Синтетическая биохимия и ферменты

Однако начало целенаправленных исследований, ориентированных на создание такого рода стабилизированных ферментных катализаторов, относится к середине XX века, при этом широкий фронт работ и ощутимые успехи достигнуты в последние 20−25 лет. Под иммобилизацией понимается процесс прикрепления ферментов к поверхности природных или синтетических материалов, включение их в полимерные материалы, полые волокна и мембранные капсулы, поперечная химическая сшивка. Иммобилизацию также можно характеризовать как физическое разделение катализатора и растворителя, в ходе которого молекулы субстрата и продукта легко обмениваются между фазами. Разделение может быть достигнуто адсорбционным или ковалентным связыванием фермента с нерастворимыми носителями, либо связыванием отдельных молекул фермента с образованием агрегатов. При иммобилизации ферментов происходит стабилизация каталитической активности, так как этот процесс препятствует денатурации белков. Иммобилизованный фермент, имеющий ограниченную возможность для конформационных перестроек, быстрее растворимого находит кратчайший путь к функционально активной конформации. Иммобилизованные ферменты приобретают, помимо стабильности, отдельные свойства, не характерные для их свободного состояния, например, возможность функционировать в неводной среде, более широкие зоны оптимума по температуре и рН. Это позволяет организовывать на базе иммобилизованных ферментов различные более эффективные биотехнологические процессы многократного периодического, а также непрерывного действия с использованием принципа взаимодействия подвижной и неподвижной фаз. Длительность сохранения каталитической активности и ряд свойств ферментов определяются правильностью выбора носителя, метода и условий проведения иммобилизации. Существует несколько принципиально различных подходов, позволяющих связать фермент с носителем: адсорбционные методы и методы химического связывания на поверхности, методы механического включения или захвата, методы химического присоединения (рис. 5).Рис.

5. Методы иммобилизации ферментов [2, c.106]: А — абсорбция на крупнопористом носителе; Б — ковалентное связывание; В — адсорбция; Г — поперечная сшивка; Д — включение в гель. Методы иммобилизации путем адсорбции основаны на фиксировании фермента на поверхности различных материалов — неорганических (сили-кагель, пористое стекло, керамика, песок, обожженная глина, гидроокиси титана, циркония, железа) и органических (хитин, целлюлоза, полиэтилен, ионообменные смолы, вспененная резина, полиуретан с ячеистой структурой). Насколько разнообразны материалы, применяемые для адсорбции ферментов, настолько различны механизмы и прочность связывания фермента с носителем. Характеризуя эти связи, можно говорить о широком их спектре, от простого обрастания носителя до образования полярных, ионных и ковалентных связей. Адсорбция — это самый простой метод иммобилизации ферментов на поверхности нерастворимых носителей. Процедура иммобилизации состоит в смешивании в определенных условиях фермента с носителем и инкубации смеси. Затем при помощи фильтрования и центрифугирования проводят отделение нерастворимого компонента смеси от растворимого. В процессе адсорбции фермента на носителе при их взаимодействии возникают солевые связи, а также другие слабые взаимодействия (водородные, ван-дер-ваальсовы).

Адсорбциямягкий метод иммобилизации, при котором влияние носителя на активность фермента минимально, поэтому, как правило, ферменты хорошо сохраняют активность. Недостаток данного метода — непрочность связей. Поэтому при незначительном изменении условий среды (рН, температуры, ионной силы, концентрации продукта) возможна десорбция фермента с поверхности носителя. Более прочными являются связи, основанные на ионном взаимодействии, когда адсорбция поддерживается при определенных значениях рН и ионной силе омывающего фермент раствора. Иммобилизованные ферменты имеют ряд преимуществ перед растворимыми при проведении процессов промышленного биокатализа.

