Glukoz Oksidaz Nedir? Küflerin Glukozu Yükseltgeyen Enzimi

Bir küfün salgıladığı tek bir enzim; ekmek hamurunda, yumurta tozunda, şarapta ve glukoz ölçen sensörlerde karşımıza çıkıyor. Glukoz oksidaz, β-D-glukozu glukonolaktona yükseltgeyen ve bu sırada hidrojen peroksit üreten bir enzimdir; ticari kaynağı büyük ölçüde Aspergillus niger küfüdür (Wong ve ark., 2008). Enzim tek başına sıradan görünen bir tepkime yürütür, ama o tepkimenin iki ürünü, yani asit ve peroksit, hem mantarın doğadaki yaşamında hem de sanayide işin rengini değiştirir.

Tepkime: glukoz girer, asit ve peroksit çıkar

Enzimin yaptığı iş kısaca şöyle özetlenebilir: β-D-glukozu glukonik aside yükseltger, elektron alıcısı olarak moleküler oksijeni kullanır ve aynı anda hidrojen peroksit açığa çıkarır (Bankar ve ark., 2009). Mekanizma çalışmalarında glukozun doğrudan dönüştüğü ürün olarak glukono-δ-lakton adlı halkalı molekül gösterilir (Leskovac ve ark., 2005).

Tepkimenin oksijen harcaması, gıda tarafında ayrı bir anlam taşır. Bir derlemeye göre glukoz oksidazın katalizlediği tepkime ortamdan oksijeni uzaklaştırır ve hidrojen peroksit üretir; bu özellik gıda korumada kullanılır (Wong ve ark., 2008). Yazarlar bir de genellikle göz ardı edilen bir ayrıntıya dikkat çeker: tepkime mol başına yaklaşık 200 kJ gibi kayda değer bir ısı açığa çıkarır (Wong ve ark., 2008).

Aynı küfün öteki büyük ürününü, sitrik asidi sitrik asit mantardan mı üretilir yazısında anlattık.

Yapısı: iki alt birim, iki FAD

A. niger glukoz oksidazı, her biri yaklaşık 80 kDa olan iki özdeş alt birimden oluşan ve her alt birimde bir FAD koenzimi taşıyan, iyi tanımlanmış bir glikoproteindir; hem DNA dizisi hem de 1,9 Å çözünürlükte protein yapısı belirlenmiştir (Wong ve ark., 2008). FAD (flavin adenin dinükleotit), elektronları geçici olarak tutabilen bir kofaktördür.

Mekanizmayı ayrıntılı inceleyen bir derlemeye göre olası iki yoldan daha makul görüneni şudur: glukozun C1 hidroksilindeki proton enzimdeki His516 amino asidine, C1 konumundaki hidrür ise doğrudan FAD'nin N5 atomuna aynı anda aktarılır (Leskovac ve ark., 2005). Aynı çalışma, aktif merkezde FAD'ye ek olarak His516, Glu412 ve His559 olmak üzere üç amino asit yan zincirinin katalize doğrudan katıldığını ve bunların protonlanma durumunun tüm hız sabitlerini güçlü biçimde etkilediğini bildirir (Leskovac ve ark., 2005).

Küfün kendi hayatında: asitleştirme ve savunma

Glukoz oksidaz insan icadı bir araç değil; önce onu üreten canlının hayatında bir görev üstleniyor. Derlemeye göre enzim bazı mantarlarda ve böceklerde doğal olarak üretilir ve bu canlılarda katalitik ürünü olan hidrojen peroksit bakterilere ve mantarlara karşı bir savunma aracı olarak iş görür (Wong ve ark., 2008).

Enzimin rolü bitki patojeni küflerde daha da somut. Elmada depo çürüklüğü yapan Penicillium expansum üzerinde yapılan bir çalışmada, gox2 transkriptini ve glukoz oksidaz etkinliğini daha yüksek düzeyde gösteren, daha çok glukonik asit salgılayan izolatların elmada hastalığı daha hızlı ilerlettiği bulunmuştur (Hadas ve ark., 2007). Aynı çalışmada düşük oksijenli ortamda yetiştirilen kültürler daha az gox2 transkripti ve daha az glukonik asit üretmiş, hastalıkta yüzde 15'lik bir azalma görülmüştür (Hadas ve ark., 2007). Yazarlara göre çürüyen dokunun kenarında ölçülen yüksek enzim etkinliği, glukonik asidin konak dokuyu asitleştirdiğine ve bu asitleşmenin pektin parçalayan enzimlerin ifadesini artırdığına işaret eder (Hadas ve ark., 2007). Bitki hücre duvarını gevşeten bu enzim grubunu pektinaz enzimi nedir yazısında ayrıca ele alıyoruz.

