Глава 1.

Ферментативный катализ и ферментативная кинетика

Предмет и задачи курса. Строение белков.

1.1.1 Предмет и задачи ферментного катализа и инженерной энзимологии

Энзимология или ферментология это наука об энзимах (ферментах) – биологических катализаторах белковой природы, которая образуются живыми клетками и обладают способностью изменять состав, состояние и свойства химических и биохимических соединений. Энзим от греческого «эн зюме» в дрожжах; фермент от латинского fermentium –«закваска».

Ферменты (энзимы) – рабочий аппарат, катализирующих тысячи и тысячи химических реакций, из которых, в конечном счете, формируется метаболизм клетки и организма в целом.

Помимо того, что ферменты представляют большой интерес для биологов, для медицины и т.д., как инструмент для понимания процессов жизнедеятельности живых структур и организмов, они имеют большое практическое значение. Многие отрасли промышленности – производство пищевых продуктов (вино, пиво, молочные изделия, хлеб и т.д.), лекарственных препаратов основаны на применение различных ферментных процессов.

Несмотря на то, что человек использовал ферментные процессы уже на заре цивилизации, экспериментальное изучение ферментативных процессов началось лишь в XVIII в, когда ученые Реомюр и Спалланциани описали свои опыты по перевариванию мяса в желудке птиц. Мясо вынутое из желудка птиц оказалось полностью растворенным через несколько часов под действием пищеварительных соков.

Однако, первое такое химическое исследования ферментного процесса было осуществлено в конце XVIII в Лавуазье и Гей-Люсссака описавшие впервые баланс продуктов спиртового брожения.

Позднее Кирхгоф экспериментально показал, что в вытяжке порошено семени ячменя содержится вещество, превращающие крахмал в сахар, т.е. Кирхгоф впервые получил ферментный препарат амилазу. Пастер и Персо выделили этот фермент виде порошка.

Л. Пастер в своих знаменитых работах посвященных природе брожения высказал мысль о том, что брожение может быть вызвано только живыми существами. В этом плане важным в истории изучение ферментов явилось открытие Бухнера, которому удалось получить дрожжевой сок вызывающий брожение. Т.о. было показано, что ферменты могут функционировать независимо от клеточной структуры. Наконец Самнер получил фермент уреазу без семян в кристаллическом виде и показал, что это есть белки. Он также высказал мнение, что все ферменты представляют собой белок. Эта точка зрения в дальнейшем была подтверждена Нортроном, получившим кристаллы пепсина, трипсина и химотрипсина.

Исследование Сенгера, разработавшего методы расшифровки последовательности аминокислот в белках (расшифровка инсулина), позволили выяснить строение ряда ферментов. Этому способствовали использование метода рентгеноструктурных амилаз. На основании данных о молекулярной структуре белков в 1969 году был впервые осуществлен хемосинтез фермента рибонуклеазы. В последние годы выяснены молекулярные механизмы ферментативного синтеза биополимеров.

В настоящее время бурное развитие получила инженерная (прикладная) энзимология. Это новое научно-техническое направление основная задача которой получение и исследование биоорганических катализаторов с заданными свойствами на основе ферментов, полиферментных комплексов, и клеток, выделенных из биологических систем.

Инженерная энзимология основывается на таких разделах естествознания как биохимия, микробиология, химическая технология, химия, физика и т.д.

Современная инженерная энзимология базируется на применение ферментов, ферментных систем и клеток в иммобилизованном виде. Дело в том, что широкое применение ферментов на практике удерживалось рядом причин: а) трудоемкостью выделения и отчистки ферментов до и после процесса; б) неустойчивость ферментов при хранении и действии различных технологических параметров (факторов); в) иногда токсичность и не токсичность (для медицины). Настойчивые работы и парный анализ привел ученых к выводу о том, что в значительной мере перечисленные недостатки можно устранить, если использовать не нативные ферменты или клетки, а их иммобилизованные производные, сохраняющие все специфические свойства катализатора, но отличающиеся от него стабильностью, не токсичностью, имеющей подверженностью действию внешних факторов.

Иммобилизация ферментов и клеток – это перевод их в фиксированное на или в носителе состояние с сохранением максимально возможной каталитической активности.

Основные направления которыми занимается инженерная энзимология следующие:

1. Синтез и модификация органических соединений. Это направление решает задачи связанные с реализацией каталитического потенциала ферментов или ферментной системы для проведения точного органического синтеза необходимых человеку химических соединений (получение аминокислот, антибиотиков и д.р.).

2. Биоконверсия растительного сырья.

а) получение глюкозы из отходов промышленности и с/х;

б) предварительный гидролиз растительной биомассы для повышения ее питательности;

в) ферментативная или клеточная деструкция лигнина для получения продуктов полимерной химии;

г) переработка отходов мясной и молочной промышленности;

3. Разработка высокоэффективных биосенсоров для тонкого физико-химического анализа и контроля.

4. Переработка продукции агропромышленного комплекса.

а) улучшение качества мясопродуктов;

б) увеличение эффективности переработки молока, и получение новых продуктов;

в) улучшение качества пищевых продуктов (осветление пива, соков, вина);

г) переработка кожи животных;

5. Биологическая очистка сточных вод промышленных предприятий

6. Создание медицинских препаратов на основе иммобилизованных лекарств.