Иммобилизованные ферменты. Применение иммобилизованных ферментов.

Обновлено: 16.06.2024

В обзоре проведен анализ основных сфер и перспектив использования иммобилизованных ферментов класса оксидоредуктаз в технологических процессах. Описаны строение и механизмы каталитического действия наиболее важных ферментов класса оксидоредуктаз, основные факторы, влияющие на деятельность ферментов, методы иммобилизации и примеры эффективного использования иммобилизованных оксидоредуктаз в технологических процессах. Проведен анализ основных тенденций развития данной области исследований.

Ключевые слова

Об авторах

Тверской государственный технический университет (ТвГТУ); Тверской государственный университет (ТвГУ)
Россия

Список литературы

1. Варфоломеев С.Д. Химическая энзимология. М.: Academa. 2005. 480 с.

2. Wohlgemuth R. 2010. Vol. 21. pp. 713—724.

3. Sanchez S., Demain A.L. Org. Process. Res. Dev. 2011. Vol. 15. pp. 224-230.

4. Li Sh., Yang X., Yang Sh., Zhu M., Wang X. Comp. and Str. Biotech. J. 2012. Vol. 2, Iss. 3. e201209017. 12 p.

5. Martínez A.T., Ruiz-Dueñas F.J., Camarero S., Serrano A., Linde D., Lund H., Vind J., Tovborg M., Herold-Majumdar O.M., Hofrichter M., Liers Сh., Ullrich R., Scheibner K., Sannia G., Piscitelli A., Pezzella C., Sener M.E., Kılıç S., Alcalde M. Biotechnology Advances. 2017. Vol. 35, Iss. 6, pp. 815-831.

6. Guzik U., Hupert-Kocurek K., Wojcieszynska D. Molecules. 2014. Vol. 19. pp. 8995—9018.

8. Cowan D.A., Fernandez-Lafuente R. Enzyme Microb. Technol. 2011. Vol. 49. pp. 326—346.

9. Hanefeld U., Gardossi L., Magner E. Chem. Soc. Rev. 2009. Vol. 38. pp. 453—468.

10. Price N.C. Fundamentals of enzymology : the cell and molecular biology of catalytic proteins. — 3rd ed. — Oxford: Oxford University Press, 1999. —478 p.

11. Veitch N.C. Phytochem. 2004. Vol. 65. pp. 249—259.

12. Dunford H.B., Stillman J.S. Coord. Chem. Rev. 1976. Vol. 19. pp. 187-251.

13. Klibanov A.M., Tu T.-M., Scott K.P. Science. 1983. Vol. 221. pp. 259—260.

14. Bhattacharyya D.K., Bandyopadhyay U., Banerjee R.K. J. of Biol. Chem. 1993. Vol. 268, No. 30. pp. 22292-22296.

15. Arnao M.B., Acosta M., del Rio J.A., Varon R., Garcia-Canovas F. Biochem. Biophys. Acta. 1990. Vol. 1041. pp. 43—47.

16. Bevilaqua J.V., Cammarota M.C., Freire D.M., Sant’Anna Jr. G.L. Braz. J. Chem. Eng. 2002. Vol.19, No. 02, pp. 151-158.

17. Zhang X., Flurkey W.K. J. Food Sci. 1997. Vol. 62 (1). pp. 97-100.

18. Solano O., Solano F. Pigm. Cell Melanoma Res. 2009. Vol. 27. P. 750—760.

19. Perez-Gilabert M., Morte A., Hornubia M., Garcia-Carmona F. Physiol. Plant. 2001, Vol. 113. pp. 203-209.

20. Wilson R., Turner A.P.F. Biosens. Bioel. 1992 . Vol. 7. pp. 165-185.

21. Bankar S.B., Bule М.V., Singhal R.S., Ananthanarayan L. Biotech. Adv. 2009. Vol. 27. pp. 489—501.

22. Sundaran U.M., Zhang H.H., Hedman B., Hodgson K.O., Solomon E.I. J. Am. Chem. Soc. 1997. Vol. 119. Vol. 12525—12540.

23. Durán N., Rosa M.A., D’Annibale A., Gianfreda L. Enzyme and Microbial Technology. 2002. Vol. 31. P. 907—931.

24. Strong P.J., Claus H. Crit. Rev. Env. Sci. Tech. 2011. Vol. 41. pp. 373—434.

25. Kretsinger R.H., Uversky V.N., Permyakov E.A. Encyclopedia of Metalloproteins. New York: Springer Science+Business Media, 2013. pp. 1066-1070.

26. Renneberg R., Berkling V., Loroch V. Biotechnology for Beginners (Second Edition). Ch. 2 – Enzymes: Molecular Supercatalysts for Use at Home and in Industry. 2017, P. 35-63.

27. Волокитина М.В. Хроматографические биокаталитические реакторы нового поколения на основе макропористых сорбентов монолитного типа. Дис. … канд. хим. наук: 03.01.06, 02.00.06. Институт высокомолекулярных соединений РАН, Спец. — биотехнология (в том числе бионанотехнологии), высокомолекулярные соединения. Санкт-Петербург, 2015. 182 с.

28. Tischer W., Wedekind F. Top. Curr. Chem. 1999. Vol. 200. pp. 95—126.

29. Acebes S., Fernández-Fueyo E., Monza E., Lucas F., Almendral D., Ruiz-Duenas F.J. ACS Catal. 2016. Vol. 6. pp. 1624-1629.

30. Cantone S., Ferrario V., Corici L., Ebert C., Fattor D., Spizzo P., Gardossi L. Chem. Soc. Rev. 2013. Vol. 42. pp. 6262—6276.

31. Jesionowski T., Zdarta J., Krajewska B. Adsorption. 2014. Vol. 20. pp. 801—821.

33. Brena B., González-Pombo P., Batista-Viera F. Methods Mol. Biol. 2013. Vol. 1051. pp. 15-31.

34. Nguyen H.H., Kim M. Appl. Sci. Converg. Technol. 2017. Vol. 26(6). pp. 157-163.

35. Cao L. Chapter In book: Carrier-bound Immobilized Enzymes: Principles, Application and Design, pp.169-316.

36. Barbosa O., Torres R., Ortiz C., Berenguer-Murcia A., Rodrigues R.C., Fernandez-Lafuente R. Biomacromolecules. 2013. Vol. 14(8). pp. 2433-2462.

37. Zucca P., Sanjust E. Molecules. 2014. Vol. 19. pp. 14139—14194.

38. Hirsh S.L., Bilek M.M.M., Nosworthy N.J., Kondyurin A., dos Remedios C.G., McKenzie D.R. Langmuir. 2010. Vol. 26 (17), pp 14380—14388.