Aynı araştırma grubu sonraki çalışmada iki glukoz oksidaz genini karşılaştırmış ve enzim etkinliği ile glukonik asit birikiminin pH 7,0'da doruğa çıkan GOX2 ifadesiyle sıkı biçimde ilişkili olduğunu, pH 4,0'da ifade edilen GOX1 varken ise hücre dışında enzim etkinliği ya da glukonik asit görülmediğini bildirmiştir (Barad ve ark., 2012). Bu çalışmada pH 7,0'da P. expansum sporlarının yüzde 26'sı çimlenirken glukonik asit biriktirmeyen P. chrysogenum'da aynı pH'ta oran yüzde 72 olmuş; yazarlar glukonik asit aracılı pH değişiminin konak dokuya yerleşmeyi başlatan sinyallerden biri olduğu sonucuna varmıştır (Barad ve ark., 2012).

Hamurdaki işi: glüten ağını sıkılaştırmak

Glukoz oksidazın fırıncılıktaki kullanımı, hidrojen peroksit üretmesine dayanır. Buğday hamuru üzerinde yapılan bir laboratuvar çalışmasında glukoz oksidaz ya da doğrudan hidrojen peroksit eklenen hamurlarda protein ve arabinoksilan ekstrakte edilebilirliğinin azaldığı, glutatyon çözeltisine eklenen enzimin sülfhidril içeriğini keskin biçimde düşürdüğü gösterilmiştir (Decamps ve ark., 2013). Yazarlara göre enzimin hamur ve ekmek kalitesine etkisi, oluşan hidrojen peroksitin glüten proteinlerini disülfür bağlarıyla ve arabinoksilan moleküllerini ferulik asit köprüleriyle çapraz bağlamasından kaynaklanır; çapraz bağlanmanın derecesi de peroksitin miktarına ve oluşma hızına güçlü biçimde bağlıdır (Decamps ve ark., 2013).

Türkiye'den bir çalışma aynı etkiyi tam buğday unu hamurunda ölçmüştür: yüzde 0,0003-0,001 oranında eklenen glukoz oksidaz hamurun uzamaya karşı direncini ve direnç/uzayabilirlik oranını kontrol hamuruna göre anlamlı biçimde düşürmüş, ekmeğin özgül hacmini artırmıştır (Altınel ve ark., 2017). Arabinoksilanı hedef alan bir başka hamur enzimi için ksilanaz enzimi nedir, hamurun asıl kabartıcısı için ekmek mayası nasıl üretilir yazısına bakabilirsiniz.

Yumurta tozundan şaraba: sanayideki öteki işler

Derlemeler enzimin kullanım alanlarını geniş bir listeyle verir. A. niger kaynaklı enzim, genel olarak güvenli kabul edilen (GRAS) statüdedir ve fırıncılık, yumurta tozu üretimi, şarap üretimi ve glukonik asit üretimi gibi alanlarda kullanılmıştır (Wong ve ark., 2008). Başka bir derleme, kurutulmuş yumurtadan glukozun uzaklaştırılmasını, meyve suyu ve içeceklerden oksijenin çekilmesini ve gıdaların renk ve tadının iyileştirilmesini enzimin ticari kullanımları arasında sayar (Khatami ve ark., 2022).

Üretim tarafında ise iş bitmiş değil. Mantar kaynaklı glukoz oksidazı ele alan bir derlemeye göre enzim bugün başlıca birkaç küf cinsinden üretilip saflaştırılıyor, ancak verim görece düşük ve saflaştırma süreci zahmetli; bu nedenle yazarlar genetik ve genetik olmayan yollarla daha iyi üretici suşlar geliştirilmesini tartışır (Dubey ve ark., 2017).

