Фермент иммобилизациясы туралы негізгі түсінік. Фермент иммобилизациясының əдістері. Иммобилизацияланған ферменттерден иммобилизацияланған жасушаларға.
Фермент иммобилизациясы туралы негізгі түсінік. Биокаталитикалық процестер мен химиялық процестердің артықшылықтары мен кемшіліктерін салыстырып қарайық:
Артықшылықтары: 1. ферменттердің каталитикалық белсенділігі жоғары специфика- ға ие, тек ғана бір типтегі реакциямен шектеледі жəне қосалқы реакциялар жүрмейді; 2. ферменттер негізгі молекулаға бірден шабуылдай алады жəне оны көпсатылы химиялық синтезді қажет етпестен өзгерістерге ұшырата алады. 3. заттардың химиялық өзгерістерге түсуі көпсатыда емес, бір не екі сатыда ғана өтетіндей етіп жеңілдетіледі; 4. ферментативтік реакциялар қолайлы жағдайларда жоғары жылдамдықта өтеді.
Кемшіліктері: 1) Таза өнімді алу үшін таза фермент қажет, ал оның бөлінуі қымбатқа түседі; 2) реактордан бөлініп шыққан өнімде фермент сақталады жəне ары қарайда əсерін жоғалтпайды; 3) қымбат бағалы фермент бір рет ғана қолдануға жарамды; 4) Бос күйіндегі фермент жылдам белсенділін жоғалтады. 5) ферментті үздіксіз процессте үнемі енгізіп отыру қажет, себебі ол реакция өнімімен жуылып кетеді.
Айтылған кемшіліктерді болдырмау үшін ферменттердің аппаратта ұсталып тұру əдісін жəне реакция аяқталғанан кейін реакциялық сұйықтан оның жеңіл бөліну əдісін ойлап табу қажет. 1950 жылдардың ортасында «ерімейтін» немесе «матрицаға бекітілген» ферменттерді жасау туралы пікір туды, кейінірек бұндай ферменттерді иммобилизацияланған деп атады.
Иммобилизация – бұл ферментті қандайда бір ерімейтін тұтынушыға (носитель) бекіту. Фермент ерітіндімен субстрат жəне өнімнің молекулаларымен алмаса алады. Бұл əдіске жоғары баға беруге болады. Біріншіден, мұндай иммобилизацияланған ферментті бөліп алуға жəне бірнеше рет қолдану мүмкідігі бар. Екіншіден, мұндай фермент ұзақ уақыт бойына белсенділігін жоғалтпайды.
Фермент иммобилизациясының əдістері. Ферментті тұтынушыға (носитель) бекітудің бірнеше əдістері бар:
1. Тұтынушыдағы адсорбция – тұтынушы ретінде неорганикалық материалдар (шыны, силикагель, бентонит, аллюминий оксиді, титан диоксиді т.б.), табиғи полимерлер (целлюлоза, коллаген), синтетикалық полимер (нейлон, полиэтилен, полипропилен) қолданылады. Биокатализатор жəне тұтынушы арасындағы байланыстың мехенизмі жəне беріктігі əртүрлі, жай химиялық ковалентті байланыстан физикалық адсорбцияға дейін. 2. Агар-агар, альгинат, карагинан геліне қосылу. Фермент молекулалары гельдің тесіктеріне (пора) кіріп алады. Субстрат жəне реакция өнімінің молекулаларымолекулалық диффузия арқасында гельге енеді.
3. Бифункциональдық реагенттердің көмегімен фермент молекулаларының көлденең «тігісі»(«сшивка»). Ерітіндіде фермент молекулалары еркін орналасады, белгілі бір реагенттердің көмегімен өзара əртүрлі бөліктерімен байланысады. Белсенді фермент молекулалары бар кеңістіктік қоспа пайда болады, субстрат жəне реакция өнімі молекулаларының диффузиясы үшін ыңғайлы кеңістік туады.
4. Жартылайөткізгіш капсулаларға қосылу.Капсула ішінде ферменттің коллоидтық ерітіндісі болады. Капсуланың сыртқы қабығы айтарлықтай мықты, ферментті өткізбейді, бірақ өнім мен субстратты өткізеді.
