ФЕРМЕНТЫ И СПОСОБЫ ИХ ПОЛУЧЕНИЯ

НИЖЕГОРОДСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ МЕДИЦИНСКАЯ АКАДЕМИЯ

В.К. Османов

ИНЖЕНЕРНАЯ ЭНЗИМОЛОГИЯ

Учебно-методическое пособие

Нижний Новгород

Издательство НижГМА

УДК 615.014У79

ББК

Авторы:

доцент кафедры управления и экономики фармации и фармацевтической технологии НижГМА, д.х.н. В.К.Османов

Рецензенты:

Рекомендовано Центральным методическим советом НижГМА

(протокол № от

Османов В.К.

Инженерная энзимология: учебно-методическое пособие / В.К. Османов. - Н. Новгород: Изд-во Нижегородской гос. медицинской академии, 2014. - с.

ISBN

Рассмотрены основные области использования ферментных препаратов и иммобилизованных биокатализаторов в медицине и производстве лекарственных препаратов и пищевых продуктов. Издание предназначено для студентов фармацевтических факультетов вузов по специальности 060301 «фармация», дисциплине «биотехнология»

УДК

ББК

Османов В.К.

Нижегородская государственная

ISBN медицинская академия, 2014

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение.................................................................................................5

Ферменты и способы их получения.....................................................6

Рибозимы...............................................................................................13

Инженерная энзимология, ее задачи...................................................17

Иммобилизованные ферменты............................................................19

1. Носители для иммобилизации ферментов........................................................19

2. Методы иммобилизации ферментов..................................................................21

Иммобилизация клеток.........................................................................25 Промышленные процессы с использованием

иммобилизованных ферментов и клеток............................................27

1. Получение глюкозофруктозных сиропов...........................................................28

2. Биотрансформация других углеводов...............................................................28

3. Получение L-аминокислот из их рацемических смесей...................................31

4. Получение L-аспарагиновой кислоты................................................................32

5. Получение L-аланина...........................................................................................32

6. Получение органических кислот........................................................................33

7. Получение антибиотиков....................................................................................35

8. Трансформация стероидов..................................................................................38

9. Получение ферментов.........................................................................................39

10. Применение иммобилизованных клеток для

утилизации отходов...........................................................................................40.

11. Биогеотехнология..............................................................................................43

12. Биосенсоры на основе иммобилизованных ферментов.................................45.

13. Иммобилизованные ферменты в медицине....................................................48.

Реакторы с иммобилизованными клетками.......................................49

Мембранные реакторы.........................................................................54

Полимерные биоматериалы.................................................................56

1. Получение гемосовместимых полимерных материалов.................................56

2. Использование радиационного сшивания для получения

полимерных биоматериалов................................................................................58

3.Получение полимерных имплантантов...............................................................60

4. Иммобилизация лекарственных препаратов.....................................................61

5. Иммобилизация компонентов крови...................................................................62

6. Получение “умных” полимеров и их использование для

иммобилизации биологически активных веществ.........................................62.

Рекомендуемая литература...................................................................64

Контрольные вопросы...........................................................................65

Тестовые задания...................................................................................66

Ответы на тестовые задания.................................................................68

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

масс.% – массовые проценты

а.е.м. - атомная единица массы

атм. - атмосфера

рН - водородный показатель

НАДН - кофермент никотинадениединуклеотид

мм рт. ст. - миллиметр ртутного столба

РНК - рибонуклеиновая кислота

ДНК - дезоксирибонуклеиновая кислота

М - молярность раствора

АТФ - аденозинтрифосфорная кислота

АДФ - аденозиндифосфорная кислота

6-АПК - 6-аминопеницилланова кислота

БАВ - биологически активные вещества

ВВЕДЕНИЕ

Инженерная энзимология – это новое научно-техническое направление в битехнологии, появление которого связано с необходимостью интенсификации биотехнологических процессов. Задачи инженерной энзимологии - конструирование органических катализаторов (энзимов) с заданными свойствами на основе ферментов и полиферментных систем, выделенных из клеток или находящихся в них. Термин "заданные свойства" имеет в виду, что эти свойства задаются практическими потребностями в данном катализаторе, условиями проведения ферментативного процесса, специфичностью, необходимой производительностью и т.д. Инженерная энзимология основана на принципах органического и ферментативного катализа, химической технологии, биотехнологии и биохимии и со времени своего зарождения целиком обращена к практике. Хотя основная направленность современной инженерной энзимологии – использование каталитической активности иммобилизованных ферментов и клеток, ее рамки гораздо шире. Цель этой дисциплины – разработка научных основ применения ферментных катализаторов для создания новых биотехнологических производств и прежде всего производства лекарств, новых методов в диагностике и терапии, органическом синтезе и др., а также решение фундаментальных проблем энзимологии при помощи иммобилизованных ферментов.

