Глава 10 иммобилизованные ферменты

10. 1. Понятие «инженерная энзимология»

И иммобилизация ферментов

Все встречающиеся в природе организмы содержат ферменты (биокатализаторы), функцией которых является проведение и регуляция химических реакций, необходимых для жизни. Энзимология – раздел молекулярной биологии и биохимии, изучающий свойства, строение и механизмы действия ферментов. Основная задача инженерной энзимологии состоит в создании новых перспективных технологий на основе использования ферментов. Ферменты применяются в следующих областях:

1. В пищевой промышленности – для производства хлеба, переработки молочных продуктов, осветления соков и др.

2. В медицине – для производства лекарственных препаратов.

3. В животноводстве – для повышения усвояемости кормов, а также для ускорения процесса силосования и улучшения питательных свойств силоса.

4. В растениеводстве – для защиты растений от насекомых - вредителей.

Источники получения ферментов.

Ферменты выделяют из клеток всех видов живых организмов, но традиционным источником служат растения.

Синтез ферментов клетками культуры ткани ввиду сложности и дороговизны не получил широкого распространения, хотя он и позволяет получить большое количество необходимого вещества в десятки, а иногда в сотни раз быстрее, чем путем выделения из живых организмов. В настоящее время ферменты получают преимущественно из бактерий, так как они примерно в сто раз дешевле ферментов, выделенных из клеток растений и животных.

Высокопродуктивные штаммы микроорганизмов получают благодаря использованию мутационного процесса и методов генетической инженерии. Сочетание этих методов позволило японским исследователям добиться 200 – кратного увеличения синтеза альфа – амилазы клетками сенной палочки Bacillus subtilis.

Причины иммобилизации ферментов.

Выделяемые из клеток свободные ферменты имеют ряд недостатков:

1. Они растворимы в воде и во время выделения или при хранении могут потерять свою активность.

2. Их порой трудно отделить от продуктов реакции.

В последнее время были найдены пути преодоления этих сложностей – получены водонерастворимые формы, так называемые иммобилизованные (связанные) ферменты.

Способ иммобилизации и его преимущество.

Иммобилизация – это метод, позволяющий связать молекулу фермента с природным или синтетическим носителем. Носитель не смешивается с растворами реагентов, но позволяет ферменту взаимодействовать с ними, в результате чего и образуются необходимые вещества. Наиболее распространенным способом получения иммобилизованных ферментов является ковалентное связывание (рис.10.1). Иммобилизованные ферменты обладают существенными преимуществами по сравнению с традиционными ферментативными препаратами: 1. Они стабильны и долго сохраняют свою активность; 2. Легко отделяются от реакционной среды, что повышает качество получаемой продукции. 3. Иммобилизованные ферменты технологичны, что определяется возможностью вести биотехнологический процесс непрерывно, регулировать скорость реакции и выход продукции.

Рис. 10. 1. Мембрана с иммобилизованными клетками дрожжей

Сущность иммобилизации ферментов - прикрепление их к активной форме к нерастворимой основе, заключение в гель или в полунепроницаемую мембранную систему. Фиксированные таким образом ферменты обладают пролонгированным (более длительным) действием.

Ещё в 1916 году Дж. Нельсон и Е. Гриффин показали, что сахароза, сорбированная на угле, сохраняла свою каталитическую активность, но лишь в 1953 году Н. Грубхофер и Д. Шлейт впервые осуществили ковалентные связывания амилазы, пепсина и карбоксипептидазы с этим нерастворимым носителем.

В 1981 году на первой конференции по инженерной энзимологии был узаконен термин «иммобилизованные ферменты». Однако в понятие «иммобилизация» в настоящее время вкладывают более широкий смысл, чем связывание на нерастворимом носителе, а именно – полное или частичное ограничение свободы движения белковых молекул.

Фермент инвертаза.

Фермент инвертаза расщепляет сахарозу на глюкозу и фруктозу, его получают из пивных дрожжей (Saccharomyces cerevisiae и Saccharomyces carlsberqensis) (рис 10.2).

Инвертный сахар кристаллизуется медленнее, чем сахароза, поэтому его применяют при изготовлении продуктов, в которых кристаллизация нежелательна – в полужидких начинках конфет, в ликерах, сиропах, в искусственном меде.

Рис.10.2. Клетки пивных дрожжей Saccharomyces cerevisiae