39. Datta S., Christena L.R., Rajaram Y.R.S. Biotech. 2013. Vol. 3. pp. 1—9.

40. Zhang Y., Ge J., Liu Z. ACS Catal. 2015. Vol. 5. pp. 4503—4513.

41. Ронжин Н.О. Индикаторные тест-системы с использованием наноалмазов детонационного синтеза. Дис. … канд. биолог. наук. 03.01.06 / Н.О. Ронжин. Институт биофизики Сибирского отделения РАН, Спец. Биотехнология (в том числе бионанотехнологии). Красноярск, 2015. 125 с.

42. Zdarta J., Meyer A.S., Jesionowski T., Pinelo M. Catalysts. 2018. Vol. 8. pp. 92-118.

43. Gholami-Borujeni F., Mahvi A.H., Naseri S., Faramarzi M.A., Nabizadeh R., Alimohammadi M. Res. J. Chem. Environ. 2011. Vol. 15. P. 217—222.

44. Magri M.L., de las Nieves Loustau M., Miranda M.V., Cascone O. Biocatal. Biotransform. 2007. Vol. 25. P. 98—102.

45. Hamid M., Khalil-ur-Rehman. Food Chemistry. 2009. Vol. 115. P. 1177—1186.

46. Pramparo L., Stüber F., Font J., Fortune A., Fabregat A., Bengoa C. J. Hazard. Mater. 2010. Vol. 177. P. 990—1000.

47. Cho S.H., Shim J., Yun S.H., Moon S.H. Appl. Catal. A. 2008. Vol. 337. P. 66—72.

48. Bódalo A., Bastida J., Maximo M.F., Montiel M.C., Gómez M., Murica M.D. Bioprocess. Biosyst. Eng. 2008. Vol. 31. P. 587—593.

49. Acevedo F., Pizzul L., Castillo M.D., Gonzales M.E., Cea M., Gianfreda L., Diez M.C. Chemosphere. 2010. Vol. 80. P. 271—278.

50. Zhai, R., Zhang, B., Wan, Y., Li, C., Wang, J., Liu, J. Chitosan-halloysite hybrid-nanotubes: Chem. Eng. J. 2013. Vol. 214. P. 304—309.

51. Матвеева О.В., Лакина Н.В., Долуда В.Ю., Сульман Э.М. Известия вузов: Химия и химическая технология. Т. 57, № 6. Иваново: ИГХТУ, 2014. С. 15-18.

52. Тихонов Б.Б., Сидоров А.И., Сульман Э.М. // Катализ в промышленности. 2007. № 3. С. 48—50.

53. Quintanilla-Guerrero F., Duarte-Vazquez M.A., Tinoco R., Gomez-Suarez M., Garcia-Almendarez B.E., Vazquez-Duhalt R., Regalado C. J. Agric. Food Chem. 2008. Vol. 56. P. 8058—8065.

54. Monier M., Ayad D.M., Wei Y., Sarhan A.A. International Journal of Biological Macromolecules. 2010. Vol. 46. P. 324—330.

55. Vasileva N., Godjevargova T., Ivanova D., Gabrovska K. International Journal of Biological Macromolecules. 2009. Vol. 44. pp. 190—194.

57. Galarraga J.C., dos Santos A.F., Bassan J.C., Goulart A.J., Monti R. Rev. Ciênc. Farm. Basica. Apl. 2013. Vol. 34. P. 321—326.

58. Iqbal H.M.N., Asgher M. BMC Biotechnol. 2013. Vol. 13. P. 56.

59. Jamal F., Singh S., Khatoon S., Mehrotra S. J. Bioproces. Biotechniq. 2013. Vol. 3. P. 131.

60. Karim Z., Adnan R., Husain Q. International Biodeterioration & Biodegradation. 2012. Vol. 72. P. 10-17.

61. Janović B.S., Mićić Vićovac M.L., Vujčić Z.M., Vujčić M.T. Environmental Science and Pollution Research. 2017. Vol. 24. Iss. 4, pp. 3923—3933.

62. Park B.-W., Ko K.-A., Yoon D.-Y., Kim D.-S. Enzyme and Microbial Technology. 2012. Vol. 51. pp. 81—85.

63. Тихонов Б.Б., Стадольникова П.Ю., Сидоров А.И., Сульман Э.М. // Бюллетень науки и практики. 2017. № 12 (25). С. 98—104.

64. Матвеева О.В., Лакина Н.В., Долуда В.Ю., Шкилева И.П., Матвеева В.Г., Сульман Э.М. // Катализ в промышленности. 2015. № 1. С. 70—78.

65. Matveeva O., Lakina N., Matveeva V., Sulman M., Sulman E., Valetsky P., Doluda V. Topics in Catalysis, 2011, Vol. 54, pp. 1309-1317.

66. Labus K., Turek A., Liesiene J., Bryjaka J. Biochem. Eng. J. 2011. Vol. 56. P. 232-240.

67. Dincer A., Becerik S., Aydemir T. Int. J. Biol. Macromol. 2012. Vol. 50. pp. 815—820.

68. Bayramoglu G., Akbulut A., Yakup Arica M. J. of Haz. Mater. 2013. Vol. 244-245. P. 528—536.

69. Xu D.-Y., Yang Z. Chemosphere. 2013. Vol. 92. P. 391—398.

70. Subrizi F., Crucianelli M., Grossi V., Passacantando M., Pesci L., Saladino R. ACS Catal. 2014. Vol. 4. P. 810—822.

71. Selinheimo E. Tyrosinase and laccase as novel crosslinking tools for food biopolymers. Dissertation. Doctor of Science in Technology, Helsinki. 2008. 119 P.

72. Kuninori T., Nishiyama J., Matsumoto H. Cereal Chem. 1976. Vol. 53. P.420-428.

73. Сидоров А.И., Тихонов Б.Б., Стадольникова П.Ю., Сульман Э.М. // Актуальная биотехнология. 2017. № 2 (21). С. 104—108.