Иммобилизованные ферменты можно изъять из реакционной среды, что позволяет контролировать ход ферментативной реакции и многократно использовать ферментные препараты. Каталитический процесс можно проводить непрерывно, пропуская растворы субстратов через реакторы с иммобилизованными ферментами. Продукты реакции не загрязняются примесями ферментных препаратов. Иммобилизованные ферменты имеют высокую операционную стабильность, а их каталитические свойства можно модифицировать, изменяя способ связывания и вид носителя [2, 7]. Применение иммобилизованных ферментов решило задачу создания крупных промышленных биокаталитических процессов производства аминокислот, органических кислот, сахаров, органических растворителей, метана, антибиотиков, гормональных препаратов, производства очистки водоемов и сточных вод, биоконверсии органических отходов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

По результатам работы можно сделать следующие выводы. Биотехнологией можно назвать все виды работ, при которых из сырьевых материалов при помощи живых организмов производятся те или иные продукты. Современный промышленный биотехнологический процесс производства коммерческих продуктов при помощи микроорганизмов обычно состоит из следующих этапов, так или иначе, включающих в себя исходную обработку, ферментацию и биотрансформацию и конечную обработку продукта. В биопромышленности подавляющее большинство продуктов получают в результате ферментации при помощи микроорганизмов (бактерий и грибов).

Ферментация осуществляется живыми клетками и основывается на биохимических превращениях исходного субстрата под действием биологических катализаторов-ферментов.Ферментом в современной биохимии называют белок, состоящий из аминокислот, соединенных в различной длины и последовательности полипептидные цепи. В этой первичной структуре фермента боковые остатки выступают как активные центры. Ферментативный катализ интересен по причине строгой избирательности и высокой скорости, выгодно отличающих его от производственного и лабораторного катализа. Ни один рукотворный катализатор не может сравниться с ферментами по своей избирательности воздействия на органические молекулы. Ферменты — по праву наши помощники в промышленном производстве и домашнем хозяйстве.

Ферменты в настоящее время используются в пищевой, химической, фармацевтической промышленности и иных отраслях экономики. Ферментной промышленностью выпускаются препараты различной степени очистки и концентрирования. Выпускаемые промышленностью ферменты делятся на растворимые и нерастворимые (иммобилизованные).У растворимых ферментов активная часть растворяется в водной среде. Растворимый препарат по окончании ферментативной обработки субстрата остается в реакционной среде, вторично не используясь. Переворот в промышленном применении ферментов произвела их иммобилизация, т. е. физическое или химическое соединение фермента с твердым носителем (керамика, стекло, синтетические полимеры). При этом сохраняются каталитические свойства ферментов, увеличивается их стабильность, и устраняются трудности их отделения от непрореагировавшего субстрата и продуктов. Под иммобилизацией понимается процесс прикрепления ферментов к поверхности природных или синтетических материалов, включение их в полимерные материалы, полые волокна и мембранные капсулы, поперечная химическая сшивка. Иммобилизацию также можно характеризовать как физическое разделение катализатора и растворителя, в ходе которого молекулы субстрата и продукта легко обмениваются между фазами. Применение иммобилизованных ферментов решило задачу создания крупных промышленных биокаталитических процессов производства аминокислот, органических кислот, сахаров, органических растворителей, метана, антибиотиков, гормональных препаратов, производства очистки водоемов и сточных вод, биоконверсии органических отходов. Таким образом, в заключение отметим, что разработка новых биотехнологических процессов, безусловно, приведет к дальнейшей революционизации различных отраслей промышленности.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

Бирюков В. В. Основы промышленной биотехнологии. — М.: «Колос.

С" «Химия», 2004. — 296 с. Волова Т. Г. Биотехнология. — Новосибирск: Изд-во Сибирского отделения Российской Академии наук, 2009. — 252 с. Гамаюрова В. С., Зиновьева М. Е. Ферменты. Лабораторный практикум.

— Казань: КГТУ, 2010. — 272 с. Ксенофонтова М. М., Заглядимова Н. В., Пряхин А. Н. Теоретические основы прогрессивных технологий. Химия и биотехнология. Конспект лекций.

— М.: РГОТУПС, 2012. — 70 с. Разговоров П. Б. Технология получения биологически активных веществ. — Иваново: Изд-во Иван. гос. хим.-технол. ун-та,.

2010. — 72 с. Россихин В. В. Биотехнология: введение в науку будущего. — Харьков, «Колорит», 2005. -.

288с.Сазыкин Ю. О., Орехов С. Н., Чакалева И. И., Катлинский А. В. Биотехнология. Издание 3-е, стереотипное. — М.: Издательский центр «Академия», 2008. — 256 с.