Ферментативті процесстер кинетикасы. Ферменттердің қасиеттері. Периодтық ферментацияның негізгі параметрлері.
Ферментативті реакциялардың кинетикасы. Ферментация процесі – микроағзалардың немесе жекеленген клеткалардың биохимиялық іс-əрекетін пайдаланып бастапқы шикізаттың өнімге айналуы жүретін процесс.
Қажет өнімнің белгілері бойынша ферментация келесі типтерге бөлінеді:
1) микроағзалардың биомассасының өзі қажет өнім болатын ферментация. Мұндай процестер қалыпты жағдайда «культивациялау», «өсіру» сөздерімен белгіленеді;
2) қажет өнім ретінде биомассаның өзі емес, метаболизм өнімдері – клеткадан тыс немесе клетка ішіндегі, мұндай процестер биосинтез процесі деп аталынады;
3) ферментация мəселесі бастапқы ортаның белгілі компоненттерінің жойылуы (утилизациясы) болып табылады, мұндай процестерге биототығу жəне биодеградациялар жатады.
Ферментация процесі жүретін негізгі фаза бойынша төмендегіше бөлінеді:
1) беттік (қатты фазалық) ферментация (агрегатты орталарда, бидайда культивациялау, сыр, жұжық өндірісі);
2) тереңдік (сұйық фазадалық) ферментация, онда микроағзалардың биомассасы ауа немесе басқа газдар урленетін сұйық қорек ортада суспендерленеді;
3) газофазалық ферментация, онда процесс микроағзалар бекітілетін қатты тасымалдауышта жүреді, бірақ тасымалдауыш бөлшектері қорек орта аэрозоліне байытылған газ ағынында ілініп жүреді.
Микроағзалардың өзінің классификациясына ұқсас оттегіне қатысты аэробты, анаэробты жəне факультативті-анаэробты ферментацияға бөлінеді.
Жарыққа қатысты – жарықтық (фототрофты) жəне қараңғы (хемотрофты) ферментацияға бөлінеді.
Ферментация процесіндегі негізгі ортаны немесе оның негізгі компонентін көбіне субстрат деп белгілейді.
Субстратпен ферменттер тұрақсыз аралық өнімді құрайды, бұл жағдайда фермент- субстрат кешені алынады да, ол кейін еркін фермент жəне реакция өніміне ыдырайды. Ферменттің субстратпен қосылуы каталитикалық орталықта жүреді. Ол ковалентті байланыс арқылы электрондардың қатысуымен, сутек байланысы немесе одан əлсіз байланыс арқылы жүре алады. Бұл жағдайларда субстрат молекуласында ішкі байланыстар əлсіреп осы қосылыстың өзгерісі болады. Жалпы түрде ферментативті процесті келесі теңдеумен көрсетуге болады: E + S = ES = EP = E+P,
мұнда E – ферменттер; S – субстрат; P — реакция өнімі.
Кез келген ферменттің белсенділік өлшем бірлігі ретінде оптимальды жағдайда(температура, рН мəні) 1мкмоль(1мкмоль=10-6) субстратты уақыттың өлшем бірлігінде(1мин. немесе 1с. ішінде) катализдей алатын мөлшері алынады.
Сурет 8. Фермент белсенділігінің субстрат концентрациясына тəуелділігі
Жоғарыда көрсетілген нұсқада катализ сатысы — фермент-субстрат кешенінің Е түзілуі, соңғы саты — өнімнің түзілуі Р. Бұндай реакцияның жылдамдығы Михаэлис-Ментен теңдеуімен жазылады:
V0 = Vmax [S]/Km + [S] мұндағы,
Vmax – реакцияның максималды жылдамдығы; S – субстрат концентрациясы; Km – Михаэлис тұрақтылығы. Сандық жағынан Km Михаэлис тұрақтылығы реакция жылдамдығының максимал мəнінің жартысындай болатын жағдайдағы субстрат концентрациясы. Оның өлшем бірлігі Моль.
Михаэлис-Ментен теңдеуімен анықталатын фермент белсенділігінің субстарт концентрациясына тəуелділігінің графигі гипербола түрінде болады. График көмегімен Km – Михаэлис тұрақтысын жəне Vmax – реакцияның максималды жылдамдығын анықтауға болады.
Ферменттердің қасиеттері. Ферменттердің барлық қасиеттері ақуыздікі сияқты. Дегенмен биокатализаторлар өзіне ғана тəн бір қатар қасиеттерге ие. Осы қасиеттерімен ферменттер ақуыздардан ерекшеленеді. Бұл ерекшеліктер: ферменттердің термолабильдігі (термолабильность), олардың əрекеттерінің ортаның рН көрсеткішіне тəуелділігі, активатор жəне ингибиторлардың əсеріне тəуелділігі.