74. Ozyilmaz G, Tukel S. Appl. Biochem. Microbiol. 2007. Vol. 43(1). P. 29—35.

75. Rasiah I.A., Sutton K.H., Low F.L., Lin H.M., Gerrard J.A. Food Chem. 2005. Vol. 89. P.325—332.

76. Gujral H.S., Rosell C.M. Food Res. Int. 2004. Vol. 37. P. 75—81.

77. Primo-Martin C., Wang M., Lichtendonk W.J., Plijter J., Hamer R.J. J. Sci. Food Agric. 2005. Vol. 85. P. 1186—119.

78. Rosell C.M., Wang S., Aja S., Bean S., Lookhart G. Cereal Chemistry. 2003. Vol. 80. P. 52—55.

79. Tzanov T., Silgia A., Gubitz G.M., Cavaco-Paulo A. J. Biotechnol. 2002. Vol. 93. P.87—94.

81. Dong L. C., Wang G., Xiao Y., Xu Y., Zhou X., Jiang H., Luo Q. Chem. Biochem. Eng. Q. 2011. Vol. 25 (3). P. 395—402.

82. Wang X., Zhu K.-X., Zhou H.-M. Int. J. Mol. Sci. 2011, 12, 3042-3054.

83. Tang L., Yang R., Hua X., Yu C., Zhang W., Zhao W. Food Chemistry. 2014. Vol. 161. P. 1—7.

84. Jang E., Park S., Park S., Lee Y., Kim D.-N., Kim B., Koh W.-G. Polym. Adv. Technol. 2010, 21 476—482.

86. Hashemifard N., Mohsenifar A., Ranjbar B., Allameh A., Lotfi A.S., Etemadikia B. Analytica Chimica Acta 675 (2010) 181—184.

87. Wang H., Huang J., Wang C., Li D., Ding L., Han Y. Applied Surface Science. 2011. Vol. 257. P. 5739—5745.

88. Lee H.U., Park C., Kim S.W. Process Biochemistry 47 (2012) 1282—1286.

89. Golikova E.P., Lakina N.V., Grebennikova O.V., Matveeva V.G., Sulman E.M. Faraday Discussions. 2017. Vol. 202. pp. 303-314.

90. Dehghanifard E., Jafari A.J., Kalantary R.R., Mahvi A.H., Faramarzi M.A., Esrafili A. Iran. J. Environ. Healt. 2013. Vol. 10. P.25.

91. Widsten P., Kandelbauer A. Enzyme and Microbial Technology. 2008. Vol. 42. Iss.4. pp. 293—307.

92. Fernandez-Fernandez M., Sanroman M.A., Moldes D. Biotechnol. Adv. 2013. Vol. 31. P. 1808—1825.

93. Liu Y., Zeng Z., Zeng G.; Tang L., Pang Y., Li Z., Liu C., Lei X., Wu M., Ren P. Bioresour. Technol. 2012, Vol. 115. P 21—26.

94. Nicolucci C., Rossi S., Menale C., Godjevargova T., Ivanov Y., Bianco M., Mita L., Bencivenga U., Mita D.G., Diano N. Biodegradation. 2011 Vol . 22. P. 673—683.

95. Wang Q., Ciu J., Li G., Zhang J., Li D., Huang F., Wei Q. Molecules. 2014. Vol. 19. P. 3376—3388.

96. Xu R., Chi C., Li F., Zhang B. ACS Appl. Mater. Interfaces. 2013. Vol. 5. P. 12554—12560.

97. Galliker P., Hommes G., Schlosser D., Corvini P. F.-X., Shahgaldian P. Journal of Colloid and Interface Science. 2010. Vol. 349. P. 98—105.

98. Jia J., Zhang S., Wang P., Wang H. Journal of Hazardous Materials 205— 206 (2012) 150— 155.

99. Cristovao R.O., Silverio S.C., Tavares A.P.M., Brigida A.I.S., Moureiro J.M., Boaventura R.A.R., Macedo E.A., Coelho M.A.Z. World J. Microbiol. Biotechnol. 2012. Vol. 28 P. 2827—2838.

100. Mogharabi M., Nassiri-Koopaei N., Bozorgi-Koushalshahi M., Nafissi-Varcheh N., Bagherzadeh G., Faramarzi M.A. Bioinorg. Chem. Appl. 2012. P. 823830:1—823830:6.

101. Peralta-Zamora P., Pereira C.M., Tiburtius E.R.L., Moraes S.G., Rosa M.A., Minussi, R.C., Duran N. Appl. Catal. B. 2003. Vol. 42. P. 131—144.

102. Jořenek M., Zajoncová L. Chem. Biochem. Eng. Q. 2015. Vol. 29 (3). P. 457—466.

103. Chao C., Guan H., Zhang J., Liu Y., Zhao Y., Zhang B. Water Sci. Technol. 2018. Vol. 77(3). P. 809-818.

104. Labat, E., Morel, M.H., Rouau, X. Cereal Chem. 2000. Vol. 77. P. 823-828.

105. Kirk O., Borchert T.V., Fuglsang C.C. Current Opinion in Biotechnology 2002, 13:345—351.

106. Матвеева О.В., Лакина Н.В., Долуда В.Ю., Сульман Э.М. // Известия вузов. Химия и химическая технология. Т. 56. Вып. 11. Иваново: ИГХТУ, 2013. С. 13—18.

БИОЛОГИЯ Том 2 - руководство по общей биологии - 2004

Как уже обсуждалось во введении к данному разделу, 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.

Методы иммобилизации ферментов

Существуют различные способы иммобилизации ферментов (рис. 12.28). Они включают либо механическое включение (захват) фермента, либо его присоединение к определенной структуре, или матрице. Преимуществом метода захвата является то, что фермент сохраняется в естественном состоянии. Однако крупным молекулам трудно добраться до фермента.

Захват шариками альгината легко продемонстрировать на лабораторных занятиях; он является наиболее распространенным промышленным методом. Раствор, содержащий фермент и альгинат натрия, по каплям вносят в раствор хлористого кальция. Как только капельки вступают в контакт с хлористым натрием, они немедленно начинают превращаться в гель; при этом образуются идеальные по форме шарики геля, содержащие внутри захваченный фермент. Для длительного использования гель можно стабилизировать полиакриламидом или приготовить его в виде пластин, если поместить его на тканевую основу.


Рис. 12.28. Методы иммобилизации ферментов.

Применение иммобилизованных ферментов

Лучшим примером процесса, в котором успешно используются иммобилизованные ферменты, является производство кукурузного сиропа с высоким содержанием фруктозы. Он широко используется в США и Японии в качестве подсластителя, например во фруктовых напитках, так как он значительно дешевле сахарозы. Сироп готовят из относительно дешевого источника углеводов — крахмала, получаемого из кочерыжек кукурузных початков. Процесс осуществляется с участием трех ферментов. Сначала получают крахмальную массу путем перемалывания (растирания) кукурузы, затем две амилазы превращают крахмал в глюкозный сироп. Обесцвеченный и сконцентрированный сироп добавляют в различные пищевые продукты и напитки. С помощью фермента глюкозоизомеразы можно превратить этот сироп в смесь, содержащую равные количества глюкозы и фруктозы. Для этого сироп пропускают через колонку, в которой содержится фермент, иммобилизованный путем адсорбции на целлюлозном ионообменнике (метод 3, рис. 12.28). Активность фермента со временем постепенно снижается, поэтому обычно используют несколько колонок, работающих одновременно. Фруктоза слаще глюкозы, хотя обе содержат одинаковое число калорий на единицу массы. Это означает, что, используя кукурузный сироп с высоким содержанием фруктозы, можно получить такой же сладкий продукт как с глюкозой, но с меньшим количеством калорий. Ежегодно в США производится около 4 млн. тонн сиропа.

Первым иммобилизованным ферментом, примененным в промышленном масштабе, была аминоацилаза. Она была использована в Японии в 1969 г. для производства аминокислот, добавляемых в корм животных. На мировом рынке эта продукция пользуется большим спросом. Каждая молекула аминокислоты может существовать в двух формах, одна из которых является зеркальным отображением другой, как правая и левая рука. Эти две формы называются оптическими изомерами и являются право- и левовращающими формами, или D- и L-формами (по направлению вращения ими плоскости поляризации света). Все существующие в природе аминокислоты являются L-аминокислотами. Гораздо легче получить аминокислоты путем химического синтеза, чем выделять их из клеток, однако синтезированные аминокислоты образуются в виде смеси равных количеств D- и L-изомеров. Проблема получения L- аминокислот решается с помощью ферментов, специфически катализирующих превращения только одной из форм. Основные стадии процесса представлены в виде диаграммы на рис. 12.29.


Рис. 12.29. Схема процесса получения Ь-аминокислот, добавляемых в корм животным.

Фермент иммобилизуют путем ионного связывания на колонке с носителем (метод 3, рис. 12.28). После непрерывной автоматизированной работы в течение 30 дней при 50 °С активность фермента снижается до 40%; для восстановления активности добавляют свежий фермент. В результате благодаря иммобилизации экономится 40% фермента.

Другой пример использования иммобилизованных ферментов — производство полусинтетических пенициллинов из природных пенициллинов. Иммобилизованный фермент химически модифицирует одну из боковых групп молекулы пенициллина, что приводит к повышению антибиотической активности пенициллинов.

Биологическая библиотека - материалы для студентов, учителей, учеников и их родителей.

Наш сайт не претендует на авторство размещенных материалов. Мы только конвертируем в удобный формат материалы, которые находятся в открытом доступе и присланные нашими посетителями.

Если вы являетесь обладателем авторского права на любой размещенный у нас материал и намерены удалить его или получить ссылки на место коммерческого размещения материалов, обратитесь для согласования к администратору сайта.

Разрешается копировать материалы с обязательной гипертекстовой ссылкой на сайт, будьте благодарными мы затратили много усилий чтобы привести информацию в удобный вид.

Иммобилизованные ферменты

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. Комплекс «фермент — носитель» отделен от раствора, но при этом может обмениваться с ним молекулами субстрата, эффектора или ингибитора. 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.

По сравнению со свободными ферментативными препаратами, иммобилизованные ферменты имеют существенные преимущества:

  • — они обладают высокой стабильностью, в несколько тысяч раз превышающей стабильность свободных ферментов, и поэтому достаточно долговечны;
  • — они легко отделимы от реакционной среды, что позволяет получать чистые продукты реакции;
  • — иммобилизация дает возможность многократно использовать ферментативный препарат;
  • — иммобилизованные ферменты технологичны, что позволяет либо вести процесс непрерывно, регулировать его скорость и, соответственно, выход продукта, либо в любой момент остановить реакцию;
  • — с помощью подбора носителей и методов иммобилизации можно целенаправленно изменять некоторые свойства ферментов (специфичность, pH- и температурозависимость, стабильность) для оптимизации процесса.

Процесс иммобилизации как способ сохранения активности выделенного из клетки фермента был открыт еще в начале XX в. В 1916 г. Дж. Нельсон и Е. Гриффин показали, что сахараза, адсорбированная на угле, сохраняла свою каталитическую активность. Однако первый патент на применение иммобилизованных ферментов был выдан только в 1939 г. Дж. Пфанмюлеру и Г. Шлейху, которые предложили использовать протеолитические ферменты, адсорбированные на древесных опилках, для обработки шкур животных. В 1953 г. Н. Грубхофер и Д. Шлейт разработали принципиально новый метод для иммобилизации ферментов — ковалентное связывание. Что касается термина «иммобилизованные ферменты», то он был узаконен в 1971 г. на первой конференции по инженерной энзимологии, которая проходила в США.

Носители для иммобилизации ферментов должны обладать определенными свойствами:

  • — высокой биологической и химической стойкостью;
  • — нерастворимостью;
  • — высокой механической прочностью;
  • — значительной гидрофильностью, которая обеспечивает связывание фермента с носителем в водной среде;
  • — достаточной проницаемостью для ферментов, коферментов, субстратов и продуктов реакции, пористостью, большой удельной поверхностью;
  • — легкостью активации комплекса «фермент — носитель»;
  • — возможностью создания различных структур (мембран, пластин, трубочек, гранул);
  • — низкой стоимостью.

В зависимости от структуры, носители подразделяют на природные и синтетические, органические и неорганические, полимерные и низкомолекулярные .

Природные полимерные носители по своей химической природе подразделяют на белковые (кератин, фиброин, коллаген, желатин), полисахаридные (целлюлоза, декстран, агароза, каррагинан, альги- новые кислоты и их соли, аминополисахариды — хитин и хитозан) и липидные (модель «фермент — липид» в виде монослоя или бислоя сферической формы — липосома), наиболее приближенные к естественным комплексам, существующим в клетке.

Синтетические полимерные носители подразделяют на три группы — полиметиленовые, полиамидные и полиэфирные. Благодаря разнообразию, механической прочности и доступности, они широко используются для иммобилизации. Кроме того, при производстве синтетических полимеров можно значительно разнообразить их форму (гранулы, трубочки и т. д.), варьировать величину пор, вводить различные функциональные группы.

Носители неорганической природы могут быть представлены материалами из глины, стекла, керамики, силикагеля, графитовой сажи, а также оксидами металлов и т. д. Преимущества этой группы носителей состоят в легкости регенерации, возможности получения любой их формы при производстве и вариабельности размера пор.

Методы иммобилизации ферментов. Иммобилизацию ферментов можно осуществлять физическими и химическими методами (рис. 7.3).

Физические методы основаны на адсорбции фермента на нерастворимом носителе, на включении фермента в поры поперечносшитого геля, в полупроницаемые структуры.

Методы иммобилизации ферментов

Рис. 7.3. Методы иммобилизации ферментов: Ф — фермент (по Т. А. Егоровой и др., 2003)

Адсорбция ферментов на нерастворимом носителе. Молекула фермента удерживается на поверхности носителя благодаря электростатическим, гидрофобным, дисперсионным взаимодействиям или возникновению водородных связей. Прочность связывания фермента с носителем небольшая.

