ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ из "Инженерная энзимология" В последнее десятилетие усилиями кафедры химической эн 1ИМОЛОГИИ МГУ им. М. В. Ломоносова были подготовлены учебные пособия Иммобилизованные ферменты (под. ред. 11. В. Березина, В. К- Антонова, К. Мартинека, 1976) и Введение в прикладную энзимологию (под ред. И. В. Березина и К. Мартинека, 1982), которые уже стали библиографической редкостью. Эти издания рассчитаны на студентов университетов, специализирующихся в области физико-химической энзимологии. Насто-ип ,ее учебное пособие предназначено для более широкого круга читателей — студентов и аспирантов.химических, биологических, технических, медицинских и других специальностей вузов, а также всех интересующихся вопросами применения ферментов в современной биотехнологии. Оно включает в себя результаты развития исследований по инженерной энзимологии и сферам ее приложения вплоть до середины 1986 г. [c.6] Основные положения этого коллективного труда используются в спецкурсе Прикладная энзимология , который читается на химическом факультете МГУ при подготовке специалистов по физической химии ферментов. [c.7] Авторы благодарят д-ра техн. наук В. Г. Попова и сотрудников кафедры биотехнологии микробного синтеза Московского технологического института пищевой промышленности (зав. кафедрой проф. В. М. Кантере), взявших на себя труд по рецензированию настоящей книги. [c.7] Инженерная энзимологии — новое научно-техническое направление, основанное на принципах целого ряда областей современного естествознания, в первую очередь химической энзимологии, биохимии, химической технологии, а также инженерно-экономических дисциплин. Основная задача инженерной энзимологии — разработка биотехнологических процессов, в которых используется каталитическое действие ферментов, как правило, выделенных из состава биологических систем или находящихся внутри клеток, искусственно лишенных способности расти. К инженерной энзимологии относятся соответствующие научно-исследовательские и инженерные разработки, если они ставят своей целью а) получение нового продукта б) получение известного продукта, но лучшего качества в) улучшение техникоэкономических показателей процесса по сравнению с аналогичными существующими процессами. [c.8] В основе современной инженерной энзимологии лежит применение иммобилизованных ферментов и ферментных систем. Однако прежде чем переходить к этому вопросу, остановимся на природе самих ферментов. [c.9] Ферменты — это катализаторы биологического происхождения. Важнейшие свойства ферментов — чрезвычайно высокая активность и специфичность (селективность) действия. Все живые организмы содержат большое количество (сотни и тысячи) ферментов, основная функция которых состоит в проведении, ускорении и регуляции практически всех химических реакций, необходимых для жизнедеятельности организма. [c.9] По общепринятой классификации ферментативных реакций ферменты катализируют (ускоряют) реакции, принадлежащие к следующим шести классам 1) окисление и восстановление 2) перенос химических (функциональных) групп от одних молекул на другие 3) гидролиз 4) реакции с участием двойных связей (образование двойных связей или, наоборот, присоединение к ним химических групп) 5) изомеризация, или структурные изменения в пределах одной молекулы 6) синтез сложных соединений (как правило, требующий энергетических затрат). [c.9] Благодаря высокой активности и специфичности некоторые ферменты уже давно нашли применение в ряде областей промышленности (табл. 1). В основном это пищевая промышленность, где применяются главным образом комплексные ферментные препараты для гидролиза природных полимеров — белков, крахмала, пектинов. По имеющимся данным, примерно половина общей стоимости ферментов, производимых в США, приходится на ферментные препараты, расщепляющие белки, а еще четверть идет на производство амилолитических ферментов, гидролизующих крахмал. [c.10] В последнее десятилетие определились пути преодоления этих трудностей. Они связаны с получением так называемых иммобилизованных ферментов, а также иммобилизованных клеток микроорганизмов. Вопросам иммобилизации ферментов посвящена кн. 7 серии Биотехнология , поэтому здесь будет кратко рассмотрен лишь тот