5. Фермент сополимеризациясы жəне полимер-тұтынушы. Гельге енгізуді елестетеді, бірақ матрица полифункциональды реагент жəне фермент сополимеризациясы жолымен түзіледі. (фермент геьдің «жасушасында» ғана орналасып қоймай, сондай-ақ онымен байланысқан).
6. Физикалық араласу – фермент пен тұтынушы ұнтақтың араласуы. Əдіс сондай қарапайым, бірақ соншалықты сенімді емес. Фермент тұтынушыдан бөлініп қалуы жəне ерітіндіге ауысып кетуі ықтимал.
Иммобилизация əдістеріне баға бергенде алынатын биокатализатордың үш сипаты есепке алынады: 1) иммобилизация кезінде белсенділігінің жоғалуы. Мойындау керек иммобилизация – бұл ферментке зорлық көрсету. Бұл əсіресе иммобилизация процесін химиялық реагенттерді пайдаланып жүргізгенде, ферменттер үшін рН көрсеткіші мен температура шектен тыс ауытқығанда байқалады. Сондықтан иммобилизациядан кейін ферменттің белсенділігі бастапқымен салыстырғанда төмендейді. 2) биокатализатордың тұрақтылығы. Бұл фермент молекулаларының деградацияға қарсы туру қабілеті. 3) биокатализаторлардың белсенділігі. Бастапқы фермент қаншалықты белсенді болғандығына тəуелді. Ферментті биокатализаторға қаншалықты мол жəне жақсы «енгізуге» мүмкіндік болды.
Биокатализаторлардың сапалық бағасы əртүрлі қарама-қайшылықта болады. Экономикалық негізі жағынан салыстырып таңдауға тура келеді: биокатализатор қанша өнім береді жəне өнімділігі жəне құны қанша болады. Иммобилизацияланған ферменттерден иммобилизацияланған жасушаларға.
Иммобилизацияланған ферменттердің еркін ферменттермен салыстырғанда бір маңызды ерекшелігі бар – тіпті өте таза заттың өзін алу үшінде аса тазаланбаған ферментті қолдануғада болады, егер ол гель, қандайда бір полимер немесе капсула матрицасына бекітілген болса. Дегенмен «кіршік» алынатын өнімге түспейді. Бəрінен бұрын тазаланбаған фермент кейде иммобилизациядан кейін тұрақтырақ болады.
Ферменттер жасушаішілік болса, т.с. онда мəденилендіру кезінде ортаға шықпайды, сондықтан иммобилизация кезінде ферментативтік белсенділігі жоғары жасушалардың өзін қолданған дұрыс. Ол дезинтеграциядан кейінгі жасуша қабығы не болмаса тіршілігін тоқтатқан, бірақ ферменттік белсенділікке ие жасушаның өзі болуы мүмкін. Ондай жасушаларды «мумия» депте атайды. Оларды ары қарай гель немесе полимердің «сакофагына» орналастырғаннан кейін бұзылуы баяулайды, ал фермент өзін «өз үйіндегідей» сезінеді жəне табиғатында солайда. Себебі бөлініп алынған кезде табиғи байланысынан жасуша органеллаларымен бірге үзіп алынады. 3-6 айға дейін тұрақты жұмыс атқара алады.
Бұған арнайы ферменттің – пенициллинамидазалар (табиғи пеницеллинді 6- аминопеницеллин қышқылына (6-АПК) дейін ажыратады, ампициллин, оксациллин, дикло оксациллин өндірісінің негізі болып табылады) көмегімен полисинтетикалық пеницеллин алу мысал бола алады. «Мумия» түріндегі иммобилизацияланған жасуша арзан 6-АПК алуға мүмкіндік туғызды.
Көптеген биотрансформация процестері тірі клеткаларда іске асады, өйткені фермент кофермент қатысымен əсер етеді жəне өзінің үнемі регенерациясы үшін жасушаның тірі болғаны қажет. Жасушаның тіршілігін сақтап қалу, əсіресе оттегіні енгізіп, көмірқышқыл газын шығару қиынға соғады. Дегенмен ұзақ уақыт бойы жасушаның тіршілік қалпын сақтап тұратын жəне үздіксіз биотрансформация процесін жүргізетін иммобилизация əдістері ойлап табылды.