3.2 Wie bauen Enzyme Biomasse ab?


Biomasse kann sich aus vielen verschiedenen Stoffen zusammensetzen. Pflanzliche Biomasse besteht unter anderem aus Stoffen wie Lignocellulose, Stärke oder Lipiden. Für den Abbau dieser Stoffe werden bestimmte Enzyme benötigt.

Definition

Biomasse

Der Begriff Biomasse bedeutet organisches Material, was eigentlich nichts anderes meint als das, woraus Lebewesen aufgebaut sind. In der Biotechnologie werden mit dem Wort „Biomasse“ oft Pflanzen oder Pflanzenbestandteile beschrieben.

Lignocellulose

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Pflanzen, die in die Höhe wachsen, benötigen dafür Stabilität. Ihre Zellwände enthalten daher Lignocellulose, eine Mischung aus Lignin, Cellulose und Hemicellulose. Cellulose und Hemicellulose sind Polysaccharide, das bedeutet, dass viele Zucker zu einem größeren Molekül verknüpft sind. In diese Polysaccharide ist das Lignin eingebettet. Lignin ist die Komponente, die das Verholzen verursacht und damit besondere Stabilität gibt.


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Cellulose besteht aus vielen miteinander verknüpften Glucose-Molekülen. Hunderte oder meist Tausende Glucose-Monomere sind aneinander gereiht und ergeben als lange Kette die Cellulose. In der Pflanze sind die Ketten parallel angelagert und durch Wasserstoff-Brückenbindungen bilden sich so Cellulose-Fibrillen. Die Funktion der Zelle ist dann, je nach Ort, zur Stabilität und zum Schutz beizutragen oder auch als Nährstoffspeicher zu dienen.

Die Glukose-Moleküle der Cellulose sind über β-1,4-glykosidische Bindungen verknüpft. Enzyme, die diese Bindungen spalten können, werden Cellulasen (Endo β-1,4-Glukanasen) genannt. Cellulasen gehören zur Gruppe der Hydrolasen, da für die Spaltung der Cellulosebindungen ein Wasser-Molekül benötigt wird.

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Hemicellulose ist ein weiterer Bestandteil der sekundären Zellwand. Dieses Polymer kann je nach Pflanzenart unterschiedlich aufgebaut sein. Hemicellulosen sind verzweigte Polysaccharide, die aus verschiedenen Zuckern wie zum Beispiel Xylose, Glucose oder Arabinose aufgebaut sein können. Da diese Polysaccharide oft verzweigt sind bildet Hemicellulose in der Pflanzenzellwand eine Art Füll- oder Verbindungsgewebe zwischen Cellulose und Lignin.

Hinweis
Um Lignocellulose zu verarbeiten wird häufig eine aufwendige Trennung der Hauptkomponenten Cellulose, Hemicellulose und Lignin vorgenommen. Vor allem das Lignin, welches nicht aus Zuckern besteht, ist in vielen Prozessen störend für das Endprodukt.

Stärke

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Stärke ist wie Cellulose auch aus Glucose-Monomeren aufgebaut. Die Verbindungen der Monomere sind allerdings anders, weshalb das Polysaccharid andere Eigenschaften hat. In Pflanzen dient Stärke häufig als Energiespeicher. Allgemein besteht Stärke aus zwei verschiedenen Strukturen, der Amylose und dem Amylopektin.

Amylose ist eine Glucose-Kette, die eine Helix bildet, also schraubenförmig gewunden ist. Amylopektin ist ein stark verzweigtes Glucose-Gebilde.

Der Stärke-Abbau erfolgt auch ganz natürlich in der Pflanze, wenn diese ihre Stärke-Reserven benötigt. Hierfür hat sie selbst ein Gen, welches sie bei Bedarf anschalten kann, um das Gen ablesen zu lassen und die Enzym-Produktion zu starten. Das produzierte Enzym spaltet die Ketten zu einzelnen Glucose-Moleküle, die verwertet werden können.

Wichtig
In vielen industriellen Prozessen werden Enzyme für die Verzuckerung von Stärke und Cellulose eingesetzt. Dabei verwendet man verschiedene Typen von Enzymen. Einige Enzyme sind zum Beispiel darauf spezialisiert ein Glucose-Molekül am Ende der Kette abzuspalten während andere die Spaltung innerhalb langer Ketten katalysieren. Somit werden für bestimmte Prozesse gezielt bestimmte Enzyme eingesetzt.