Иммобилизация ферментов путем включения в гель (обычно — полимерный гель). Метод обеспечивает равномерное распределение фермента в объеме носителя, достаточно прост и применяется для иммобилизации отдельных молекул определенного энзима, мультифер- ментных комплексов и интактных клеток. Однако он непригоден для работы с ферментами, которые воздействуют на водонерастворимые субстраты.

Иммобилизация в полупроницаемые структуры. В этом случае раствор фермента и раствор субстрата разделяют с помощью полупроницаемой мембраны (микрокапсулирование, включение в липосомы). Метод используется главным образом в фундаментальных научных исследованиях и в медицине.

Использование химических методов приводит к возникновению ковалентных связей между ферментом и носителем. Этот способ получения промышленных биокатализаторов наиболее распространен.

Химическое присоединение энзима к носителю отличается высокой эффективностью и прочностью связи. Однако химические методы иммобилизации сложны и дороги, но незаменимы в научных исследованиях при создании ферментов с контролируемыми свойствами. Рассмотрим некоторые из этих методов.

Иммобилизация на носителях, несущих гидроксигруппы. В этой группе наиболее распространен бромциановый метод, который позволяет связывать фермент с полисахаридным или синтетическим носителем.

Иммобилизация на носителях, несущих аминогруппы. Аминогруппы носителя превращают в соли диазония, к которым впоследствии присоединяют молекулы ферментов за счет взаимодействия с фенольными, аминными, имидазольными, тиольными, гуанидиновыми группами этих ферментов.

Иммобилизация на носителях, несущих сулъфгидрильные группы. Если и носитель, и фермент несут сульфгидрильные группы, то под воздействием кислорода воздуха эти группы легко окисляются с образованием дисульфидных связей.

Среди всех методов иммобилизации оптимальным считается метод включения ферментов в полимерные гели. Также широко распространены адсорбционное присоединение и химические методы, основанные на ковалентном связывании. Достаточно часто иммобилизацию проводят за счет включения ферментов в мембраны и микрокапсулы, тогда как другие приемы используют в единичных случаях.

Применение иммобилизованных ферментов. Иммобилизованные ферменты находят широкое применение в различных отраслях народного хозяйства:

  • — в промышленности — в качестве активных компонентов стиральных и моющих средств, в дубильных процессах, в пищевых производствах, например при обработке мяса; в качестве катализаторов при проведении различных технологических процессов, для анализа различных веществ;
  • — в медицине — в качестве противовоспалительных, тромболитических и фибринолитических препаратов;
  • — в фармации — в медицинской диагностике при анализе лекарственных веществ белковой природы;
  • — в качестве биокатализаторов в биотехнологических производствах.

Созданы искусственные аналитические системы для анализа различных веществ — ферментные электроды, проточные анализаторы и т. д. В настоящее время разрабатываются новые поколения биодатчиков на базе аффинных взаимодействий.

О широком применении ферментов в медицине уже шла речь выше. Однако использование белковых препаратов в качестве лекарственных средств может быть ограничено их иммуногенностью, аллергенностью, малым временем действия в организме человека или животного. В связи с этим в медицине более перспективно применение иммобилизованных ферментов, которые менее аллергенны и иммуногенны, более стабильны, обладают пролонгированным действием. Например, при включении в липосомы ферменты защищены от эндогенных про- теиназ организма пациента, а сами липосомы утилизируются в организме. В иммобилизованном виде применяют тромболитические ферменты, предотвращающие образование тромбов в кровеносных сосудах. Иммобилизованные протеолитические ферменты помогают при лечении ожогов, абсцессов, ран. Иммобилизованная уреаза используется в аппарате «искусственная почка». Микрокапсулы, заполненные аспа- рагиназой, применяют для лечения аспарагинзависимых опухолей.

Протеазы

В основном, как видно, это относится к пищевой промышлен­ности, где применяются главным образом малоочищенные комп­лексные ферментные препараты для гидролиза природных полиме­ров — белков, крахмала, пектинов.

В последние полтора-два десятилетия определились пути расширения областей применения ферментов. Они связаны с полу­чением так называемых иммобилизованных ферментов, а также иммобилизованных клеток микроорганизмов [2]. Сочетание уни­кальных каталитических свойств ферментов с их водонерастворимостью в иммобилизованном виде послужило основой для создания ряда новых технологических процессов [4]. Эти процессы в настоя­щее время применяются главным образом в производстве пищевых продуктов.

К настоящему времени шесть процессов с использованием иммо­билизованных ферментов или клеток нашли крупномасштабное применение в пищевой промышленности ряда развитых стран мира.

1. Получение глюкозо-фруктозных сиропов и далее фруктозы из глюкозы.

2. Получение оптически активных D-аминокислот из их рацеми­ческих смесей.

3. Синтез L-аспарагиновой кислоты из фумаровой кислоты.

4. Синтез L-яблочяой кислоты из фумаровой кислоты.

5. Получение диетического безлактозного молока.

6. Получение cахаров из молочной сыворотки.

Получение глюкозо-фруктозных спиртов

Фруктоза, или иначе фруктовый, плодовый или медовый сахар, широко распространена в природе. Этот особый сахар содержится во многих фруктах и плодах. Особенно богаты им яблоки и поми­доры, а также пчелиный мед, который почти наполовину состоит из фруктозы. По сравнению с обычным сахаром (в состав молекул которого фруктоза также входит, но в виде химического соедине­ния с менее сладкой глюкозой) фруктоза обладает более приятным вкусом, и, согласно профессиональной терминологии, вкус фрукто­зы «медовый», а обычного сахара—«приторный». Далее, по сла­дости фруктоза на 60-70% слаще сахара, и соответственно ее меньшее потребление влечет за собой меньшую калорийность про­дукта. Это важно с точки зрения диетологии питания. Наконец, фруктозу в отличие от глюкозы или сахара могут потреблять боль­ные диабетом, и вообще замена сахара фруктозой существенно снижает вероятность этого заболевания. Дело в том, что физиологический путь использования человеческим организмом фруктозы совер­шенно другой, чем сахара или глюкозы, и не связан с превращени­ем инсулина. К этому остается добавить, что фруктоза значительно менее вредна для зубов (из-за кариеса), чем сахар, и в смеси с глюкозой не кристаллизуется (не засахаривается), что важно в производстве мороженого, кондитерских изделий и т. д.

Несмотря на все эти неоспоримые преимущества фруктозы по сравнению с обычным сахаром, ее производство в мире практиче­ски отсутствовало вплоть до начала 70-х годов. Однако после того как в 1973 г. американской компанией «Клинтон Корн» был внед­рен в промышленность процесс превращения глюкозы во фруктозу под действием иммобилизованного фермента глюкозоизомеразы, этот процесс стал самым крупным в мире по сравнению с другими, в которых используются иммобилизованные ферменты.

Научные основы процесса довольно просты. Фермент глюкозо-изомераза-катализирует превращение (изомеризацию) глюкозы во фруктозу в одну стадию, и реакция протекает до тех пор, пока в реакционной системе количества глюкозы и фруктозы не станут приблизительно равными. После этого реакция останавливается, и полученную смесь можно либо использовать в виде глкжозо-фруктозного сиропа, либо отделить фруктозу и оставшуюся глюкозу опять подвергнуть изомеризации. Этот процесс проводят непрерыв­но в реакционных колоннах высотой до 5 м, - которые предвари­тельно заполняют иммобилизованным ферментом в виде гранул, полых нитей, кусочков геля (типа желатины) и т. д. В колонну не­прерывным потоком подают раствор глюкозы (предварительно по­лученной при гидролизе кукурузного или картофельного крахмала), из колонны вытекает глюкобзо-фруктозный сироп.

Об эффективности такой технологии свидетельствуют следую­щие данные: на 1 кг иммобилизованного фермента за 100 дней ра­боты получается 4 т фруктозы (в пересчете на сухой продукт) [4]. При этом время, за которое активность фермента уменьшается вдвое (так называемое время полуинактивации фермента) состав­ляет от 20 до 50 дней. Иначе говоря, катализатор (иммобилизован­ный фермент) в колонне следует заменять только раз в 2 или даже 3 мес и процесс благодаря этому становится экономически выгод­ным, особенно по сравнению с использованием растворимой глюко­зоизомеразы. Расчеты показывают, что в последнем случае затраты на фермент в 10 раз выше, и трудозатраты выше в 3 раза. В целом стоимость процесса с иммобиллизованным ферментом составляет лишь 61% от стоимости процесса с растворимым ферментом [4].

Современный завод по производству глюкозо-фруктозных сиро­пов с помощью иммобилизованного фермента, которых в мире име­ется уже несколько десятков, производит до 400 т продукта в день в пересчете на сухое вещество: В целом мировое производство глю­козо-фруктозных сиропов в 1980 г. достигло 2,5 млн. т и, по оцен­кам, составит около 4 млн. т в 1985 г. и Свыше 5 млн. т в 1990 г. В США уже в 1998 г. потребление населением фруктозы составило 12% от потребления сахара и ожидается дальнейший рост вплоть до 30—40% к 2000 г. В Японии уже к 1985—1990 г,. около 30% потребляемого в стране сахара будет заменено на глюкозо-фруктозную смесь и чистую фруктозу [4].

9.2. Получение аминокислот

Растения и микроорганизмы способны сами синтезировать все нужные им ами­нокислоты из более простых химических соединений. Однако чело­веческий организм способен синтезировать лишь 12 из 20 так на­зываемых «магических» аминокислот, необходимых ему для жиз­недеятельности. Остальные 8 аминокислот получили название незаменимых и должны поступать в организм извне - с пищей. При нехватке хотя бы одной из незаменимых аминокислот замед­ляется рост организма, начинаются болезни. Поэтому важно про­изводить эти аминокислоты для корректировки рационов питания, в лечебных и профилактических целях и т. д.

Производство многих аминокислот, в том числе и незамени­мых крупнотоннажная отрасль химической промышленности. Однако химики производят смесь оптических изомеров аминокис­лот, иначе говоря, смесь L- и D-аминокислот, молекулы которых в L- и D-форме представляют собой зеркальные отражения друг друга. В химических реакциях эти изомеры практически неразли­чимы, более того, по многим химическим критериям смесь L- и D-изомеров аминокислот представляет собой «химически чистое» вещество. Однако в большинстве случаев (исключением является лишь метионин) человеческий организм усваивает лишь L-аминокислоты, а их D-изомеры являются нежелательной примесью.

Разделение смеси L- и D-аминокислот, так называемой рацеми­ческой смеси, на составляющие ее изомеры стало первым процес­сом в мире, осуществленным с помощью иммобилизованных фер­ментов на промышленном уровне. Этот процесс был реализован в Японии компанией «Танабе Сейяку» в 1969 г. В течение 15 пред­шествующих лет данный процесс проводился компанией с приме­нением растворимого фермента—аминоацилазы, но он был недо­статочно экономичен. После перевода на иммобилизованную аминоацилазу экономическая эффективность процесса возросла в полтора раза, и в настоящее время компания осуществляет на промышленном уровне производство пяти L-аминокислот, из них четыре незаменимые (метионин, валин, фенилаланин, триптофан).

В качестве исходного вещества используются ацилированные L- и D-аминокислоты, полученные с помощью обычного химического синтеза, и их подвергают воздействию аминоацилазы. Фермент гидролизует только ацил-L-изомер, отщепляя от него объемную аыильную группу и тем самым резко увеличивая растворимость обра­зующейся L-аминокислоты по сравнению с присутствующим в реакционной системе ацил-D-изомером. После этого вещества легко отделяются друг от друга с помощью известных физико-химиче­ских приемов, продуктом является чистая L-аминокислота.

Остающаяся ацил-D-аминокислота при нагревании рацемизуется, т. е. переходит опять в смесь ацилированных L- и D-аминокислот, и процесс повторяют сначала. Таким образом, в итоге единствен­ным продуктом является L-аминокислота. Оказалось, что для аминоацилазы не имеет значения, какую аминокислоту ей гидролизовать, важно лишь строение ацильной части, к которой фермент имеет строгую специфичность. Благодаря этому одна и та же реак­ционная колонна с иммобилизованной аминоацилазой может быть использована для производства самых различных, L-аминокислот.

Иммобилизованный фермент легко готовить, так как он просто адсорбируется на специальной смоле, которую затем помещают в колонну объемом 1 м 3 . Время полуинактдвации иммобилизованного фермента в промышленных условиях составляет 65 дней, и, когда активность катализатора падает ниже нормы (раз в несколько ме­сяцев), в колонну добавляют раствор свежего фермента, который опять адсорбируется на носителе. Устойчивость полимерного носи­теля для иммобилизации фермента столь высока, что он используется японской компанией более 8 лет в той же колонне без замены.

9.3. Получение L-аспарагиновой кислоты

Аспарагиновая кислота не принадлежит к числу незаменимых, но производится в мире многими тысячами тонн. Она находит ши­рокое применение в пищевой промышленности для придания (в со­четании с другой аминокислотой—глицином) кондитерским изде­лиям и напиткам различных оттенков кислого или сладкого вкуса.

