Спрашивается, можно ли использовать эти свойства ферментов для практических целей? Можно, но этому мешали, а частично мешают и до сих пор два обстоятельства. Во-первых, ферменты, как правило, гомогенные катализаторы, что весьма неудобно с технологической точки зрения, так как такой катализатор трудно отделять от продуктов реакции и использовать повторно. Во-вторых, ферменты довольно нестабильны и обычно не могут функционировать достаточно длительный срок.

На протяжении последних 15-20 лет все эти проблемы были решены, ферменты стали полноправными компонентами технологических схем, и возникла перспективная отрасль знания – инженерная энзимология, важная составная часть современной биотехнологии.

Первая проблема была решена путем развития методов иммобилизации ферментов. Под иммобилизацией понимают такую процедуру, в результате которой молекула фермента тем или иным способом прикрепляется к объектам, не растворимым в. воде. Эти объекты вместе с ферментом легко отделяются от раствора после завершения реакции.

(далее…)

В ферментах структура глобулы такова, что на ее поверхности из боковых групп аминокислот формируется так называемый активный центр. При этом набор групп самого разнообразного характера располагается в строго определенном пространственном порядке, а боковые группы, образующие активный центр, входят в состав аминокислот, весьма далеко отстающих друг от друга по длине полипептидной цепи. Это достигается за счет упорядоченной упаковки цепи в глобулу.

Устроенный таким образом активный центр захватывает молекулы реагирующих веществ (субстратов), активирует их и ориентирует в пространстве, т. е. выполняет функции «молекулярных щипцов». Вполне понятно, что встраиваться в такие «щипцы» могут только молекулы определенной структуры. Этим обеспечивается очень высокая специфичность ферментативного катализа. Так, гидролиз метиловых эфиров N-ацетилглицинл и N-ацетилфенилаланина (второй субстрат отличается от первого всего лишь наличием группы СеНбСНг, удаленной на два углеродных атома от расщепляемой связи) под действием а-химотрипсина идет со скоростями, различающимися в 106 раз. В то же время щелочной гидролиз обоих субстратов идет с одинаковой скоростью.

Итак, мы убедились, что ферменты исключительно активные и специфичные катализаторы.

Было установлено, что в основе молекулы любого фермента лежит белковая глобула с молекулярным весом примерно от 10 000 до нескольких сотен тысяч дальтон. (Дальтон – единица молекулярного веса, равная приблизительно атомному весу одного атома водорода.) Форма глобулы близка к эллипсоиду с приблизительными размерами по осям 25-200 А. (А – ангстрем, единица измерения габаритов очень малых частиц, равная одной стомиллионной доли сантиметра).

Глобула представляет собой достаточно упругое тело, состоящее из полипептидной цепи. В состав полипептидной цепи входят остатки СС-аминокислот, которые могут существовать в так называемых L – и D-формах. В природных белках встречаются почти исключительно L-формы аминокислот. В состав белков любых живых организмов на Земле, начиная от мельчайшего микроба и кончая человеком, входят 20 природных аминокислот. Сам по себе этот факт свидетельствует о едином корне происхождения всех земных существ. Аминокислоты могут взаимодействовать между собой, образуя пептиды, хорошо растворимые в воде.

(далее…)

Следует подчеркнуть, что сближение и ориентация частиц требуют весьма сложной организации катализатора. Чтобы нагляднее представить себе, о чем идет речь, рассмотрим простой пример. Поместим в сосуд, скажем, металлический, равное количество гаек и болтов с одинаковой резьбой. Закроем сосуд крышкой и начнем его интенсивно трясти. Видимо, каждый скажет: в этом случае маловероятно, чтобы гайка навинтилась на болт хотя бы на* один-два оборота. Поступим теперь по-другому. Просто возьмем болт в одну руку, гайку в другую и навинтим гайку на болт. Если все в порядке с резьбой, эта операция не потребует много времени. Главное, что мы сделали при этом, – сблизили и сориентировали один предмет относительно другого и придали им необходимое относительное перемещение.

Как же должен быть устроен катализатор, действующий по такому принципу? Умозрительно вместо рук можно использовать «щипцы» молекулярного размера, «захватывающие» реагирующие частицы нужным образом. Может ли эта схема быть реализована? Да, «молекулярные щипцы» – это простейшая форма ферментов. Что же представляет собой молекула фермента и каким образом в его функциях реализуется принцип «молекулярных щипцов», который, как мы видим, может быть сформулирован чисто умозрительно?

(далее…)

Наиболее впечатляющая особенность ферментов, уже упоминавшаяся выше, – их необычайно высокая активность по сравнению с химическими катализаторами. Сравним скорости реакций, протекающих в сходных условиях под влиянием ферментов и химических катализаторов в равных концентрациях. Так, гидролиз сложных эфиров N-ацетиламинокислот под действием химотрипсина идет в 107 быстрее, чем под действием равней концентрации НС1, а для гидролиза мочевины под действием уреазы это отношение достигает 1014.

Как видим, скорости реакций, протекающих под действием ферментов, в 10 млн. раз (минимально) и в 100 тыс. млрд. раз (максимально) выше, чем реакций, катализируемых обычными химическими катализаторами. Сразу оговоримся, что сегодня существуют специальные катализаторы, близкие по активности к ферментам (но об этом разговор отдельный). Чтобы понять, в чем здесь дело, следует несколько уточнить наши Представления о том, как протекают химические реакции.

Представим себе две частицы, которые способны соединяться в одну за счет образования химической связи: А + В-»-А-В. В исходном состоянии они движутся и вращаются в пространстве совершенно беспорядочно о с АШШ разнообразными скоростями. Чтобы они встретились и между ними произошло взаимодействие, они должны двигаться почти точно навстречу друг другу с относительной скоростью, превышающей некоторый вполне определенный предел, зависящий от характера частиц (от сотен до тысяч метров в секунду). Но этого мало, в момент столкновения частицы должны быть ориентированы относительно друг друга таким образом, чтобы они соприкоснулись теми участками, которые способны образовать новую химическую связь. Если эти требования не будут соблюдены, то в результате столкновения они отскочат друг от друга или изменят направления своего движения.

(далее…)

Каждый микроорганизм содержит большой набор ферментов. Поэтому один и тот же вид можно использовать как продуцент различных ферментов. Один из приемов – индукция биосинтеза ферментов – позволяет – значительно увеличить продукцию того или иного фермента данным видом микроорганизмов. Суть его в том, что при введении в питательную среду определенных веществ – и ид у кто р о в (часто это специфические субстраты получаемых ферментов) изменяются метаболические пути в клетке таким образом, что преимущественно начинает синтезироваться данный фермент. В наиболее благоприятных случаях удается получать клетки, содержащие десятки процентов требуемого фермента от общего количества белка.

Многие микроорганизмы способны расти на простых питательных средах. В качестве источника углерода они могут использовать углеводы, спирты, кислоты, углеводороды, в частности отходы различных производств, и т. д. Остальными компонентами питательных сред могут быть неорганические соли: фосфаты (источник фосфора), соли аммония (источник азота), соли калия, магния, железа.

(далее…)

Из ферментных препаратов, выделяемых из животного или растительного сырья, можно упомянуть комплексный ферментный препарат, содержащий амилазу, липазу, протеиназы, рибонуклеазу и др., получаемый из водного экстракта поджелудочной железы, папаин – из млечного сока дынного дерева Cacica papaya, бромелин – из стеблей ананаса и фицин из сока или листьев деревьев рода Ficus.

Кратко остановимся на важнейших особенностях микробиологического получения ферментов. Первые 11 ферментов относятся к так называемым внеклеточным ферментам. Они выделяются микроорганизменты – внутриклеточные. Очевидно, что предпочтительна первая группа, так как эти ферменты легко отделяются от микробной биомассы. Стадии выделения внутриклеточных ферментов предшествует стадия дезинтеграции клеток, которая может проводиться как физическими, в частности механическими, методами, так и под действием химических веществ или литических ферментов.

(далее…)

К настоящему времени в научной литературе описано более 2000 ферментов. Около 50 из них применяют либо будут применять в ближайшее время в промышленном производстве. Промышленность выпускает сейчас около 20 индивидуальных ферментов и около 40 так называемых ферментных препаратов. Последние представляют собой смеси, содержащие, помимо целевого фермента, значительные количества близких по физико-химическим свойствам белков. Для отделения этих белков часто требуются трудоемкие и дорогостоящие хроматографические методики, что резко удорожает конечный продукт. Поэтому чистые ферменты используют главным образом в медицине и в научных исследованиях, а в промышленных процессах обычно применяют ферментные препараты.

До недавнего времени ферменты получали из тканей различных животных, растений и микроорганизмов. Хотя некоторые животные ткани, например, поджелудочная железа и слизистая оболочка желудка весьма богаты ферментами, крупномасштабное производство ферментов животного, а также растительного происхождения сталкивается с непреодолимыми трудностями из-за ограниченности сырьевой базы. Например, в нашей стране для нужд сыроделия необходимо около 250 т в год иротеолитических ферментов, для выделения которых потребуется 10 млн. желудков телят.

Наиболее доступный и практически неограниченный источник для получения ферментов в промышленном масштабе – микроорганизмы. В них содержатся ферменты всех известных в настоящее время типов, а методы современной микробиологии позволяют вырабатывать большие количества ферментов за короткое время и с использованием дешевых исходных веществ.