материал, который необходим для дальнейшего изложения. [c.11] Ковалентная сшивка молекул фермента друг с другом или с инертными белками при помощи би- или полифункционального реагента. [c.11] В результате иммобилизации ферменты приобретают преимущества гетерогенных катализаторов — их можно удалять из реакционной смеси (и отделять от субстратов и продуктов ферментативной реакции) простой фильтрацией. Этим устраняется первый из перечисленных недостатков растворимых ферментов как технологических катализаторов. Более того, появляется возможность перевода многих периодических ферментативных процессов на непрерывный режим, используя колонны или проточные аппараты с иммобилизованными ферментами. [c.11] И ммобилизованные ферменты оказались в целом значительно более устойчивыми к внешним воздействиям, чем растворимые ферменты. Таким образом, возникли перспективы преодоления и второго недостатка биокатализаторов — их лабильности. [c.11] В последнее время получило достаточно широкое распространение применение иммобилизованных клеток микроорганизмов, содержащих естественный набор ферментов. Преимущества их по сравнению с иммобилизованными ферментами заключаются главным образом в том, что при использовании иммобилизованных клеток отпадают стадии выделения, очистки и иммобилизации ферментов, которые, как правило, являются наиболее дорогостоящими при осуществлении полного технологического процесса. Далее, ферменты в микроорганизме находятся в наиболее естественном окружении, что положительно сказывается на их термостабильности, а также так называемой операционной стабильности (продолжительности работы в условиях опыта). Известно много примеров, когда после выделения из организма ферменты быстро теряли активность, а иногда их вообще не удавалось выделить в активной форме, в составе же клеток микроорганизмов они сохраняли каталитические свойства достаточно долго. В этих случаях применение целых клеток, а не отдельных ферментов становится единственно приемлемым вариантом. Наконец, иммобилизованные клетки, как и иммобилизованные ферменты, представляют собой гетерогенные биокатализаторы со всеми преимуществами их использования в технологических целях. Иммобилизация клеток обычно проводится их адсорбцией на водонерастворимых носителях (часто на ионообменных смолах), ковалентной сшивкой с помощью бифункциональных реагентов (например, глутарового альдегида) или захвата их в полимер, как правило, с последующим формованием в виде частиц определенного размера и конфигурации. Иммобилизация целых клеток микроорганизмов предотвращает их размножение и обычно увеличивает сохранность и срок работы в качестве катализатора по сравнению с необработанными клетками. [c.12] Ферменты в своем естественном окружении катализируют сотни и тысячи процессов, приводящих к образованию и распаду химических связей. В принципе любой из них может быть реализован в качестве процесса тонкого органического синтеза . Однако на практике дело обстоит не так просто, поскольку естественное окружение фермента невозможно создать в технологическом реакторе. Решение соответствующей задачи инженерной энзимологии зависит от того, каким образом исследователю (или технологу) удалось реализовать каталитический потенциал фермента или ферментной системы и насколько остроумные подходы, зачастую весьма далекие от тех, которые предлагает природа, были при этом использованы. [c.13] Интенсивно разрабатывается производство ряда физиологически активных веществ (преднизолона и других кортикостероидов, оптически активных экстрогенов, простагландина Ег и т, д.) с помощью иммобилизованных клеток микроорганизмов. [c.14] ДОФА исключительно важного препарата для лечения болез ни Паркинсона. По мнению советских и зарубежных экспертов, эти процессы могут найти в будущем промышленное применение. [c.15] Эффективная реализация данных биотехнологических процес сов в решающей степени будет зависеть от того, насколько детально ферментативная (микробиологическая) конверсия растительных многокомпонентных материалов будет изучена на молекулярном уровне. Другими словами, решающую роль будет играть опережающее развитие фундаментальных основ биотехнологии возобновляемых природных (растительных) ресурсов. [c.15] Вернуться к основной статье