ФЕРМЕНТЫ И СПОСОБЫ ИХ ПОЛУЧЕНИЯ

Ферментами называются вещества биологического происхождения, представляющие собой соединения белковой природы и являющиеся специфическими катализаторами. Для большинства из них структура не является до конца установленной. Однако существование так называемой белковой "составляющей" - неотъемлемой части биологического катализатора мож­но считать доказанным для большинства промышленно получаемых ферментных препаратов. Практически все попытки "очистить" эти препараты от соединений белковой природы приводили к потере их каталитической активности.

Все основные источники получения ферментов можно разделить на три ос­новные группы:

1. Ткани животных как отход мясоперерабатывающей промышлен­ности. Прежде всего, это богатые ферментами поджелудочная железа и слизистая оболочка желудка.

2. Некоторые растения. Например, такие гидролитические ферменты, как папаин и рицин извлекают соответственно из сока дынного и инжирного дерева, из ячменя - амилазу.

3. Микроорганизмы (бактерии, дрожжи, микрогрибы).

Выбор источника получения того или иного фермента предполагает учет ряда требований, предъявляемых к чистоте получаемого препарата, потребности в нем, стоимости сырья, проведения процессов выделения и очистки готового продукта.

Из всех вышеперечисленных источников ферментов наибольшее практическое значение имеют микроорганизмы - продуценты ферментов. Их широкое использование обусловлено, прежде всего, их доступностью, возможностью организовать более эффективное промышленное производство на относительно дешевом сырье и управление, процессом биосинтеза, используя, различные продуценты ферментных препаратов. Использование микроорганизмов значительно расширило круг получаемых ферментных препаратов с различным спектром действия. Только с их помощью удалось получить такие ферменты, как целлюлазы и глюкозоизомеразы.

В качестве продуцентов ферментов, как правило, выбирают те штаммы-мутанты, полученные путем направленной селекции, которые обеспечивают максимальный выход целевого продукта при использовании стандартного оборудования. При этом штаммы-мутанты получают как традиционным путем с использованием таких широкоизвестных методов воздействия, как облучение УФ светом, γ - и рентгеновскими лучами, обработкой клеток различными химическими агентами (этилимином, диметилсуфатом, гидроксиламином, диазометаном, оксидом азота и пр.), изменением температуры и величины рН, так и методами генной инженерии.

В качестве продуцентов ферментов могут использоваться различные микроорганизмы. Для получения амилолитических и протеолитических ферментных препаратов в промышленности наиболее часто используют различные штаммы гриба рода Aspergillus и бактерий Bacillus. У бактерий короче цикл развития, на их основе легче получать мутанты.

Технология получения ферментных препаратов микробным синте­зом обязательно включает в себя стадию промышленного культивирования соответствующего микроорганизма. В условиях промышленного производства значительное количество продуцента получают одним из следующих двух способов:

- культивирование на поверхности твердых питательных средах (поверхностный способ выращивания продуцента),

- культивирование соответствующего продуцента в большом объеме жидкой фазы, содержащей все необходимые для нормального роста и развития микроорганизма питательные вещества (глубинный способ выращивания продуцента).

Рис.1 Принципиальная технологическая схема процесса глубинного культивирования микроорганизмов

Смеситель питательной среды; 2 – колонна для непрерывной стерилизации потока питательной среды острым паром; 3 - теплообменник – выдерживатель; 4 – теплообменник для охлаждения потока питательной среды; 5 – инокуляторы (посевные аппараты); 6 – индивидуальный фильтр для очистки воздуха, подаваемого в инокулятор; 7 – реактор – ферментер; 8,9 – насосы; 10 – масляный фильтр для предварительной очистки воздуха; 11 – компрессор; 12- головной фильтр для очистки воздуха

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: