Реферат на тему Иммобилизованные полиферментные системы: получение, свойства, применение

Содержание:

Введение 3

1. Общая характеристика иммобилизованных ферментов 5

1.1. Иммобилизованные ферменты: носители, промышленные процессы 6

1.2. Классификация носителей для ферментов 8

2. Методы иммобилизации ферментов 12

2.1. Физическая иммобилизация ферментов 12

3. Применение иммобилизированных полиферментных систем 18

Заключение 28

Список литературы 30

Введение:

Ферменты стали важной частью различных отраслей промышленности, таких как разработка и производство пищевых продуктов и напитков, переработка фруктов и овощей, производство сыра, жиров и масел, а также в таких отраслях, как молочная, хлебопекарная, пивоваренная, и др. Важно отметить, что, процессы на основе ферментов приводят к более высокому выходу, повышению качества конечных продуктов, снижению затрат, оптимизации ресурсов, сокращению отходов и снижению загрязнения окружающей среды.

Первая искусственная биферментная система, включающая ковалентно связанные с носителем иммобилизованные ферменты — гексокиназу и глюкозо-6-фосфатдегидрогена-зу, была создана в 1970 г. К. Мосбахом [2]. На сегодняшний день, известно несколько десятков иммобилизованных полиферментных систем, состоящих из двух, трех, четырех и более энзимов. Эффективность таких комплексов намного выше, чем у свободных ферментов, за счет локального концентрирования субстрата около второго и всех последующих ферментов, входящих в систему.

Современные методы иммобилизации позволяют создавать не только полиферментные комплексы, связывать с носителями удается субклеточные структуры и даже целые клетки. Такие системы очень удобны, поскольку можно, не выделяя чистые ферментные препараты, получать естественные полиферментные системы, осуществляющие многостадийные процессы.

Иммобилизованными называют такие ферменты, которые выделены из клетки, искусственно закреплены на носителе и сохраняют свойственную им каталитическую активность. Иммобилизация — это технология, согласно которой молекулу фермента включают в какую-либо фазу или соединяют с нерастворимым носителем. В промышленных целях для иммобилизации используют главным образом энзимы, выделенные из микроорганизмов. Они примерно в 100 раз дешевле, чем ферменты животного или растительного происхождения, и более доступны.

Центры исследований и разработок нескольких компаний в настоящее время сосредоточены на оценке, разработке, расширении масштабов (обычно путем экспрессии и клонирования ферментов), проверке технологий и разработке инновационных рецептур ферментов для различных коммерческих процессов. Технология ферментов была неотъемлемой частью различных междисциплинарных областей, таких как биохимия, органическая химия, микробиология и молекулярная биология. Ферментная технология известна несколько сотен лет, однако 21 век произвел революцию в нем из-за его более широкого применения почти во всех секторах.

Заключение:

В последние годы получено немало доказательств того, что многие ферменты в клетках работают в виде структурно и кинетически единых комплексов. В них проходит цепь последовательных процессов, когда продукт первого фермента является субстратом для второго фермента и т. д. В полиферментных комплексах активность каждой компоненты, как правило, превышает активность изолированного фермента в гомогенном растворе. Основная причина этого заключается в том, что в комплексе за счет пространственного сближения и диффузионных ограничений могут локально концентрироваться промежуточные соединения: субстраты, активаторы, ингибиторы. Эффекта локального концентрирования удается добиться при иммобилизации нескольких ферментов вместе на одном носителе.

В ветеринарии, промышленности, других хозяйственных отраслях достаточно популярны препараты, полученные указанными выше способами. Выработанные на практике подходы обеспечивают решение проблем по осуществлению направленной доставки лекарств в организме. Иммобилизованные ферменты позволили получить медикаменты пролонгированного действия с минимальной аллергенностью и токсичностью. В настоящее время ученые решают проблемы, связанные с биоконверсией массы и энергии, используя микробиологические подходы. Между тем, существенный вклад в работу вносит и технология иммобилизованных ферментов. Перспективы развития представляются учеными достаточно широкими. Так, в будущем одна из ключевых ролей в процессе контроля над состоянием окружающей среды должна принадлежать новым видам анализа. В частности, речь о биолюминесцентном и иммуноферментном методах. Особое значение передовые подходы имеют в переработке лигноцеллюлозного сырья. Можно использовать иммобилизованные ферменты в качестве усилителей слабых сигналов. Активный центр может находиться под воздействием носителя, находящегося под ультразвуком, механическими нагрузками или подверженного фитохимическим превращениям.

Коммерческое использование ферментов ограничено рядом факторов. Важнейшие из них — нестабильность ферментов и их высокая стоимость. Стоимость можно существенно снизить за счет иммобилизации фермента. Это означает, что фермент закрепляют на поверхности или внутри твердой подложки, которую легко удаляют из реакционной смеси после завершения ферментации. Фермент может быть использован повторно, что существенно снижает стоимость процесса.

Другое преимущество иммобилизации заключается в том, что фермент становится более стабильным, вероятно, за счет ограничения его способности денатурировать при изменениях pH, температуры и растворителей. К примеру, иммобилизованная глюкозоизомераза стабильна при 65 °С в течение года, тогда как в растворе она денатурирует при 45 °С за несколько часов.

Иммобилизованный фермент можно использовать для непрерывного (открытого) производства, пропуская реагенты через фермент и собирая продукт на конечном этапе.

Фрагмент текста работы:

1. Общая характеристика иммобилизованных ферментов

Сущность иммобилизации ферментов — прикрепление их в активной форме к нерастворимой основе или заключение в полупроницаемую мембранную систему. Прикрепление фермента к носителю осуществляется адсорбционно, химической связью или путем механического включения фермента в органический или неорганический гель (в капсулу и т. п.). При этом допускается прикрепление фермента только за счет функциональных групп, не входящих в активный центр фермента и не участвующих в образовании фермент-субстратного комплекса. Носитель фермента или матрица может иметь вид зернистого материала, волокнистой структуры, пластинчатой поверхности, пленок или тканей, полых волокон, трубочек, капсул и т. д. Имеет значение размер частиц носителя. Важно иметь большую поверхность, поэтому рекомендуются небольшие частицы диаметром 0,1 — 0,2 мм. Носитель фермента может быть, как природное вещество, так и синтетический полимер. Преимущества иммобилизованных ферментов перед нативными предшественниками:

1) Гетерогенный катализатор легко отделим от реакционной среды, что дает возможность остановить реакцию в любой момент, использовать фермент повторно, а также получать чистый от фермента продукт.

2) Ферментативный процесс с использованием иммобилизованных ферментов можно проводить непрерывно, регулируя скорость катализируемой реакции и выход продукта.

3) Модификация фермента целенаправленно изменяет его свойства, такие как специфичность (особенно в отношении макромолекулярного субстрата), зависимость каталитической активности от рН, ионного состава и других параметров среды, стабильность к денатурирующим воздействиям.

4) Можно регулировать каталитическую активность иммобилизованных ферментов путем изменения свойств носителя действием физических факторов, таких как свет и звук. Иммобилизовать ферменты можно как путем связывания на нерастворимых носителях, так и путем внутримолекулярной или межмолекулярной сшивки белковых молекул низкомолекулярными бифункциональными соединениями, а также путем присоединения к растворимому полимеру.