1. Ферменттердің термолабильдігі былай түсіндіріледі: температура бір жағынан ферменттің ақуызды бөлігіне əсер етіп, денатурацияға əкеп соғады жəне каталитикалық қызметін төмендетеді. Ал, екінші жағынан фермент-субстрат кешенінің түзілу жылдамдығына əсер етеді, яғни осы реакцияны жылдамдатады. Ферменттің каталитикалық белсенділігінің температураға тəуелділік графигі төмендегі суретте көрсетілгендей қисық сызық:
Сурет 9. Фермент белсенділігінің температураға тəуелділігі
Бұл қисық сызықта температура 500С-дан жоғарылаған кезде фермент ақуызының
денатурациясы жоғарылайды, ферменттің белсенділігі төмендейді. Ферменттің каталитикалық белсенділігінің максимальды температурасын температуралық оптимум деп атайды. Ережеге сай жануартектес ферменттердің температуралық оптимумы 40-500C аралығында, ал өсімдіктектес ферменттердікі 50-600C шамасында.
2. Фермент максимальды белсенділігін көрсететін, яғни əрбір фермент үшін ортаның рН көсеткішінің оптимальды мəні немесе рН оптимумы бар. Көпшілік ферменттер нейтрал ортада максимальды белсенділік танытады. (10 сурет)
Сурет 10. Фермент белсенділігінің ортаның рН- көрсеткішіне тəуелділігі.
Қышқылдығы жəне сілтілігі өте жоғары ортада тек кейбір ферменттер ғана жақсы қызмет атқара алады. Н+ концентрациясының белсенді орталыққа əсері ферменттің каталитикалық белсенділігіне ықпалын тигізеді. рН көрсеткішінің əртүрлі мəнінде белсенді орталық азды-көпті дəрежеде иондалады, ферменттің ақуыздық бөлігінің көршілес полипептидтік тізбек үзінділерімен тасада қалады(экранирован). Сондай-ақ, ортаның рН көрсеткіші субстраттың, фермент-субстарт кешенінің, реакция өнімінің ионизациялану дəрежесіне əсер етеді.
3. Əртүрлі ферменттердің өзіне тəн қасиеттері(специфика) түрліше. Кейбір ферменттерге тек өзіне ғана тəн қасиеттері болады, мысалы тек бір ғана реакцияны жылдамдатады. Мысалы, уреаза ферменті бүйрек жəне бауырда мочевинаның гидролиз реакциясын жылдамдатады: Н2N-CO-NH2 + H2O → 2NH3 + CO2
Басқа ферменттер біртоп өзіне тəн ерекшеліктерге ие немесе кеңістіктегі бір изомерге əсер ететін стериохимиялық спецификаға т.с. ие. (мысалы, α-немесе β-метилглюкозид).
4. Ферменттер активаторлар мен ингибиторлардың əсеріне соқтығады. Ферменттердің белсенділігін жоғарылататын активаторлардың қатарына көптеген металл иондары жатады: (Mg2+, Mn2+, Zn2+, K+ ) жəне кейбір аниондар (Cl-). Кей жағдайларда металл иондары (Mg2+,
Zn2+ ) ферменттің простетикалық топ құрамына жатады, ал кейде фермент-субстрат кешенінің түзілуін жеңілдетеді. Ингибиторлар ферменттердің жылдамдығын тежейді.
Периодттық ферментацияның негізгі параметрлері. Ұйымдасу тəсіліне қарай ферментация процесі мынадай болады: периодтық, үздіксіз, көпциклді, алмалы-салмалы- құймалы, периодтық субстрат сорғышымен(периодические с подпиткой субстрата), жартылай үздіксіз субстрат сорғышымен(полунепреривные с подпиткой субстрата).
Ферментацияның барлық түрлерін шикізатты қабылдау жəне өнімді босату тəсіліне қарай теңестіруге (идентифицировать) болады.
Периодтық процестерде аппаратқа шикізат жəне егіс материалының қабылдануы біруақытта, яғни қатар жүреді, кейін аппаратта белгілі бір уақыт ішінде процесс жүреді.
Процесс аяқталғаннан кейін алынған ферментациялық сұйықтық аппараттан сыртқа шығарылады.
Үздіксіз процестерде ортаның қабылдануы жəне бөліп шығарылуы үздіксіз жəне біруақытта өтеді, сондай-ақ аппаратқа жаңа қоректік заттың түсу жылдамдығы мен аппараттан бөлініп шығатын ферментациялық сұйықтың бөліну жылдамдықтары бірдей.
Нəтижесінде аппараттағы ортаның көлемі ұзақ уақыт бойы тұрақты сақталып қалады.
Көпциклді процесс негізінен периодтыққа ұқсайды, бірақ аппараттан шығарыларда ферментациялық сұйықтың бір бөлігі қалып қояды жəне келесі ферментацияға егістік(посевной) материал ретінде қызмет атқарады, содан кейін ғана жаңа қоректік зат түседі. Бұл егістік материалды дайындауда арнайы сатыны ұйымдастырмай-ақ процесстің өтуіне септігін тигізеді.
Алмалы-құймалы процесінде (отъемно-доливной) фертментация бастапқыда периодтық түрде жүреді, кейін белгілі уақыт өткеннен кейін ферментациялық сұйықтың бір бөлігі аппараттан бөлініп шығып, жаңасымен толықтырылады. Көпциклді процесспен салыстырғанда алып қалынатын сұйықтың мөлшері аз, есесіне саралау аралығы қысқа жəне саралау саны көп.
Субстраттық сіңіргіші бар периодтық процессте ортаның бір бөлігі ферментацияның басында қабылданып, ал қалған бөлігі процесс барысында қажеттілігіне қарай үздіксіз қабылданады. Аппараттың шектен тыс толып кетуі процестің табиғи аяқталуы болып есептеледі, ары қарай міндетті түрде периодтық процеске ауысуына тура келеді. Субстраттық сіңіргіші бар үздіксіз процесте аппараттағы ферментациялық сұйықтық белгілі бір күйге жеткенде сараланады, кейін аппарат субстартпен ақырындап қайта толықтырылады.
Аппаратқа қорек ортаны құйған соң, қажетті температураны келтірген соң, егілетін материал қосып, аэрация үшін ауа жіберген соң ферментация процесі басталады. Мəдени өсімдіктердің өсуі мен көбеюін түрлі тəсілдермен анықтауға болады:
1) өсімдік сұйығын центрифугирлеу немесе мембраналық фильтр арқылы сүзіп пайда болған пастаны тұрақты массаға дейін кептіру арқылы;
2) жасушалар саны мен мөлшеріне пропорционал болатын нефелометриялық, клетка суспензиясының жарық жұтуын өлшеу арқылы;
3) қорек ортаның белгілі көлемінен алынған биомассадағы азот мөлшерін анықтау арқылы;
4) қандай да бір заттың (газ, қышқыл, ж.т.б.) интенсивті бөліну арқылы.
Микроағзалардың дамуында бірнеше фаза байқалады. Ферментация басында микроағзалар жаңа ортаға бейімделеді. Олардың концентрациясы өзгермейді. Бұл кезең лаг- фаза деп аталады. (1). Содан соң өсу – үдеу фазасы басталады (2). Үшінші фаза – жоғарғы интенсивті өсу фазасы. (3). Бұл экспоненциалды өсу фазасы. Содан кейін өсу жылдамдығының өсуі азаяды – бұл өсудің баяулатылу фазасы (4). Максималды мөлшерге жеткен соң биомасса концентрациясы ары қарай өсуін тоқтатады (5). Бұл фазада – стационар ортада қорек заттар таусыла бастайды да, өсуді тежейтін айырбас өнімдері жинақталады. Биомассаның өсуімен қатар клеткалар бөлігінің өлуі жүреді (автолиз), мұнда жалпы концентрация тұрақты болады. Соңында өлуі фазасында автолиз өсуден жоғарлайды да микроағзалардың концентрациясы төмендейді (6). Бұның графигін – қисық сызықты былайша көрсетуге болады (11 сурет)
Сурет 11. Ферментация фазаларын анықтау
Өсу жылдамдығын суреттеу үшін жалпы өсу жылдамдығы Qx сипатты шама пайдаланылады:
Qx = dX/dt
Қалыпты жағдайда өсу интенсивтілігін сипаттау үшін Qx мөлшері емес, биомасса бірлігіне есептелген меншікті өсу жылдамдығы µ пайдаланылады (биомассаның өсуі клетка концентрациясына пропорционал): µ = Qx/X = dX/Xdt
Экспотенциалды фазада, өсу еш кедергімен шектелмеген жағдайда, µ тұрақты болады да биомасса өсуі келесі формуламен суреттеледі dX/dt = µx
µ мөлшерінің өлшемі — (с -1) немесе (мин-1), микробиологиялық процестер жылдам
жүрмегендіктен бірінші жағдай жақсы. Өсудің меншікті жылдамдылығы микроағзалардың түріне байланысты əр түрлі болады.Көп бактериялар үшін ол көп шамада болады да 0,5 – 1,0 с-1 ге дейін жетеді. Саңырауқұлақ жəне актиномицет үшін өсу жылдамдығы 0,1-1 с-1-ден аспайда, ал микро су өсімдіктері жəне өсімдік жəне жануар клеткалары үшін 0,01с-1 деңгейінде болады.
Енді, ферментация процесінің екінші параметрі – субстрат концентрациясын S қарастырайық. Субстрат қолтанылатындықтан уақыттың өтуімен концентрациясы төмендейді, ақырында микроағзалардың жасушаларының əрі қарай өсуі тоқтайды.
Биомасса жылдамдығына сай кинетикалық сипатты шаманы енгізуге болады:
субстрат қолданылуының жалпы жылдамдығы Qs:.
Qs = -dS/dt
(-) белгісі ортадағы субстрат концентрациясы төмендегенде қолданылу жылдамдығы оң екенін көрсетеді. Сəйкесінше, субстрат қолданылуының өзіндік (удельная) жылдамдығы qs тең: qs= Qs / X=-1/xdS/dt
Негізгі əдебиеттер:1 [5-9,27],2,5 Қосымша əдебиеттер: 9,10,11 [15-20]