Замечателен процесс получения аспарагиновой кислоты с по­мощью фермента аcпартазы. С практической стороны он отличает­ся тем, что в качестве исходных веществ для ферментативного синтеза используются фумаровая кислота и аммиак, крупнотоннаж­ные продукты органического и неорганического синтеза. В отноше­нии самой реакции процесс интересен тем, что фермент здесь всего лишь в одну стадию присоединяет молекулу аммиака к двойной связи: фумаровой кислоты, сразу приводя к оптически активной L-аспарагиновой кислоте. Наконец, особенностью процесса явля­ется и, что в нем впервые в технологической практике были ис­пользованы иммобилизованные клетки микроорганизма, содержа­щие, фермент в его естественной микробиой оболочке. Этот процесс былразработаняпонской фирмой «Танабе Сейяку» в 1993 г.

Сначала японсйие технологи попытались использовать в качест­ве катализатора, микробную массу, состоящую из живых клеток микроорганизмов, содержащих внутриклеточный фермент, аопартазу. Однако время полуинактивации фермента в этих условиях у составляло всего 10 дней и было неприемлемым для технологии. Когда аспартазу выделяли из клеток и иммобилизовали в геле, время полуинактивации увеличилось до 30 дней. Когда же в гель включили сами микробные клетки и дополнительно усилили их путем химического связывания друг с другом и с гелем, стабиль­ность катализатора резко возросла и время полуинактивации фер­мента составило уже 120 дней. Плотный гель с иммобилизованны­ми в нем микробными клетками, содержащими аспартазу, формуют в кубики размерами 2—3 мм, набивают ими колонну объемом 1 м 3 и пропускают через нее раствор фумарата аммония. На выходе из колонны L-аспарагиновую кислоту кристаллизуют, центрифугиру­ют и промывают холодной водой. Процесс практически полностью автоматизирован и осуществляется в непрерывном режиме. Мас­штабы производства на фирме «Танабе Сейяку»—1700, кг чистой L-аспарагиновой кислоты в день на реактор объемом 1 м 3 .

9.4. Получение L-яблочной кислоты

Яблочная кислота находит спрос на мировом рынке в качестве заменителя лимонной кислоты в продуктах питания и фармацевти­ческих препаратах. Химическим путем (гидролизом ангидрида яб­лочной кислоты) производят только рацемическую смесь оптиче­ских изомеров яблочной кислоты, в то время как оптически актив­ный L-изомер, который получают микробиологическим способом, пока слишком дорог для широкого промышленного производства.

В то же время L-яблочную кислоту можно получать фермента­тивным путем из той же фумаровой кислоты, из которой получают L-аспарагиновую кислоту (см. выше). Только в данном случае фер­ментом является фумараза, которая присоединяет по двойной свя­зи фумаровой кислоты не аммиак, а воду. В остальном реакция происходит так же, и в качестве ферментного катализатора ис­пользуют клетки, содержащие фумаразу и иммобилизованные в гель. В обычных (интактных) клетках время полуинактивации фумаразы составляет 6 дней, в иммобилизованных в полиакриламид-ный гель — 55 дней.

Недавно компания «Танабе Сейяку» изменила технологию и перешла к другому микробному источнику фумаразы, стабильность и продуктивность которого выше в два раза по сравнению с преды­дущим. Помимо этого, компания стала использовать вместо поли-акриламидного геля в качестве носителя для иммобилизованных клеток другой гель на основе каррагинана — полисахарида из мор­ских водорослей. В итоге время полуинактивации иммобилизован­ного фермента составило 160 дней и продуктивность его действия возросла в 5,2 раза по сравнению с прежней технологией.

9.5. Получение без лактозного молока

Лактоза, или молочный сахар, содержится в достаточно боль­ших количествах в молоке и молочной сыворотке. Этот сахар ха­рактеризуется малой сладостью и низкой, растворимостью, и имен­но из-за его присутствия происходит кристаллизация мороженого и других молочных изделий и продуктов, которая иногда случается и приводит к малоприятным вкусовым ощущениям.

Молекулы лактозы состоят из глюкозы и галактозы и распада­ются на них при гидролизе под действием лактазы или b-галактозидазы. Молоко после такой обработки приобретает новые диетиче­ские качества, поскольку определенная часть населения не может употреблять молоко именно из-за наличия в нем лактозы. Это ка­чество организма получило название лактазной недостаточности, и в целом по направлению с севера нашей планеты на юг доля лю­дей, испытывающих лактазную недостаточность заметно возраста­ет. В Африке, например, целые племена и этнические группы не могут пить молоко домашних животных из-за сильных аллергиче­ских откликов или неприятных физиологических ощущений. В то же время они нормально усваивают молоко, не содержащее лакто­зы или предварительно обработанное иммобилизованной лактазой.

Первый коммерческий процесс получения безлактозного молока с использованием иммобилизованной лактазы был осуществлен итальянской фирмой «Сентрале дель Латте» в Милане. Получае­мое диетическое молоко несколько слаще обычного, поскольку глюкоза более сладкая, чем лактоза, однако это не мешает его употреблению. Стабильность иммобилизованного фермента доста­точно высока, и после 50 дней работы он сохраняет 80% первона­чальной активности. В настоящее, время завод в Милане произво­дит 10 т безлактозного молока в день.

9.6. Получение сахаров из молочной сыворотки

Молочная сыворотка содержит в своем составе большое коли­чество лактозы—около 5% в жидкой и 75% в высушенной сыво­ротке. Ферментативный гидролиз лактозы в этом случае открывает новые возможности получения сахаристых веществ и.з нетрадицион­ного сырья, вносит определенный вклад в решение кормовой проб­лемы и в проблему охраны окружающей среды, поскольку сыворот­ка большей частью не утилизируется.

Первый промышленный процесс гядролиза лактозы в молочной сыворотке с помощью иммобилизованной лактазы был реализован в 1980 г. совместно английской, французской и американской орга­низациями одновременно в Англии и Франции.

Перед введением в колонный реактор с иммобилизованным фер­ментом сыворотку пастеризуют, подвергают ультрафильтрации и пропускают через ионообменник, таким образом ее деминерализуя. Мощность установки составляет около 1000 л/ч при степени кон­версии лактозы 80%. Установка полностью автоматизирована. По­лучаемые при этом сахара (глюкоза и галаястоза) по сладости в полтора раза превышают сладость сахара в расчете на одинаковые экономические затраты.

1. Иммобилизованные ферменты Под ред. И. В. Березина, В. К. Антонова, К. Мартинека. М.: Изд-во МГУ, 1996. Т. 1. 296 с.; Т. 2. 358 с.

2. Березин И. В., Варфоломеев С. Д. Биокинетика. М.: Наука, 1979. 312 с.

