Гусарова О.В.

Національний технічний університет України „КПІ”

ПРОБЛЕМИ БІОТЕХНОЛОГІЇ ЯКІ ВИНИКАЮТЬ ПРИ ВИГОТОВЛЕННІ ФЕРМЕНТІВ

Специфічність біотехнологічної продукції, її термолабільність, стерильність отримання накладають на конструктивні розробки додаткові обмеження. Тому традиційне для хімічних виробництв обладнання у більшості випадків не придатне для здійснення процесів біотехнології.

Мета даної роботи – описати ферменти та ті їх властивості, які викликають певні складнощі при проектуванні обладнання, запропонувати шляхи вирішення проблем.

Ферменти – високоспецифічні білкові каталізатори, які присутні у всіх живих клітинах і сприяють перетворенню одних речовин (субстратів) в інші (продукти) [1, 2]. Вони виступають в ролі каталізаторів практично у всіх біохімічних реакціях, що протікають в живих організмах – ними каталізується близько 4000 біореакцій; вони грають найважливішу роль у всіх процесах життєдіяльності, направляючи і регулюючи обмін речовин організму [2]. Подібно до всіх каталізаторів, ферменти прискорюють як пряму, так і зворотну реакцію, знижуючи енергію активації процесу. Хімічна рівновага при цьому не зміщується ні в прямий, ні у зворотній бік. Ферменти мають свої характерні властивості, такі як: термолабільність, залежність їх активності та дії від значення рН середовища, вплив на них активаторів та інгібіторів, специфічність та ін. [1, 3, 4]. Розглянемо ці властивості.

Термолабільність ферментів пояснюється тим, що температура, з одного боку, впливає на білкову частину ферменту, приводячи при дуже високих значеннях до денатурації білка і зниження каталітичної функції, а з іншого боку, робить вплив на швидкість реакції утворення фермент-субстратного комплексу і на всі подальші етапи перетворення субстрату, що веде до посилення каталізу.

Залежність каталітичної активності ферменту від температури виражається типовою кривою. До деякого значення температури (в середньому до 50 ºС) каталітична активність зростає, причому на кожні 10 ºС приблизно в 2 рази підвищується швидкість перетворення субстрату. У той же час поступово зростає кількість інактивованого ферменту за рахунок денатурації його білкової частини. При температурі вище 50 ºС денатурація ферментного білка різко посилюється і, хоча швидкість реакцій перетворення субстрату продовжує рости, активність ферменту, що виражається кількістю перетвореного субстрату, падає.

Детальні дослідження зростання активності ферментів з підвищенням температури, проведені останнім часом, показали складніший характер цієї залежності, чим вказано вище: у багатьох випадках вона не відповідає правилу подвоєння активності на кожні 10 ºС в основному із-за поступово наростаючих конформаційних змін в молекулі ферменту.

Температура, при якій каталітична активність ферменту максимальна, називається його температурним оптимумом. Температурний оптимум для різних ферментів неоднаковий. Загалом для ферментів тваринного походження він лежить між 40 і 50 ºС, а рослинного – між 50 і 60 ºС. Проте є ферменти з вищим температурним оптимумом, наприклад, у папаїна (фермент рослинного походження, який прискорює гідроліз білка) оптимум знаходиться при 80 ºС. У той же час у каталази (фермент, який прискорює розпад Н₂О₂ до Н₂О і О₂) оптимальна температура дії знаходиться між 0 і -10 ºС, а при вищих температурах відбувається енергійне окислення ферменту і його інактивація.

Залежність активності ферменту від значення рН середовища була встановлена понад 50 років тому. Для кожного ферменту існує оптимальне значення рН середовища, при якому він проявляє максимальну активність. Більшість ферментів мають максимальну активність в зоні рН поблизу від нейтральної точки. У різко кислому або різко лужному середовищі добре працюють лише деякі ферменти.

Перехід до більшої або меншої (в порівнянні з оптимальною) концентрації водневих іонів супроводжується більш менш рівномірним падінням активності ферменту.

Вплив концентрації водневих іонів на каталітичну активність ферментів полягає в дії її на активний центр. При різних значеннях рН в реакційному середовищі активний центр може бути слабкіше або сильніше іонізований, більше або менше екранований сусідніми з ним фрагментами поліпептідного ланцюга білкової частини ферменту і т.п. Крім того, рН середовища впливає на ступінь іонізації субстрату, фермент-субстратного комплексу і продуктів реакції, сильно впливає на стан ферменту, визначаючи співвідношення в ньому катіонних і аніонних центрів, що позначається на третинній структурі білкової молекули. Остання обставина заслуговує особливої уваги, оскільки певна третинна структура білка-ферменту необхідна для утворення фермент-субстратного комплексу.

Відмітною особливістю ферментів в порівнянні з небілковими каталізаторами є їх висока специфічність – константа скріплення деяких субстратів з білком може досягати 10^-10 моль/л і менш. Специфічність – одна з найбільш визначних якостей ферментів. Ця властивість їх була відкрита ще в минулому сторіччі, коли було зроблене спостереження, що дуже близькі по структурі речовини – просторові ізомери розщеплюються по ефірному зв'язку двома абсолютно різними ферментами.

Таким чином, ферменти можуть розрізняти хімічні сполуки, що відрізняються один від одного дуже незначними елементами будови, такими, наприклад, як просторове розташування метоксильного радикала і атома водню при 1-му вуглецевому атомі молекули метілглюкозіда.

Однією із кінцевих стадій виробництва ферментів є їх концентрування з метою виділення кінцевого продукту. Основне завдання вдосконалення цих стадій виробництва є скорочення втрат цільового продукту при виділенні з культуральної рідини. Але такі властивості ферментів, як термолабільність та каталітична активність накладають обмеження на нові конструкційні розробки, власне самі властивості і є одними із проблем біотехнології. При концентруванні більшості ферментів температура не повинна перевищувати 20 - 30 ^оС і процес обробки повинен бути коротким (менше хвилини), бо при тривалій обробці ферменти втрачають свої цінні властивості (активність).

Вирішення цих проблем можна здійснити, якщо проводити упарювання в апаратах випарних плівкових [5]. Для підтримання необхідних температур кипіння в випарних апаратах повинно бути створено розрідження. У цих апаратах досягається досить висока швидкість обробки продукту, завдяки чому скорочується час його контакту з поверхнею теплообміну.

Іще однією проблемою є необхідність стерильності при виготовленні ферментів. При тривалій експлуатації робочі елементи апаратів (теплообмінні труби) починають забруднювати продукцію іржею, що є не припустимо. Вирішення даної проблеми можна здійснити заміною металевих труб неметалевими (керамічними, полімерними та ін.). Метою подальшої роботи автора є дослідження упарювання ферментних препаратів у апаратах випарних плівкових, бо досліджень цих процесів не достатньо.

Література:

1. Микробные ферментные препараты (технология и оборудование). К.А. Калунянц, Л.И. Голгер. – 1979. – 304 с.

2. Мананков М.К. Биологически активные вещества. – Симферополь: СГУ, 1979. – 95 с.

3. Гандзюк Ю.М. Біохімічні реактори. Конструкції та основи розрахунку. – К.: 1994. – 108 с.

4. Баренбойм Г.М., Маленков А.Г. Биологически активные вещества. Новые принципы поиска. – М.: Наука, 1986. – 363 с.

5. Тананайко Ю.М., Воронцов Е.Г. Методы расчета и исследования пленочных процессов. – К.: Техника, 1975. – 312 с.