Специфические свойства ферментов

1. Размер молекул. Относительная молекулярная масса ферментов имеет значения в интервале от 10⁵ до 10⁷. Размер молекул ферментов позволяет отнести их к коллоидным частицам. Поэтому процессы ферментного катализа выделяют в специальный класс, не относя их ни к гомогенному, ни к гетерогенному катализу.

2. Селективность. Как правило очень высокая – каждый фермент катализирует одну специфическую реакцию или реакции одного типа. Ферменты отличаются чрезвычайно высокой избирательностью воздей­ствия (селективностью) по отношению к химическому составу реагентов. В организме человека находится около 30 000 различных ферментов, каждый из которых служит эффективным катализатором соответствующей реакции. Так слюна содержит фермент птиалин, который ускоряет превращение крах­мала в сахар. Фермент, имеющийся в желудке, — пепсин — катализирует рас­щепление белков.

3. Эффективность. Очень высокая. Например, фермент ренин (выделяется из сычуга жвачных животных) способен вызывать коагуляцию белков молока в количествах, в миллионы раз превышающих его массу.

4. Зависимость от температуры. Наибольшая эффективность проявляется при температуре приблизительно 37⁰С. При повышении температуры до 50-60⁰С ферменты разрушаются.

5. Стойкость к каталитическим ядам. Малая. Например, процесс сбраживания сахаров в спирт прекращается при достижении в сусле массовой доли спирта 15,5% из-за отравления ферментов дрожжей.

Ферменты в качестве биологических катализаторов применяются в различных отраслях промышленности - пищевой, текстильной, фармацевтической, кожевенной, в медицине, сельском хозяйстве, в тонком органическом синтезе и т.д. Более широкое использование ферментов в биотехнологии до последнего времени сдерживалось вследствие ряда причин, а именно:

1) трудоемкости отделения ферментов от исходных реагентов и продуктов реакции; 2) нестабильности ферментов при хранении и при действии различных факторов; 3) высокой стоимости чистых ферментных препаратов.

Создание биокатализаторов нового поколения - иммобилизованных, т.е. связанных ферментов открыло перед прикладной энзимологией новые перспективы. Иммобилизация фермента - это включение молекул биокатализатора в какую либо фазу, отделенную от фазы рабочего раствора, но способную обмениваться с ней молекулами. В качестве такой фазы может применяться, например, уголь.

Иммобилизованные ферменты легко отделимы от реакционной среды. Это дает возможность остановить реакцию в любой момент, получить продукт, незагрязненный катализатором, и использовать ферментный препарат многократно. Иммобилизованные ферменты технологичны, что определяется возможностью вести биотехнологический процесс непрерывно и регулировать скорость катализируемой реакции и выход продукта путем изменения скорости протока. Подбором соответствующих носителей и методов иммобилизации можно целенаправленно модифицировать такие свойства ферментов, как специфичность, рН- температурозависимость, а также стабильность фермента при денатурирующих воздействиях.

Успешное использование иммобилизованных ферментов в значительной мере определяется выбором подходящего сочетания носителя и метода иммобилизации, а также знанием кинетики реакций с участием таких катализаторов.

Иммобилизованные ферменты можно использовать, главным образом, в трех направлениях:

1. Анализ различных веществ,

2. В качестве лечебных средств

3. В качестве биокатализаторов для использования в биотехнологических производствах.

Например, лечебные средства на основе иммобилизованных ферментов применяются в том случае, когда необходимый фермент отсутствует в тканях, вследствие генетических или других нарушений, либо в качестве агентов, разрушающих нежелательные компоненты, например, мочевину. Использование чужеродных (бактериальных) ферментов зачастую нежелательно, вследствие того, что они могут стать причиной аллергических реакций и, кроме того, они крайне неустойчивы. Иммобилизация позволяет обойти эти барьеры, так как она повышает стабильность фермента и препятствует его взаимодействию с иммунной системой макроорганизма.

Например, в аппарате "искусственная почка", предназначенном для освобождения крови от различных шлаков, в том числе и мочевины, путем ультрафильтрации, используется колонка с иммобилизованной уреазой. Ферменты применяют в лечебных целях и тогда, когда они необходимы, но по причине различных патологических процессов отсутствуют, например, для растворения кровяных тромбов.