Мир науки

Рефераты и конспекты лекций по географии, физике, химии, истории, биологии. Универсальная подготовка к ЕГЭ, ГИА, ЗНО и ДПА!

Загрузка...

Ферменты проявляют свою активность не только в микропространстве клетки, но и вне организма. Они исключительно активными и специфическими катализаторами, которые имеют недосягаемую для химических катализаторов активность и избирательность и, кроме того, ускоряют много реакций, для которых вообще не

известны химические катализаторы. Поэтому практическое использование ферментов открывает огромные возможности для разработки многих химических процессов, которые идут в мягких условиях с высоким выходом целевых продуктов. Однако, во-первых, ферменты, идеально приспособлены для работы в живой клетке и в случае исключения из своего окружения становятся очень неустойчивыми и не могут функционировать достаточно длительный срок. Во-вторых, ферменты, как правило, являются гомогенными катализаторами, очень неудобно с технологической точки зрения, поскольку такой катализатор трудно отделить от продуктов реакции и использовать снова. В-третьих, некоторые химико-технологические процессы желательно проводить при повышенной температуре, например, для того, чтобы не допустить загрязнения продуктов синтеза (особенно лекарственных препаратов) микрофлорой; однако с повышением температуры стабильность ферментов катастрофически снижается. Кроме того, очень часто нужны органические вещества можно получать с высоким выходом лишь в том случае, когда реакция идет исключительно в среде органического растворителя. Но в этих условиях обычные ферменты также не способны нормально работать и быстро теряют каталитическую активность. Из этого следует, что фермент, выделенный из живой клетки, требует значительного совершенствования.

 

За последние 15-20 лет проблему удалось решить, и ферменты стали полноправными компонентами технологических схем производства. Это было достигнуто путем развития методов иммобилизации ферментов, то есть фиксации их на каких-то нерастворимых материалах, предотвращают разрушение ферментов, увеличивают срок их действия, превращают их в гетерогенный катализатор (например, в виде зерен).

 

Во иммобилизацией понимают такую процедуру, в результате которой молекула фермента тем или иным способом прикрепляется к определенным объектам (носителей), нерастворимых в воде (англ. immobilis - неподвижный). Эти объекты вместе с ферментом легко отделяются от раствора после завершения реакции. Химическое «пришивания» фермента к носителю закрепляет конформацию фермента, и является причиной повышения устойчивости и снижения лабильности.

 

Иммобилизованные ферменты есть вроде модели структурно организованных в клетке ферментов (мембрана - это та же нерастворимое основание для сообщения с ферментом). Примерно в 70-х гг XX в. на стыке определенных химических и биологических дисциплин сформировался новый научно-инженерный направление: инженерная энзимология (важнейший раздел биотехнологии), стремительное развитие которой обусловил создание новых типов гетерогенных биоорганических катализаторов - иммобилизованных ферментов.

 

Ферменты и ферментные системы традиционно применяются в самых различных областях практической деятельности: в пищевой, фармацевтической, текстильной, меховой, кожевенной и других отраслях промышленности, в медицине, сельском хозяйстве, органическом синтезе, химическом анализе. Последние годы ферменты стали применять для осуществления таких реакций органической химии, как окисление, восстановление, метилирования, ацетилирования, дезаминирование, декарбоксилирование, дегидратация, конденсация для разделения и отделения изомеров т.д.. Уже сейчас стало очевидным, что применение биокатализа в тонком органическом синтезе открывает путь к безотходных и низкотемпературных процессов, протекающих к тому же в неагрессивных средах. Нет сомнений, что внедрение биокаталитический процессов в химическую технологию неизбежно будет способствовать экономии сырья и энергии, уменьшению вреда, современная промышленность наносит окружающей среде. Овладение тонкими механизмами действия ферментов, несомненно, предоставит неограниченные возможности получения в огромных количествах и с большой скоростью полезных веществ в лабораторных и заводских условиях почти со 100% выходом.

 

Такое широкое применение ферментов способствовало налаживанию промышленного их получения в больших количествах. Сырьем для этого служат ткани различных растений и животных, но чаще - микроорганизмы, которые выращивают на селективных средах. Кроме того, микроорганизмы быстро накапливают свою биомассу, поэтому для их культивирования могут быть использованы дешевые питательные среды. Например, методами селекции, мутагенеза и генной инженерии удалось получить штаммы различных видов бактерий, продуцирующих те или иные ферменты в больших количествах: иногда с выходом более 50% от общей массы клеточного белка.

 

Таким образом, иммобилизованные ферменты - это искусственно полученный комплекс фермента с нерастворимым в воде носителем. Однако, понятие «иммобилизация» необходимо понимать шире, то есть как любое ограничение свободы движения белковой молекулы фермента в пространстве. Кроме связывания с нерастворимым носителем, этого можно достичь, например, путем внутримолекулярной или межмолекулярного «сшивки» белковых молекул фермента низкомолекулярными бифункциональных реагентами или присоединением фермента к растворимого полимера (рис. 48).

