Іммобілізовані ферменти

 

 

Активність ферментів визначається їхньою тривимірною структурою. В ранніх дослідженнях було отримано багато доказів того, що ферменти – це білки. Нездатність проходити крізь напівпроникну мембрану, особливості їх розчинності, денатурація при нагріванні і в сильному лужному чи кислотному середовищі – всі ці властивості ферментів співпадають зі звичайними характеристиками білків. В наш час багато ферментів отримано в чистому вигляді та проаналізовано їх будову. У всіх випадках доведено, що вони являють собою білки. Як і всі білки, ферменти синтезуються у вигляді лінійного ланцюжка амінокислот, який згортається певним чином. Кожна послідовність амінокислот згортається особливим чином, і молекула (білкова глобула), що виходить, володіє унікальними властивостями. Кілька білкових ланцюжків можуть об'єднуватися у білковий комплекс. Найбільші рівні структури білків – третинна та четвертинна структури – руйнуються при нагріванні або під дією деяких хімічних речовин [13].

Щоб каталізувати реакцію, фермент повинен зв'язатися з одним або кількома субстратами. Білковий ланцюжок ферменту згортається таким чином, що на поверхні глобули утворюється щілина або западина, до якої приєднуються молукули субстрату. Ця область називається ділянкою (сайтом) зв'язування субстрата. Зазвичай вона співпадає з активним центром ферменту або знаходиться поблизу від нього. Деякі ферменти містять також ділянки зв'язування кофакторів або іонів металів.

У деяких ферментів присутні також ділянки зв'язування малих молекул, що не беруть безпосередньої участі в реакції і часто, але не обов'язково, є субстратами або продуктами метаболічного шляху, в який входить фермент. Вони зменшують або збільшують активність ферменту, що створює можливість для зворотного зв'язку або регуляції роботи ферменту. Для активних центрів деяких ферментів характерне явище кооперативності [14].

Специфічність

Одна з найбільш характерних властивостей ферментів – це їх специфічність, в міру якої кожен фермент діє тільки на одну речовину або дуже невелику кількість споріднених речовин. Специфічність дії ферментів – найважливіше біологічне явище, без якого неможливий впорядкований обмін у живій природі, відповідно і саме життя. Концентрація каталізатора – розмір його активної поверхні – визначає швидкість змін, що відбуваються під його впливом. Високо специфічні каталізатори визначають які саме речовини підлягають перетворенню. Специфічність каталізаторів завдяки своїй структурі визначає серед багатьох шляхів той єдиний шлях, за яким повинна йти реакція. Він має здатність направляти реакцію по одному шляху. Цю напрямленість надають процесам обміну внутрішньоклітинні ферменти. Якщо б ферменти на мали специфічності, їх дія призводила б до швидкого розпаду клітинного матеріалу і при цьому не відбувалося б біосинтезу.

Ступінь специфічності у різних ферментів варіює. В більшості випадків фермент діє тільки на одну речовину і каталізує лише одну реакцію. В інших випадках фермент може діяти на ряд близькоспоріднених речовин, каталізуючи кожен раз одну й ту ж саму реакцію. Ферменти демонструють високий рівень стереоспецифічності (просторової специфічності), регіоселектівності (специфічності орієнтації) і хемоселектівності (специфічності до хімічних груп).

Модель «ключ-замок»

У 1890 році Еміль Фішер припустив, що специфічність ферментів визначається точною відповідністю форми ферменту і субстрата. Таке припущення називається моделлю «ключ-замок». Фермент з'єднується з субстратом з утворенням короткоживучого фермент-субстратного комплексу. Проте, хоча ця модель пояснює високу специфічність ферментів, вона не пояснює явища стабілізації перехідного стану, який спостерігається на практиці.

Кінетика ферментативної реакції

Крива насичення хімічної реакції (рівняння Міхаеліса-Ментен), що ілюструє співвідношення між концентрацією субстрата [S] і швидкістю реакції V. (Рис. 2) Найпростішим і найпоширенішим описом кінетики односубстратних ферментатівних реакцій є рівняння Міхаеліса-Ментен. На сьогоднішній момент описано і кілька складніших типів кінетики ферментів. Наприклад, якщо реакція вимагає кількох молекул субстрата або різних субстратів, часто реакція протікає через утворення третинного комплексу. Для дії багатьох ферментів також типове утвореня перехідних комплексів (станів), що описується «механізмом пінг-понг» [15-16].

 

 

Створення біокаталізаторів нового покоління- іммобілізованих ферментів – відкрило перед прикладною ензимологією нові перспективи. Іммобілізація ферменту – це методичний прийом, при якому молекулу біокаталізатора включають у фазу, відокремлену від фази вільного розчину, але здатну обмінюватися з нею молекулами субстрату, ефектора або інгібітора [17, 18].

Іммобілізовані ферменти перед нативними попередниками мають такі переваги:

• гетерогенний каталізатор легко відокремлюється від реакційного середовища, що дає можливість зупиняти реакцію в будь-який момент та отримувати чистий від ферменту продукт;

• ферментативний процес з використанням іммобілізованих ферментів можна проводити безперервно, регулюючи швидкість реакції та вихід продукту;

• модифікація ферменту дозволяє змінити його властивості (специфічність, залежність каталітичної активності від рН та іонного складу, стабільність) ;

• використання іммобілізованих ферментів у медицині зумовлене зниженням їх іммуногенності, алергенності і токсичності поряд із підвищеною стабільністю та пролонгованістю дії по відношенню до нативних аналогів [19, 20].

Ферменти як біологічні каталізатори застосовуються в різних галузях промисловості -харчовій, текстильній, фармацевтичній, шкіряній, в медицині, сільському господарстві, в тонкому органічному синтезі, для