Использование макромолекул с ферментативной активностью в биотехнологии

Ферменты – это катализаторы биологического происхождения. Важнейшие свойства Ф. – чрезвычайно высокая активность и специфичность действия. Основная функция ферментов – проведение, ускорение и регуляция практически всех химических реакций, необходимых для жизнедеятельности организма.

Согласно классификации (КФ) ферменты подразделяются на шесть главных классов, каждый из которых включает подклассы и подподклассы:

I. Оксидоредуктазы (КФ1.) — катализируют окислительно-восстановительные реакции;

II. Трансферазы (КФ2.) — катализируют реакции переноса функциональных групп (фосфатных, ацильных, гликозильных, альдегидных и др.);

III. Гидролазы (КФЗ.) — катализируют реакции гидролиза (перенос функциональных групп на молекулу воды);

IV. Лиазы (КФ4.) — катализируют реакции присоединения по двойным связям и обратные реакции;

V. Изомеразы (КФ5.) —катализируют реакции изомеризации, то есть перенос групп внутри молекулы с образованием изомерных форм;

VI. Лигазы (КФ6.) —катализируют реакции образования связей С — С, С — S, С — О и С — N, сопряженных с расходованием энергии АТФ или других нуклеозидтрифосфатов.

В отличие от небиологических катализаторов ферменты — высоко специфичны, они имеют активные центры, многие из них проявляют свою активность в присутствии коферментов (коэнзимов) небелковой природы, то есть в таких случаях ферменты являются сложными белками. Коферменты могут обратимо или необратимо (простатические группы) связываться с белковой частью — апоферментом. Полный ферментный комплекс называют холоферментом. Если же действие некоторых фермен­тов лишь активируется неорганическими ионами или атомами металлов и не снимается полностью в их отсутствии, то такие активаторы следует называть кофакторами.

Многие феременты уже давно нашли применение в ряде областей промышленности. В основном это пищевая промышленность, где ферментные препараты применяются для гидролиза природных полимеров: белков, крахмала, пектинов.

Более широкое технологическое применение ферментов до последнего времени сдерживалось рядом причин:

а) трудоемкость отделения ферментов от исходных реагентов и продуктов реакции после завершения процессов, в результате чего фермент используется, как правило, однократно;

б) неустойчивость ферментов при хранении, а также при различных воздействиях (главным образом тепловых);

в) трудоемкость очистки ферментов и получения их в достаточно активном виде и, как следствие, высокая стоимость активных ферментов.

Решением этих проблем является иммобилизация ферментов. Например, иммобилизованные пенициллиназа и пенициллинацилаза активно используются для получения полусинтетических β-лактамных антибиотиков

Для реализации биотехнологических процессов важными параметрами биообъектов являются: чистота, скорость размножения клеток и репродукции вирусных частиц, активность и стабильность биомолекул или биосистем.

Следует иметь в виду, что при создании благоприятных условий для избранного биообъекта биотехнологии эти же условия могут оказаться благоприятными, например, и для микробов — контаминантов, или загрязнителей (от лат. contaminatio — заражение, загрязнение). Представителями контаминирующей микрофлоры оказываются вирусы, бактерии и грибы, находящиеся в культурах растительных или животных клеток. В этих случаях микробы-контаминанты выступают вредителями производств в биотехнологии. При использовании ферментов в качестве биокатализаторов возникает необходимость предохранения их в изолированном или иммобилизованном состоянии от деструкции банальной сапрофитной (не болезнетворной) микрофлорой, которая может проникнуть в сферу биотехнологического процесса извне вследствие нестерильности системы, например, из-за негерметичности в каком-либо узле.

Скорости размножения клеток и репродукции вирусных частиц прямо пропорционально сказываются на возрастании клеточной массы и образовании метаболитов или, применительно к фагам, на возрастании массы лизирующихся клеток. В этом смысле подавляющее большинство микроорганизмов выгодно отличается от клеток растений и животных. Однако не следует упускать из виду важность конечного продукта. Например, уже упомянутые моноклональные антитела можно получить лишь с помощью животных клеток, когда длительность культивирования их не приобретает самодовлеющего значения.

Активность и стабильность в активном состоянии биообъектов — одни из важнейших показателей их пригодности для длительного использования в биотехнологии.

Таким образом, независимо от систематического положения биообъекта, на практике используют либо природные организованные частицы (фаги, вирусы) и клетки с естественной генетической информацией, либо клетки с искусственно заданной генетической информацией, то есть в любом случае используют клетки, будь то микроорганизм, растение, животное или человек. Для примера можно назвать процесс получения вируса полиомиелита на культуре клеток почек обезьян в целях создания вакцины против этого опасного заболевания. Хотя мы заинтересованы здесь в накоплении вируса, репродукция его протекает в клетках животного организма. Другой пример с ферментами, которые будут использованы в иммобилизованном состоянии. Источником ферментов также являются изолированные клетки или специализированные ассоциации их в виде тканей, из которых изолируют нужные биокатализаторы.

Дата добавления: 2015-07-07