Иммобилизованные ферменты - Березин И.В.
Скачать (прямая ссылка):
древесных опилках протеолитических ферментов для обработки шкур.
Принципиально важный шаг в направлении создания прочных конъюгатов
ферментов с носителями был сделан в 1953 г. Н. Груб-хофером и Д. Шлейтом,
впервые применившими метод ковалентного связывания.
Для исследований 50-60-х годов характерна уже достаточно четкая
осознанность практической значимости развиваемого направления. Немалая
заслуга в этом принадлежит группам
б
Г. Манеке и Э. Качальского. В результате связывания фермента на носителе
были созданы гетерогенные катализаторы, для которых сравнительно недавно,
на первой конференции по инженерной энзимологии в Хенникере (США) в 1971
г., был узаконен термин "иммобилизованные ферменты". В литературе все еще
встречаются и другие термины, например "нерастворимые ферменты",
"матрицированные ферменты" и т. п., смысл которых достаточно конкретен:
ими обозначают препараты ферментов, связанных на нерастворимых носителях.
Однако понятие "иммобилизация" можно и нужно понимать шире, а именно, как
любое ограничение свободы движения белковых молекул (или их фрагментов!)
в пространстве. Помимо связывания с нерастворимым носителем этого можно
также достичь, например, путем внутримолекулярной или межмолекулярной
"сшивки" белковых молекул низкомолекулярными бифункциональными реагентами
или же присоединением фермента к растворимому полимеру. Такие препараты
иногда называют ферментами, модифицированными "сшивающими" или,
соответственно, полимерными реагентами.
Иммобилизованные ферментные препараты обладают рядом существенных
преимуществ при использовании их в прикладных целях по сравнению с
нативными предшественниками. Во-первых, гетерогенный катализатор легко
отделить от реакционной среды, что дает возможность: а) остановить в
нужный момент реакцию; б) использовать катализатор повторно; в) получать
продукт, не загрязненный ферментом. Последнее особенно важно в ряде
пищевых и фармацевтических производств.
Во-вторых, использование гетерогенных катализаторов позволяет проводить
ферментативный процесс непрерывно, например в проточных колоннах, и
регулировать скорость катализируемой реакции, а также выход продукта
путем изменения скорости потока.
В-третьих, иммобилизация или модификация фермента способствует
целенаправленному изменению свойств катализатора, в том числе его
специфичности (особенно в отношении к макро-молекулярным субстратам),
зависимости каталитической активности от pH, ионного состава и других
параметров среды и, что очень важно, его стабильности по отношению к
различного рода денатурирующим воздействиям. Отметим, что крупный вклад в
разработку общих принципов стабилизации ферментов был сделан советскими
исследователями.
В-четвертых, иммобилизация ферментов дает возможность регулировать их
каталитическую активность путем изменения свойств носителя под действием
некоторых физических факторов, таких, как свет или звук. На этой основе
создаются механо-и звукочувствительные датчики, усилители слабых сигналов
и бессеребряные фотографические процессы.
В результате внедрения нового класса биоорганических катализаторов -
иммобилизованных ферментов, перед прикладной энзимологией открылись
новые, ранее недоступные пути разви-
7
тия. Одно лишь перечисление областей, в которых находят применение
иммобилизованные ферменты, могло бы занять немало места. Однако в этом
нет необходимости, поскольку прикладным аспектам и достижениям инженерной
энзимологии целиком посвящена книга 8 серии "Биотехнология". Здесь важно
лишь отметить, что успех практического использования препаратов
иммобилизованных ферментов в значительной степени определяется
подготовительным этапом работы - выбором подходящего носителя и метода
иммобилизации, а также знанием кинетико-термодинамических особенностей
катализа иммобилизованными ферментами. Именно рассмотрению этого круга
вопросов посвящено данное учебное пособие. Кроме того, уделено внимание
проблемам стабильности ферментов вообще и иммобилизованных в частности, а
также сформулированы общие принципы стабилизации. Специальная глава
отведена способам регенерации компонентов систем с иммобилизованными
ферментами.
Глава
НОСИТЕЛИ ДЛЯ ИММОБИЛИЗАЦИИ ФЕРМЕНТОВ
Для получения иммобилизованных ферментов используется эгромное число
носителей, как органических, так и неорганических. Основные требования,
предъявляемые к материалам, которые могут быть применены для
иммобилизации ферментов, следующие (Дж. Порат, 1974): 1 - высокая
химическая и биологическая стойкость; 2 - высокая механическая прочность
(в первую очередь, по отношению к истиранию); 3 - достаточная
проницаемость для фермента и субстратов, большая удельная поверхность,
высокая вместимость, пористость; 4 - возможность получения в виде удобных
в технологическом отношении форм (гранул, мембран, труб, листов и т. д.);
5 - легкое переведение в реакционноспособную форму (активация); 6-высокая
гидро-фильность, обеспечивающая возможность проведения реакции связывания