3. Березин И. В., Варфоломеев С. Д., Казанская Н. Ф., Никольская И. И. Све­точувствительные каталитические системы.—Усп. науч. фотографии, 1988, 19, с. 255-262.

4. Березин И. В. и др. Кинетические особенности катализа иммобилизованными ферментами.—Усп. химии, 1985.

5. Березин И. В. и др. Механохимия иммобилизованных ферментов.— Журн. физ. химии, 1975, 49, с. 2519—'2528.

6. Введение в прикладную энзимологию — иммобилизованные - ферменты/Под ред. И. В. Березина, К. Мартинека. М.: Изд-во МГУ, 1982. 383 с.

7. Березин И. В., Мартинек К. Искусственные ферментативные светочувствитель­ные системы.—Усп. химии, 1989.

8. Химическая энзимология/Под ред. И. В. Березина, К. Мартинека. М.: Изд-во МГУ, 1983. 285 с.

9. Березин И. В., Мартинек К; Чазов Е. И. Ферментативные детекторы слабых сигналов.—Природа, 1980, № 11.

10. Варфоломеев С. Д. Конверсия энергии биокаталитическими системами. М.: Изд-во МГУ, 1981.256с.

11. Кулис Ю. Ю. Аналитические системы на основе иммобилизованных фермен­тов. Вильнюс: Мокслас, 1981. 200 с.

12. Марголин А. Л., Изумрудов В. А., Швядас В. Ю. и др. Обратимо раствори­мая пенициллинамидаза, иммобилизованная в полиэлектролитных комплек­сах—Докл. АН СССР, 1990.

13. Мартинек К„ Березин И. В. Стабилизация ферментов—ключевой фактор при внедрении биокатализа в практику.—Усп. химии, 1980, 49, с. 737—770.

14. Мартинек К; Левашов А. В., Клячко Н. Л., Березин И. В. Катализ водорас­творимыми ферментами в органических растворителях.—Докл. АН СССР, 1977, 236, с. 920—923.

15. Мартинек К; Семенов А. Н. Катализ ферментами в органическом синтезе— Усп. химии, 1981, 50, с. 1376—1406.

16. Можаев В. В. Иммобилизация ферментов как подход к исследованию фунда­ментальных проблем биохимии.—Усп. биологической химии, 1983, 24.

17. Стрельцова 3. А., Швядас В. К; Максименко А. В. Влияние полиэлектролитов на свойства пенициллинамидазы,— Биоорган, химия, 1975.

Иммобилизованные ферменты. Применение иммобилизованных ферментов.

В настоящее время в России одним из перспективных направлений в медицине и космецевтике является использование в мягких лекарственных и косметических формах ферментов, которые иммобилизованы на различных носителях, для терапии различных заболеваний. В данной статье рассмотрены возможные носители для иммобилизации ферментов, изучено взаимодействие этих носителей с энзимами, разработаны новые мягкие формы для наружного применения, которые содержат иммобилизованные на различных носителях ферменты, а также изучены методы определения активности ферментов в готовых лекарственных и космецевтических формах. Таким образом, идет расширение ассортимента носителей, которые используются для иммобилизации ферментов на российском рынке, что создает новые возможности для разработки и внедрения перспективных мягких лекарственных и космецевтических форм.


1. Государственная фармакопея Российской федерации, XII изд., ч. 1. М.: изд-во «Научный центр экспертизы средств медицинского применения». – 2008. – С. 105–113.

2. Декунов С.С. Глазова Н.В., Омельянова А.П. Модификация протеиназ антибиотиками аминогликозидной структуры // Наноматериалы и нанотехнологии. – 2012. – № 3. – С. 60–64.

4. Элям Блуэ. Нативные и модифицированные циклодекстрины KLEPTOSE®: многофункциональные вспомогательные вещества для молекулярной инкапсуляции // Фармацевтическая отрасль. – 2011. – № 6 (29). – С. 46–49.

5. DuBois M. Colorimetric Method for Determination of Sugars and Related Substances // Analytical Chemistry. – 1956. – Vol. 28, № 3. – P. 350–356.

6. Kunitz M. Crystalline soybean trypsin inhibitor. II. General properties // J Gen Physiol. – 1947. – № 30. – Р. 291–310.

Фармацевтический рынок является одним из самых высокодоходных и быстроразвивающихся секторов мировой экономики: «темпы его роста составляют 8–14 % в год, чистая прибыль достигает 18 % от общего дохода, тогда как в других сферах этот индекс равняется около 5 %». Современный фармацевтический рынок по своим объемам уступает только рынку продовольствия, и, по некоторым прогнозным оценкам, уже в ближайшем будущем его доля увеличится до 30–35 % от общего объема потребительского рынка [3].

Результатом активной инвестиционной деятельности ведущих фармацевтических компаний является постоянное появление на рынке новых продуктов, внедрение которых стало тем потенциалом, который лежит в основе движущей силы этой отрасли. В результате фармацевтический рынок является рынком дифференцированного продукта с большим разнообразием лекарственных средств, предназначенных для удовлетворения одной и той же потребности.

Развитие фармацевтической и косметической отраслей промышленности требует разработки и внедрения новых эффективных препаратов, обладающих высокой конкурентоспособностью на рынке. В этом отношении наиболее перспективными являются гидролитические ферменты. Выявление особенностей структуры и функционирования гидролаз становится особенно актуальным в связи с их биологической ролью.

В настоящее время в клинической медицине достигнуты определенные успехи при лечении энзимами ряда заболеваний. Протеиназы широко применяются в ревматологии, гинекологии, урологии, ангиологии, травматологии. Так как нативные ферменты быстро теряют свою активность в водных растворах, то их нужно использовать непосредственно после разведения и не оставлять на хранение. Это является большой проблемой при создании готовых форм. Одним из путей решения данной проблемы является создание иммобилизованных форм ферментов, т.е. ферментов, которые фиксированы на носителях различной структуры. Иммобилизация позволяет ферментам сохранять активность в течение длительного времени, и особенно актуальна в многокомпонентных системах, таких как зубные гели и пасты. Особое значение при создании лекарственных препаратов на основе иммобилизованных ферментов имеет подбор соответствующего носителя и способа иммобилизации.

Целью данной работы являлось изучение взаимодействия протеолитических ферментов папаина и химопсина с различными высокомолекулярными и низкомолекулярными соединениями, применяемыми для создания зубных гелей и паст.

Материалы и методы исследования

В качестве носителей для иммобилизации использовали циклодекстрины производства Xian Hong Chang Parmaceuticals Co., Ltd. Некоторые физико-химические свойства циклодекстринов представлены в табл. 1 [1].

Читайте также: