Основные группы биотрансформаций

Рассмотрим основные группы технически важных биотрансфор-

маций:

• гидроксилирование различных позиций молекулы вещества

(добавлениегидроксильнойгруппыОН− );

• введение двойной связи в том или ином месте;

• обрыв боковых цепей у разветвленных молекул;

• окисление молекул спиртов до кетонов;

• дегидрирование;

• изомеризация;

• ароматизация (появление ароматических углеводородных ра-

дикалов).

Основные виды реакций биокатализа

Назовем основные виды реакций биокатализа (практически они будут совпадать с наименованиями основных групп ферментов) :

• окисление и восстановление;

• перенос химических функциональных групп от одних молекул на другие;

• гидролиз;

• реакции с участием двойных связей (образование или, наобо-

рот, присоединение к ним химических групп);

• изомеризация, или структурные изменения в пределах одной молекулы;

• синтез сложных соединений (как правило, требующий энерге-

тических затрат).

Как видно из приведенных перечислений, биотрансформация и биокатализ являются процессами, сходными по своей природе.

Классификация ферментов

Существует классификация ферментов, ускоряющих биохимиче- ские превращения. Все ферменты могут классифицироваться в зависи- мости от реакций, которые они ускоряют:

• Оксиредуктазы - ускоряют окислительно-восстановительные реакции;

• Трансферазы - ускоряют перенос атомной группы радикалов от одного соединения к другому;

• Гидролазы - ускоряют процесс разложения, протекающие с участием воды;

• Дегидрогеназы- осуществляют перенос Н;

• Изомеразы – способны ускорять процессы внутренней пере-

группировки молекул;

• Синтетазы – определяют возможность синтеза сложных со-

единений из простых.

Преимущества и недостатки биокаталитических процессов

Рассмотрим преимущества и недостатки биокаталитических про- цессов, по сравнению с превращениями в присутствии химических ка- тализаторов.

Преимущества

1.Каталитическая активность ферментов высокоспецифична и ог-

раничивается одним типом реакций, так что не происходит побочных реакций.

2. Ферменты могут сразу атаковать исходную молекулу и осуще-

ствлять превращение, для которого потребовалось бы несколько вспо-

могательных многоступенчатых химических синтезов.

3. Химические преобразования вещества упрощаются — одна или две ступени вместо многоступенчатого синтеза.

4. Ферментативные реакции могут протекать с большой скоро-

стью в мягких условиях.

Недостатки

1. Для получения чистого продукта нужен и чистый фермент, а его выделение очень дорого.

2. В выходящем из реактора продукте сохраняется фермент, кото-

рый продолжает действовать.

3. Дорогостоящий фермент используется только однократно.

4. Свободный фермент быстро инактивируется (то есть разруша-

ется).

5. В отличие от биомассы, которая самовоспроизводится в про- цессе непрерывной ферментации, фермент в непрерывном процессе нужно все время вводить, так как он вымывается с продуктом реакции.

Основные понятия иммобилизации ферментов

Чтобы преодолеть описанные ранее недостатки процессов с ис- пользованием свободных ферментов, надо придумать способ удержан- ия ферментов в аппарате или легкий способ их выделения из реакцион- ной жидкости после завершения процесса.

1 - биореактор, 2- проточный мембранный модуль

Рисунок 18 - Схема мембранного биореактора с выносным модулем

Возможно отделение ферментов с помощью ультрафильтрации. Схема установки для проведения процесса биотрансформации с ульт- рафильтрационным выносным модулем представлена на рисунке 18. Реакционная жидкость может циркулировать через ультра- фильтрационный модуль, который задерживает выход фермента, не мешая выходу продукта. Получается непрерывный процесс, в который не требуется добавлять фермент. Этот способ, однако, тоже имеет не- достатки:

- мембранные установки часто выходят из строя, и при их ис- пользовании часть ферментов «проскакивает», а часть может «застре вать» на мембране, ухудшая фильтрацию, и, приводя к необратимой потере фермента;

- многие ферменты, будучи в свободном состоянии (растворенном в жидкости или в виде взвешенных коллоидных частиц), подвержены довольно быстрой инактивации, так что срок службы фермента не- большой и необходимость расходования свежего фермента, стоимость которого высока, сохраняется.

Поэтому такой путь совершенствования процессов биотрансфор- мации большого применения не нашел. Только если сам субстрат не- растворим или находится в коллоидном состоянии, применение подоб- ных систем имеет смысл.

В середине 1950-х годов возникла блестящая идея создания «не- растворимых», или «прикрепленных к матрице», или «связанных» фер- ментов, которые позднее стали называть иммобилизованными.

К этой идее и ее реализации имел отношение бывший президент

Израиля Э. Качальский-Катцир. Мы привыкли, что президентами ста-

новятся политики, хозяйственники, юристы. Но этот человек до своего избрания был ученым-биохимиком и после пребывания на президент- ском посту вернулся в науку и до своей смерти в 1995 г. возглавлял институт биотехнологии в Тель-Авиве. Термин иммобилизация проис- ходит от латинского слова «immobilis», что означает неподвижный.

Иммобилизация - это прикрепление фермента к некоторому не- растворимому носителю, причем таким образом, чтобы фермент мог обмениваться с раствором молекулами субстрата и продукта.

Легко можно оценить красоту этого способа. Во-первых, появ-

ляется простая возможность отделять и многократно использовать та- кой иммобилизованный фермент. Во-вторых, оказалось, что закреплен- ный фермент сохраняется в активном состоянии гораздо дольше, чем свободный, растворенный.