INVERTASA: EIGENSCHAFTEN, STRUKTUR, FUNKTIONEN - BIOLOGIE - 2025

Die Invertase , auch bekannt als β-Fructofuranosid-Fructohydrolase, ein in der Natur reichlich vorhandenes Glycosylhydrolaseenzym. Es ist in der Lage, die glykosidische Bindung zwischen den beiden Monosacchariden, aus denen Saccharose besteht, zu hydrolysieren, wobei die "invertierten" Zucker Glucose und Fructose erzeugt werden.

Es kommt in Mikroorganismen, Tieren und Pflanzen vor. Die am meisten untersuchten Enzyme sind jedoch pflanzlichen Ursprungs sowie Bakterien und Hefen, da sie als Modell für viele wegweisende kinetische Studien auf dem Gebiet der Enzymologie gedient haben.

Molekülstruktur des pflanzlichen Invertase-Enzyms (Quelle: Jawahar Swaminathan und MSD-Mitarbeiter am European Bioinformatics Institute via Wikimedia Commons)

Invertase ist an einer katalytischen Reaktion beteiligt, die die Freisetzung von Glucoseresten ermöglicht, die abhängig von den physiologischen Bedürfnissen des Organismus, in dem sie exprimiert wird, zur Gewinnung von ATP und NADH verwendet werden können. Damit ist es möglich, unter anderem Speicherpolysaccharide in verschiedenen Organellen oder Geweben zu synthetisieren.

Diese Art von Enzym ist auch an der Kontrolle der Differenzierung und der Zellentwicklung beteiligt, da sie Monosaccharide produzieren können, die in Pflanzen auch wichtige Funktionen bei der Regulation der Genexpression haben.

Sie kommen normalerweise auf den Schalen von Weinfrüchten, Erbsen, japanischen Birnenpflanzen und Hafer vor. Obwohl die am kommerziellsten genutzten Enzyme diejenigen von Hefen wie S. cerevisiae und diejenigen bestimmter Arten von Bakterien sind.

Eigenschaften

In der Natur gibt es verschiedene Formen von Invertasen, die hauptsächlich vom betrachteten Organismus abhängen. Hefen haben beispielsweise zwei Arten von Invertase: eine intrazelluläre oder cytosolische und eine extrazelluläre oder periplasmatische (zwischen der Zellwand und der Plasmamembran).

In Bakterien wirken Invertasen bei der Hydrolyse von Saccharose, aber wenn sie hohen Konzentrationen dieses Substrats ausgesetzt sind, zeigen sie auch Fructosyltransferaseaktivität, da sie Fructosylreste auf das Disaccharid Saccharose übertragen können.

Da diese Enzyme in sehr weiten pH-Bereichen arbeiten können, haben einige Autoren vorgeschlagen, sie wie folgt zu klassifizieren:

- sauer (pH zwischen 4,5 und 5,5)

- Neutral (pH nahe 7)

- Alkalisch (pH zwischen 6,5 und 8,0).

Alkalische Invertasen wurden in den meisten Pflanzen und in Cyanobakterien berichtet, während Bakterien aktive Invertasen bei neutralem und alkalischem pH besitzen.

Pflanzliche Invertasen

In Pflanzen gibt es drei Arten von Invertaseenzymen, die sich in verschiedenen subzellulären Kompartimenten befinden und unterschiedliche Eigenschaften und biochemische Eigenschaften aufweisen.

Ebenso sind die Funktionen jeder beschriebenen Art von Invertase unterschiedlich, da sie anscheinend Saccharosedisaccharide auf bestimmte Zellwege in der Pflanze "lenken".

Invertasen pflanzlichen Ursprungs können also entsprechend ihrer subzellulären Position sein:

- Vakuolare Invertasen

- Extrazelluläre Invertasen (in der Zellwand)

- Zytosolische Invertasen.

Vakuoläre Invertasen existieren als zwei lösliche und saure Isoformen im Lumen der Vakuole, während "extrazelluläre" Invertasen periphere Membranproteine ​​sind, die durch ionische Wechselwirkungen mit der Plasmamembran assoziiert sind.

Da sowohl vakuoläre als auch extrazelluläre Invertasen die Hydrolyse von Saccharose beginnend mit dem Fructoserest katalysieren, wurden sie als β-Fructofuranosidasen bezeichnet, und es wurde gezeigt, dass sie auch auf andere Oligosaccharide wirken, die β-Fructosereste enthalten, d. H. Sie sind nicht spezifisch.

Die andere Art von Pflanzeninvertasen sind die cytosolischen Invertasen, die auch als zwei neutrale / alkalische Isoformen existieren. Diese sind spezifisch für Saccharose und wurden nicht so gut untersucht wie die beiden anderen.

Struktur

Die meisten der bisher beschriebenen Invertasen haben dimere und sogar multimere Formen. Die einzigen bekannten monomeren Invertasen sind die von Bakterien und haben in diesen Organismen ein Molekulargewicht zwischen 23 und 92 kDa.

Die vakuolären und extrazellulären Invertasen von Pflanzen haben Molekulargewichte zwischen 55 und 70 kDa und die Mehrheit ist N-glykosyliert. Dies gilt für die meisten in der Natur vorkommenden extrazellulären Invertasen, die mit der Außenseite der Plasmamembran assoziiert sind.

Hefeisoenzyme haben etwas höhere Molekulargewichte im Bereich von 135 bis 270 kDa.

Andere mit bakteriellen Enzymen durchgeführte Studien haben ebenfalls gezeigt, dass diese Enzyme ein katalytisches Zentrum aufweisen, das reich an β-gefalteten Strukturen ist.

Eigenschaften

Abhängig vom Organismus, in dem sie exprimiert werden, können die Invertaseenzyme neben dem Transport von Zuckern und der Hydrolyse von Saccharose zu ihren Monosaccharidbestandteilen viele grundlegende Funktionen erfüllen. Die am häufigsten untersuchten natürlichen Funktionen stammen jedoch von Pflanzen.

Stoffwechselfunktionen von Invertasen in Pflanzen

Saccharose, ein Substrat für das Invertaseenzym, ist einer der Zucker, die in Pflanzen während der Photosynthese produziert werden. Danach wird Kohlendioxid in Gegenwart von Licht unter Bildung von Kohlenhydraten und Wasser reduziert.

Diese Kohlenhydrate sind die Hauptenergie- und Kohlenstoffquelle in nicht photosynthetischen Pflanzengeweben und müssen vaskulär durch das Phloem und von den Blättern transportiert werden, die die wichtigsten photosynthetischen Organe sind.

Abhängig von der beteiligten Invertase werden die aus der Hydrolyse dieser Saccharose gewonnenen Glucose- und Fructosereste auf verschiedene Stoffwechselwege geleitet, wo sie der wesentliche Brennstoff zur Energieerzeugung in Form von ATP und zur Leistungsreduzierung in Form von NADH sind.

Andere wichtige Funktionen in Pflanzen

Pflanzeninvertasen sind nicht nur entscheidend für die Gewinnung von Stoffwechselenergie, sondern auch an der Kontrolle der Osmoregulation sowie am Wachstum und der Verlängerung von Pflanzenzellen beteiligt.

Dies ist das Ergebnis des Anstiegs des osmotischen Drucks, der durch die Hydrolyse von Saccharose erzeugt wird, wodurch zwei neue osmotisch aktive Moleküle erzeugt werden: Glucose und Fructose.

Wenn eine bibliografische Überprüfung durchgeführt wird, kann leicht überprüft werden, ob der Invertase auch Funktionen in den Abwehrmechanismen von Pflanzen zugeschrieben werden, die mit Krankheitserregern in Zusammenhang stehen.

Es wurde festgestellt, dass Invertase die Verbindung zwischen dem Kohlenhydratabbau und den Reaktionen auf Krankheitserreger ist, da dieses Enzym die Zucker liefert, die die Expression von zuckerinduzierbaren Genen erhöhen, die normalerweise mit der Expression von verwandten Proteinen zusammenhängen Krankheitserreger (PR, Pathogen Related).

Industrielle Nutzung von Invertasen von Mikroorganismen

Seit seiner Entdeckung wurde die durch Invertasen katalysierte Reaktion in vielen Wirtschaftsbereichen, einschließlich der Brau- und Bäckereiindustrie, industriell genutzt.

Im Lebensmittelbereich werden Invertasen zur Herstellung von Gelees und Marmeladen, Süßigkeiten, flüssigen Belägen oder gefüllt mit Keksen und Pralinen verwendet. Darüber hinaus ist eine der beliebtesten Anwendungen die Herstellung von Sirupen, da diese einen höheren Zuckergehalt aufweisen, jedoch nicht kristallisierbar sind.

In der pharmazeutischen Industrie eignen sie sich zur Herstellung von Hustensaft und Verdauungstabletten sowie zur Synthese von Probiotika und Präbiotika, Babynahrung und Tierfutterformulierungen (insbesondere für Rinder und Bienen).

Sie wurden auch in der Papierindustrie zur Herstellung von Kosmetika, zur Herstellung von Ethylalkohol und organischen Säuren wie Milchsäure und anderen verwendet. Invertasen pflanzlichen Ursprungs werden auch zur Synthese von Naturkautschuken genutzt.

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