih enzima za industrijsku primjenu u Hrvatskoj započela je 1961. u farmaceutskoj tvornici → Pliva u Zagrebu. Proizvodnju je vodio Dragutin Vlašić, voditelj Biotehnološkog odjela Plivina Istraživačkog instituta i poslije pomoćnik direktora Instituta. On je, s Marijanom Vranom, 1970. nagrađen Nagradom grada Zagreba za tehnološki postupak proizvodnje proteolitičkih i amilolitičkih enzima. Pliva je tako proizvodila industrijske enzime za proizvodnju multienzimskoga pripravka za hranidbu životinja. Prve količine enzima proteaze dobivene su kao nusproizvod pri proizvodnji antibiotika oksitetraciklina s pomoću bakterija roda Streptomyces, i to u proporcionalnom omjeru.

D. Vlašić bio je i predavač na → Prehrambeno-biotehnološkome fakultetu u Zagrebu (PBF), gdje je organizirao uvođenje kolegija Biokemijsko inženjerstvo te omogućio s kolegijem povezan istraživački rad. Poslije je predavao i kolegij Tehnologija enzima. Osim njega, u Institutu je od 1971. radio i → Daslav Hranueli, voditelj odjela Biosinteza i biotehnologija 1990–92. te poslije profesor na PBF-u, koji se bavio genetikom biosinteze enzima. Profesor → Pavao Mildner istaknuo se kao stručnjak za djelovanje i strukturu enzima, a 1970. je u Zadru utemeljio školu Katalitička i regulatorna svojstva enzima Europske federacije biokemijskih društava. Među istaknutim profesorima bila je i → Vera Johanides, jedna od osnivača PBF-a, a bavila se među ostalim i mikrobnom sintezom enzima. Kolegij Tehnologija enzima, proširujući područje djelatnosti Laboratorija za kemiju i tehnologiju antibiotika PBF-a, uveo je profesor Zdravko Duvnjak, čime je laboratorij 1976. preimenovan u Laboratorij za tehnologiju antibiotika i enzima (danas Laboratorij za tehnologiju antibiotika, enzima, probiotika i starter kultura). Uvođenjem studija Biotehnologija (Biokemijsko inženjerstvo i Biokemijsko-mikrobiološki smjer), akademske godine 1996/97. uveden je kolegij Proizvodnja enzima i enzimsko inženjerstvo, koji je u Bolonjskom procesu akademske godine 2005/06. preimenovan u Tehnologija enzima. Nakon profesora Z. Duvnjaka nositelji kolegija bili su Srećko Matošić, potom → Jagoda Šušković (također pročelnica Laboratorija) te → Blaženka Kos od 2015.

U Hrvatskoj je registrirano više od 60 poduzeća koja se bave proizvodnjom i primjenom enzima, a zapošljavaju oko 1500 djelatnika. Najveći su hrvatski proizvođači poduzeća → Saponia u Osijeku, Labud (→ Meteor grupa – Labud) i Biokozmetika u Zagrebu, → Neva u Rakitju i Swisscolor u Donjoj Bistri te nekadašnje varaždinsko poduzeće Annyer, a svoja predstavništva u Hrvatskoj imaju i najveći svjetski proizvođači (npr. Henkel te Procter&Gamble). Saponia je već 1968. proizvela Faks helizim, prvi u državi deterdžent na osnovi biološki razgradivih tenzida koji sadrži enzime. Pulsko poduzeće Ecology 108 od 2016. proizvodi deterdžent EcoBianco koji je prvi u RH dobio oznaku EU Ecolabel jer zadovoljava visoke standarde zaštite okoliša.





