Ферменты

Ферменты составляют основу многих тестов, используемых в клинической медицине. Они применяются при автоматизированном анализе и биохимическом исследовании жидкостей организма, которые ведутся в биохимических лабораториях современных клиник. Примером таких ферментов могут быть глюкозооксидаза, гексокиназа, эстераза, алкогольдегидрогеназа.

Новым направлением в биотехнологии является так называемая инженер­ная энзимология, возникшая на стыке химии и биологии вследствие развития современных методов изучения структуры и синтеза белков-ферментов и выяснения механиз­мов функционирования и регуляции активности этих соединений. Ее задачи заключаются в развитии прогрессивных мето­дов выделения ферментов, их стабилизации и иммобилизации; конструировании катализаторов с нужными свойствами и разра­ботке научных основ их применения.

Важным этапом развития инженерной энзимологии стала раз­работка способов получения и использования иммобилизованных ферментов. Иммобилизованными ферментами называются ферменты, ис­кусственно связанные с нерастворимым носителем, но сохраня­ющие свои каталитические свойства.

Иммобилизованные ферменты имеют некоторые преимущества в сравнении со свободными молекулами. Прежде всего, такие фер­менты, представляя собой гетерогенные катализаторы, легко от­деляются от реакционной среды, могут использоваться многократ­но и обеспечивают непрерывность каталитического процесса. Кроме того, иммобилизация ведет к изменению свойств фермента: суб­стратной специфичности, устойчивости, зависимости активнос­ти от параметров среды.

Иммобилизованные ферменты долговеч­ны и в тысячи и десятки тысяч раз стабильнее свободных энзимов. Так, происходящая при температуре 65°С термоинактивация лактатдегидрогеназы, иммобилизованной в 60 %-м полиакриламидном геле, замедлена в 3600 раз по сравнению с нативным фер­ментом. Все перечисленное обеспечивает высокую экономичность, эффективность и конкурентоспособность технологий, использующих иммобилизованные ферменты.

Иммобилизация многих ферментов осуществляется на носителях органичес­кой и неорганической природы. Существующие органические полимерные носите­ли можно разделить на два класса: природные и синтетические полимерные носители. Среди природных полимеров выделя­ют белковые, полисахаридные и липидные носители, а среди синтетических – полиметиленовые, полиамидные и полиэфир­ные.

К преимуществам природных носителей следует отнести их доступность, полифункциональность и гидрофильность, а к недо­статкам — биодеградируемость и достаточно высокую стоимость. Из полисахаридов для иммобилизации наиболее часто используют целлюлозу, декстран, агарозу и их производные.

Синтетические полимерные носителиобладают механической прочнос­тью, а при образовании обеспечивают возможность варьирования в широких пределах величины пор, введения различных функци­ональных групп. Некоторые синтетические полимеры могут быть произведены в различных физических формах (трубы, волокна, гранулы). Все эти свойства полезны для разных способов иммоби­лизации ферментов.

В качестве носителей неорганической природы наи­более часто применяют материалы из стекла, глины, керамики. Основное преимущество неорганических носителей — легкость регенерации. Подобно синтетическим полимерам, неорганическим носителям можно придать любую форму и получать их с любой степенью пористости.

Таким образом, к настоящему времени созданы разнооб­разные носители для иммобилизации ферментов. Однако для каж­дого индивидуального фермента, используемого в конкретном тех­нологическом процессе, необходимо подбирать оптимальные ва­рианты как носителя, так и условий и способов иммобилизации.

Существуют два различных метода иммобили­зации ферментов: без возникновения ковалентных связей между ферментом и носителем (физические методы иммобилизации) и с образованием ковалентной связи между ними (химические ме­тоды иммобилизации). Каждый из этих методов осуществляется разными способами.

Сочетание уникальных каталитических свойств энзимов с пре­имуществами иммобилизованных ферментов как гетерогенных катализаторов позволило создать новые промышленные техноло­гические процессы. Следует отметить, что в основном они относятся к производству пищевых продуктов и лекарственных препаратов. В настоящее время в мире с использованием иммобилизованных фер­ментов и клеток разработаны технологии крупномасштабного производства глюкозофруктозных сиропов, безлактозного молока, сахаров из молочной сыворотки.

Иммобилизованные ферменты имеют огромное значение для медицины. В частности, большой рынок сбыта занимают тромболитические ферменты, предназначенные для борьбы с сердечно-сосудистыми заболеваниями. Так, в клиническую практику внедрен препарат «стрептодеказа», содержащий стрептокиназу, предотвращающую образование тромбов в кровеносной системе. Ферменты, разрушающие некоторые незаменимые аминокислоты (например, аспарагиназа), используют для борьбы со злокачественным ростом опухолей. Протеолитические ферменты (трипсин, химотрипсин, субтилизин), иммобилизованные на волокнистых материалах (целлюлоза, полиамидные волокна), применяют для эффективного лечения ран, язв, ожогов, абсцессов, а их белковые ингибиторы - для лечения эмфиземы и панкреатитов.

Таким образом, использование иммобилизованных ферментов во многих жизненно важных отраслях народного хозяйства стано­вится все более массовым. Выгодное сочетание избирательности и эффективности с долговечностью и стабильностью иммобилизо­ванных ферментов в корне меняет химическое производство, спо­собы добывания сырья, способствует созданию новых биотехно­логических процессов и методов терапии, совершенствует меди­цинскую диагностику и органический синтез.

В заключение следует отметить, что последние достижения биотехнологии оказывают и будут оказывать революционизирующее воздействие на диагностику, лечение и понимание основ патологии многих тяжелых заболеваний.