Ферменты

Ферменты

ВВЕДЕНИЕ. Применение ферментов животного, рас-

тительного и микробного происхождения в промыш-

ленном производстве или в аналитических целях

началось около 100 лет назад. В 1970 г. иммобили-

зованые ферменты были впервые использованы как

биокатализаторы для химического превращения ве-

щества (ферментативная трансформация). Развитие

методов генетической инженерии и возможность по-

лучения рекомбинантных белков с измененными

свойствами открывает новые перспективы фермен-

тации.

КЛАССИФИКАЦИЯ ФЕРМЕНТОВ. В соответствии с ме-

ждународной классификацией ферменты разделены

на 6 классов, согласно типам реакций, которые они

катализируют. К настоящему времени описаны тыся-

чи разнообразных ферментов с различными функция-

ми. Как правило, ферменты с аналогичными функци-

ями, выделенные из разных организмов, несколько

отличаются по структуре. При оценке возможностей

использования фермента в биотехнологии необходи-

мо располагать данными о его биологических свойст-

вах. Так, около трети всех описанных ферментов яв-

ляются мембраносвязанными, они нестабильны в

очищенном виде. Для осуществления ферментатив-

ной реакции многим оксидоредуктазам, трансфера-

зам, лигазам и синтазам необходимы кофакторы, на-

пример NADH, ATФ или кофермент А, поэтому

использование таких ферментов в биотехнологиче-

ских целях не всегда экономически выгодно из-за вы-

соких цен на кофакторы. Гидролазам и изомеразам

кофакторы не требуются, поэтому эти ферменты ши-

роко используются в промышленности. Для большин-

ства аналитических и диагностических исследований

особенно важна высокая специфичность ферментов

по отношению к субстрату.

ПОЛУЧЕНИЕ ФЕРМЕНТОВ. Способ выделения и очист-

ки фермента зависит от источника (животные, расти-

тельные или микробные клетки), конкретной задачи,

необходимого количества, а также биологических

свойств фермента (растворимый или мембраносвя-

занный белок). Ферменты, секретируемые во внекле-

точное пространство, удается получать в больших ко-

личествах (например, протеазы для производства

стиральных порошков). В этом случае процедура очи-

стки фермента значительно упрощена: после отделе-

ния клеток следует стадия концентрирования культу-

ральной жидкости методом ультрацентрифугирования

или осаждения. Затем – высушивание распылением

или в псевдоожиженном слое, после чего препарат

фермента готов к промышленному использованию.

Полученные таким способом препараты часто содер-

жат значительные примеси посторонних белков,

74

поэтому при их применении могут иметь место побоч-

ные ферментативные реакции. В промышленности

Ферменты

Ферментативный катализ

в реакциях химического синтеза связаны с

ВВЕДЕНИЕ. Преимущества использования ферментов

в их высокой субстратной специфичностью. В про-

мышленности, как правило, применяют ферменты,

которые не требуют дополнительных кофакторов:

гидролазы, лиазы, изомеразы и некоторые оксидоре-

дуктазы. К настоящему времени гены многих фер-

ментов клонированы, поэтому появилась возмож-

ность получать эти ферменты без побочных

активностей и с некоторыми улучшенными в резуль-

тате генно-инженерных манипуляций свойствами.

ОКСИДОРЕДУКТАЗЫ. На сегодняшний день охаракте-

ризованно около 850 оксидоредуктаз. Эти ферменты

катализируют окислительно-восстановительные ре-

акции в присутствии кофермента. В случае оксидаз

коферментом является молекула ФАД, ковалентно

связанная с ферментом. Оксидоредуктазы широко

применяются в аналитических методах. Дегидрогена-

зы используются для аналитических, а также препа-

ративных целей в качестве восстановителей карбок-

сильных или окислителей гидроксильных групп.

Процедура очистки кофакторов, например NAD(P)+

или NAD(P)H, требует значительных затрат, поэтому

использование этих веществ в очищенном виде явля-

ется экономически невыгодным. Часто в технологи-

ческий процесс включают дополнительную реакцию с

недорогими субстратами, в результате которой обра-

зуются необходимые кофакторы. Значительными

преимуществами обладает мембранный фермента-

тивный реактор, в котором для синтеза кофактора

используется производное NAD(P)H и формиатде-

гидрогеназа. В последнее время ведутся активные

исследования возможностей применения перокси-

даз, диоксигеназ и Р450-монооксигеназ, катализи-

рующих определенные реакции гидроксилирования.

Эти ферменты содержат железо-серный кластер или

гемовую группу, играющие роль кофактора.

ТРАНСФЕРАЗЫ. К настоящему времени известно

около 950 ферментов, относящихся к классу транс-

фераз. В промышленности эти ферменты не находят

применения.

ГИДРОЛАЗЫ. К классу гидролаз относится более

1000 ферментов, в том числе протеазы, липазы и

эстеразы, имеющие большое значение в современ-

ной биотехнологии. По сути эти ферменты можно

рассматривать как трансферазы, переносящие ту или

иную группу на молекулу воды. Гидролазы катализи-

руют гидролиз связей С–О, C–N, C–C и др. и могут

применяться для синтеза или гидролиза сложных

эфиров и амидов. Так, термолизин, выделенный из

Bacillus stearothermophilus, используют для синтеза

аспартама из L-аспарагиновой кислоты и L-фенил-

76

аланина, пенициллинамидазу из клеток E. coli – для

гидролиза пенициллина G до 6-аминопенициллано-