 

Иммобилизация осуществляется путем физической адсорбции ферментов на нерастворимом материале; включением ферментов в ячейки геля, а также ковалентной связыванием фермента с нерастворимым материалом или молекул фермента между собой с образованием нерастворимых полиферментные комплексов. Как адсорбенты используют стекло, силикагель, гидроксиапатит, целлюлозу и ее производные, хитин, дек-страни и др.. Для включения фермента в ячейки геля используют разнообразный гелеобразующий материал, чаще полиакриламидный гель. Как материал для ковалентного связывания ферментов применяют полипептиды, белки, производные стирола, полиакриламид, нейлон, различные производные целлюлозы, крахмал, агар, агарозу, а также стекло, силикагель и т.п.. При ковалентной связке ферменты находятся на химическом поводке у нерастворимого носителя.

 

При иммобилизации ферментов используют те же принципы, что и при аффинной хроматографии. Аффинная хроматография основывается на биоспецифического взаимодействия биополимера, выделяемой или группы полимеров с определенной веществом. Этот вид хроматографии применяется к ферментов, иммуноглобулинов, рецепторных белков, которые способны избирательно по типу комплементарности связываться с субстратами, рецепторами, антигенами, ингибиторами, кофакторами. Принцип этого метода хроматографии состоит в том, что на нерастворимом носителе закрепляют вещество, способное специфически связываться с белком, выделяется, в частности, ферментом. Это вещество называют лигандом. Обработанный таким образом носитель (адсорбент) помещают в колонке и через нее пропускают смесь белков. С адсорбентом связывается только тот белок, который имеет сродство со специфическим лигандом (рис. 49). Затем белок снимают с колонки раствором, вызывает диссоциацию комплекса, который образовался между белком и лигандом.

 

По сравнению с нативными предшественниками иммобилизованные ферменты имеют ряд преимуществ при их использовании с прикладной целью.

 

Во-первых, иммобилизованный фермент как гетерогенный катализатор можно легко удалить с реакционной среды, что дает возможность:

 

- Остановить в нужный момент реакцию;

 

- Еще раз использовать катализатор;

 

- Получить продукт, не загрязненный ферментом, что особенно важно для пищевого и фармацевтического производства.

 

Во-вторых, использование гетерогенных катализаторов позволяет осуществлять ферментативный процесс непрерывно, например, в проточных колонках, и регулировать скорость реакции, которую катализируют, а также выход продукта путем изменения скорости потока.

 

В-третьих, иммобилизация или модификация фермента способствует целенаправленной изменении свойств катализаторов, в том числе его специфичности, зависимости каталитической активности от рН, ионного состава и других параметров среды, и, что очень важно, его стабильности относительно разного рода денатурирующих воздействий.

 

В-четвертых, иммобилизация ферментов дает возможность регулировать их каталитическую активность путем изменения свойств носителя под влиянием некоторых физических факторов (свет, звук и др.).. На этой основе создаются механико-звукочутливи датчики, усилители слабых сигналов и безсрибляни фотографические процессы.

 

Основные требования, которым должны соответствовать носители:

 

- Высокая химическая и биологическая стойкость;

 

- Высокая механическая прочность;

 

- Достаточная проницаемость для фермента и субстратов;

 

- Высокая пористость;

 

- Возможность получения в виде удобных в технологическом отношении форм (гранул, мембран, труб, листов и т.д.);

 

- Легкое перевода в реакционно-способную форму (активация):

 

- Высокая гидрофильность, которая обеспечивает возможность проведения реакции связывания фермента с носителем в водной среде;

 

- Невысокая стоимость.

 

Как носители для иммобилизации ферментов белки используют при фундаментальных биохимических исследований, а также с практической целью, особенно в медицине. С точки зрения практического значения важными свойствами белковых носителей является высокая емкость относительно ферментов, способность к биодеградации, а также возможность применения некоторых из них (благодаря фибриллярных природе), в виде тонкой (толщиной 80 мкм) пленки (мембрана). Иммобилизацию на белковых носителях можно проводить и в отсутствии, и в присутствии сшивающих агентов.

 

К недостаткам белков как носителей медицинских препаратов для использования in vivo следует отнести высокую иммуногенность (исключение составляют коллаген и фибрин).

 

Чаще как носители используются структурные белки (кератин, фиброина, коллаген) двигательные белки (миозин), а также транспортные белки, например, сывороточный альбумин.



Загрузка...
Загрузка...
Реферати і шпаргалки на українській мові.
Биология      Физика      Химия      Экономика     География
Микробиология      Теоретическая механика     География Белоруссии    География Украины    География Молдавии
Растительность мира      Электротехника    География Грузии    География Армении    География Азербайджана
География Казахстана    География Узбекистана    География Киргизии    География Туркменистана    Природоведение
География Таджикистана    География Эстонии