Lipide

Neben Cellulose und Stärke können auch Fette Bestandteile von Biomasse sein. Fette gehören zu den Lipiden, einer weit gefächerten Gruppe von meistens wasserunlöslichen (hydrophoben) Stoffen. Diese Stoffklasse findet man in allen lebenden Organismen in der Zellmembran, als Energiespeicher oder als Signalmolekül. Zu den Lipiden gehören neben den Fetten auch Fettsäuren, Wachse, membranbildende Lipide (wie Phospholipide und Sphingolipide) und einige andere Stoffe.

Chemisch betrachtet sind Fette Triacylglyceride, die aus Glycerin und drei Fettsäureresten bestehen. Die über eine Esterbindung an Glycerin gebundenen Fettsäurereste sind meist verschieden, indem ihre Länge und Anzahl von Doppelbindungen variieren. Das bedeutet, dass der Fettsäurerest aus einer unterschiedlichen Anzahl von C-Atomen zusammengesetzt ist. Fettsäuren mit Doppelbindungen werden als ungesättigt und solche ohne Doppelbindungen als gesättigt bezeichnet.

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Fettsäuren mittlerer Länge bestehen aus 6 bis 12 und lange Fettsäurereste aus 14 bis 24 C-Atomen.

Frage
Die abergläubische Fettsäure?
Ist es euch aufgefallen? Ein Fettsäurerest mit 13 C-Atomen wurde gerade eben nicht genannt. Woran das wohl liegen mag? Für alle Forscher unter euch: versucht es herauszufinden!
Aberglaube ist hier nicht mit im Spiel. Fettsäuren mit einer ungeraden Anzahl von C-Atomen haben einfach eine geringe Bedeutung. Die Fettsäure mit 13 C-Atomen heißt Tridecansäure und kommt in der Natur nur selten und in geringen Konzentrationen vor. Man findet sie bspw. mit 0,3 % im kubanischen Sternfruchtöl.

Triacylglycerid-spaltende Enzyme werden Lipasen genannt. Lipasen spalten die Esterbindung zwischen dem Glycerin und den Fettsäureresten. Wie die Cellulasen benötigen die Lipasen dafür ein Wassermolekül, daher handelt es sich um eine hydrolytische Reaktion. Dieser Vorgang wird Lipolyse genannt. Die Produkte bei einer vollständigen Reaktion sind Glycerin und freie Fettsäuren.

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Phytat

Pflanzen benutzen nicht nur Fette als Speicherstoff sondern auch Phytat. Phytat ist das Salz der Phytinsäure und ist die Hauptspeicherform von Phosphat in Pflanzen. Je nach Pflanzenteil unterscheidet sich die Menge an Phytat. In Samen und Getreide ist besonders viel Phosphat in Form von Phytat gebunden.
Bei Phytat handelt es sich um ein Anion, das viele Arten von Kationen bindet. Kationen sind dabei unter anderem die Mineralstoffe Calcium, Magnesium und Eisen. Diese Kationen werden über zwei Bindungsstellen an Phosphat gebunden. Das wird auch Chelatkomplexbildung genannt. Darüber hinaus bildet Phytat mit Proteinen Chelate, sodass für die Verdauung notwendige Enzymaktivitäten, bspw. von Amylase und Trypsin, blockiert werden.

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Das Grundgerüst, also der sechseckige Ring, nennt sich myo-Inositol, an das Phosphatgruppen gebunden sind. Die Enzyme, die Phosphat vom myo-Inositol freisetzen, heißen Phytasen (myo-Inositol-Hexakisphosphat-Phosphohydrolasen). Dabei erfolgt eine Hydrolyse der Phosphomonoesterbindung zwischen dem Grundgerüst und der Phosphatgruppe. Für die Abspaltung der Phosphatgruppen brauchen die Phytasen Wassermoleküle. Es handelt sich daher bei Phytasen um Hydrolasen.

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Durch die Phytasen werden nicht nur Phosphat sondern auch Mineralien freigesetzt und stehen damit zum Beispiel Körner-fressenden Tieren wieder zur Verfügung. Die Bioverfügbarkeit wird verbessert und die Tiere haben mehr von ihrem Futter.

Frage
Was haben Cellulasen, Lipasen und Phytasen gemeinsam?
Denkt kurz nach ... Ach ja, die Reaktion aller drei Enzymgruppen braucht Wasser, sonst kann die Reaktion nicht stattfinden. Daher handelt es sich bei Cellulasen, Lipasen und Phytasen um Hydrolasen.