Sensörlerdeki yeri ve oksijen sorunu

Glukoz oksidazın elektrokimyaya uygunluğu, onu glukoz sensörlerinin ve potansiyel olarak yakıt hücrelerinin önemli bir bileşeni yapmıştır (Wong ve ark., 2008). Enzim katalazla birlikte, endüstriyel ve biyolojik çözeltilerde glukozun varlığını ve miktarını ölçen test kitlerinde, özellikle biyosensörlerde kullanılır (Khatami ve ark., 2022).

Ancak aynı özellik bir zayıflık da doğurur. Bu alandaki bir derleme, 2012'den beri glukoz oksidaz sensörleri üzerine her yıl binden fazla makale yayımlandığını, buna karşın az sayıdaki tasarımın enzimin oksijene duyarlılığını ve oksijenle elektron aktarıcı moleküller arasındaki rekabeti çözebildiğini belirtir (Mano, 2019). Aynı derleme, enzimin elektrot yüzeyine elektron aktarım hızını artırmayı ve oksijen duyarlılığını azaltmayı hedefleyen protein mühendisliği çalışmalarını özetler (Mano, 2019).

Mantarların salgıladığı enzimlerin daha geniş bir resmi için selülaz enzimi nedir ve lakkaz enzimi nedir yazılarına, aynı cinsten bir başka organik asit üreticisi için itakonik asit nedir yazısına bakabilirsiniz.

Bilimsel referanslar

Altınel, B. et al. (2017). The effects of certain enzymes on the rheology of dough and the quality characteristics of bread prepared from wheat meal. J Food Sci Technol, 54(6), 1628-1637. PMID 28559622. DOI 10.1007/s13197-017-2594-8.

Bankar, S.B. et al. (2009). Glucose oxidase--an overview. Biotechnol Adv, 27(4), 489-501. PMID 19374943. DOI 10.1016/j.biotechadv.2009.04.003.

Barad, S. et al. (2012). A Penicillium expansum glucose oxidase-encoding gene, GOX2, is essential for gluconic acid production and acidification during colonization of deciduous fruit. Mol Plant Microbe Interact, 25(6), 779-88. PMID 22352719. DOI 10.1094/MPMI-01-12-0002.

Decamps, K. et al. (2013). The bread dough stability improving effect of pyranose oxidase from trametes multicolor and glucose oxidase from Aspergillus niger: unraveling the molecular mechanism. J Agric Food Chem, 61(32), 7848-54. PMID 23875828. DOI 10.1021/jf4021416.

Dubey, M.K. et al. (2017). Improvement Strategies, Cost Effective Production, and Potential Applications of Fungal Glucose Oxidase (GOD): Current Updates. Front Microbiol, 8, 1032. PMID 28659876. DOI 10.3389/fmicb.2017.01032.

Hadas, Y. et al. (2007). Involvement of Gluconic Acid and Glucose Oxidase in the Pathogenicity of Penicillium expansum in Apples. Phytopathology, 97(3), 384-90. PMID 18943660. DOI 10.1094/PHYTO-97-3-0384.

Khatami, S.H. et al. (2022). Glucose oxidase: Applications, sources, and recombinant production. Biotechnol Appl Biochem, 69(3), 939-950. PMID 33840140. DOI 10.1002/bab.2165.

Leskovac, V. et al. (2005). Glucose oxidase from Aspergillus niger: the mechanism of action with molecular oxygen, quinones, and one-electron acceptors. Int J Biochem Cell Biol, 37(4), 731-50. PMID 15694834. DOI 10.1016/j.biocel.2004.10.014.

Mano, N. (2019). Engineering glucose oxidase for bioelectrochemical applications. Bioelectrochemistry, 128, 218-240. PMID 31030174. DOI 10.1016/j.bioelechem.2019.04.015.

Wong, C.M. et al. (2008). Glucose oxidase: natural occurrence, function, properties and industrial applications. Appl Microbiol Biotechnol, 78(6), 927-38. PMID 18330562. DOI 10.1007/s00253-008-1407-4.

Bu içerik bilgilendirme amaçlıdır, tıbbi tavsiye niteliği taşımaz. Herhangi bir sağlık kararı almadan önce hekiminize danışınız. Fonksiyonel mantarlar ilaç değildir ve hastalıkların tedavisinde kullanılamaz.

Atıf yapılan kaynak: 10  |  Yöntem: Editöryel Politika  |  Referanslar: Bibliyografya