•введение фермента а двухфазную реакционную среду, в которой он растворим, но может находиться только в одной из фаз.
Как и всякая другая классификация, приведенная ниже, является в значительной степени условной, так как не всегда существует возможность проведения четкой границы между различными способами иммобилизации.
Адсорбционная иммобилизация является наиболее старым из всех существующих в настоящее время способов иммобилизации ферментов. Носителями при данном способе иммобилизации могут быть как органические, так и неорганические вещества, которые применяются а виде порошка, мелких гранул или шариков. Иммобилизация ферментов путем адсорбции на нерастворимых носителях отличается исключительной простотой и достигается путем обеспечения контакта водного раствора фермента с избранным для конкретной цели носителем. После отмывки неадсорбированного фермента препарат готов к применению.
На процесс адсорбции и прочность связывания фермента с носителем оказывают определенное влияние различные факторы внешней среды, основными из которых являются: удельная поверхность и пористость носителя, значения рН среды, ионная сила раствора фермента, его концентрация, а также температура проведения адсорбции. Иными словами, эффективность иммобилизации ферментов определяется сбалансированностью ряда факторов и нарушение этого баланса может привести к резкому ослаблению взаимодействия фермента с носителем. Для исключения подобной ситуации, на практике используется набор методических приемов, способствующих повышению эффективности процесса и, следовательно, получению более качественных препаратов.
Иммобилизация путем включения в гели состоит в том, что молекулы фермента включаются в трехмерную сетку, образованную тесно переплетающимися нитями (цепями), формирующими гель. Пространство между полимерными цепями в геле заполнено водой, на долю которой приходится обычно значительная часть общего объема геля. Для иммобилизации фермента в геле существует два основных способа:
•при одном из них фермент вводится в водный раствор мономера, а затем уже проводят полимеризацию, в результате которой формируется гель с включенными в него молекулами фермента,
•второй способ состоит в том, что фермент вносится в раствор уже готового полимера, который затем каким-либо образом переводят в требуемое состояние, гелеобразное состояние.
86
Иммобилизация путем включения в полупроницаемые мембраны – состоит в том, что водный раствор фермента отделяется от водного раствора субстрата полупроницаемой мембраной, способной легко пропускать небольшие молекулы субстрата, задерживая крупные молекулы фермента. Существующие модификации этого метода различаются лишь способами получения полупроницаемых мембран и их природой.
К этим модификациям относятся: микрокапсулирование в замкнутых сферических пузырьках, имеющих тонкую полимерную стенку (мембрану).
Метод двойного эмульгирования, в соответствии с которым приготовленная заранее эмульсия водного раствора фермента в органическом растворе полимера вновь диспергируется в воде. После затвердевания органического раствора образуются полимерные сферические частицы с иммобилизованными в них молекулами фермента.
Способ включения в волокна отличается от метода микрокапсулирования главным образом формой получаемых препаратов. Если при микрокапсулировании образуются сферические микрокапсулы, то при этом способе формируются нити. Для иммобилизации ферментов можно использовать также выпускаемые промышленностью полимерные полые волокна, изготавливаемые из природных или синтетических материалов. Для проведения ферментативной реакции волокна, по которым циркулирует раствор фермента, погружаются в сосуд с раствором субстрата, диффундирующим через мембрану внутрь волокна.
В медицинских целях и некоторых фундаментальных исследованиях достаточно широко используется метод иммобилизации ферментов путем их включения в липосомы, поскольку такие системы близки природным мембранам и могут дать весьма ценную информацию о ферментативных процессах, протекающих в клетках. Существует несколько модификаций данного способа, самой последней из которых является иммобилизация путем включения в полимерные липосомы. Полимерные липосомы характеризуются более высокой стабильностью по сравнению с обычными.
Основным недостатком всех мембранных систем, применяемых для иммобилизации ферментов, является невозможность ферментативного превращения высокомолекулярных субстратов, для которых мембраны представляют собой непреодолимые барьеры.
Иммобилизация ферментов с использованием систем двухфазного типа сводится к тому, что ограничение свободы перемещения фермента в
87
системе достигается не вследствие его фиксирования на жестком носителе, а в результате его способности растворяться только в одной из фаз двухфазной системы.
Химические методы иммобилизации ферментов
Главным отличительным признаком химических методов иммобилизации является то, что вследствие химических взаимодействий в молекуле фермента возникают новые ковалентные связи, в частности между ним и носителем. Препараты иммобилизованных ферментов, получаемые с использованием химических методов, обладают, по крайней мере, двумя существенными достоинствами. Во-первых, формирующаяся ковалентная связь между ферментом и носителем обеспечивает высокую прочность образующих конъюгатов. Во-вторых, химическая модификация ферментов способна приводить к существенным изменениям их свойств (субстратной специфичности, каталитической активности и стабильности).
Существует большое число химических реакций, используемых для ковалентного связывания ферментов с неорганическими носителями (такими, как керамика, стекло, железо, цирконий и титан) или природными полимерами (такими, как сефароза и целлюлоза), а также синтетическими полимерными веществами (нейлон, полиакриламид и другие виниловые полимеры или сополимеры, обладающие реакционноспособными группами).
Во многих из этих процедур ковалентное связывание ферментов с носителем является не специфичным, т. е. ассоциирование фермента с носителем осуществляется за счет химически активных группировок фермента, распределенных по его молекуле случайным образом. Основным является создание техники конъюгирования, при которой ферменты связывались бы с носителем достаточно эффективно, но без снижения их каталитической активности. Короче говоря, химическая иммобилизация ферментов в целом является своеобразным искусством, уровень которого определяется качествами экспериментатора.
Для получения иммобилизованных ферментов используют большое количество различных как органических, так и неорганических носителей. Основные требования, предъявляемые к материалам, которые могут служить для иммобилизации ферментов, следующие:
•высокая химическая и биологическая стойкость;
•высокая механическая прочность;
88
•достаточная проницаемость для фермента и субстратов, большая удельная поверхность, высокая пористость;
•возможность получения трубок, листов и т.п.;
•легкая активация (переведение в реакционноспособную форму);
•высокая гидрофильность, позволяющая проводить реакции связывания с ферментом в водной среде;
•невысокая стоимость.
Отсутствие в природе универсальных носителей, обладающих сразу всеми перечисленными свойствами, обусловливает широкий набор применяемых для иммобилизации ферментов материалов.
Органические полимерные носители
Используемые в настоящее время органические носители можно разделить на два класса: 1 – природные полимеры, 2 – синтетические полимерные носители. Первые, в свою очередь, подразделяются на группы в соответствии с их биохимической классификацией: полисахаридные, белковые и липидные носители. Синтетические полимеры также могут быть подразделены на несколько групп: полиметиленовые, полиамидные и полиэфирные носители.
Помимо вышеупоминавшихся требований, к рассматриваемым носителям предъявляются дополнительные, обусловленные методом иммобилизации, свойствами иммобилизуемого фермента, а также способом дальнейшего использования получаемого препарата:
•при ковалентном иммобилизации носитель должен связываться только с теми функциональными группами на молекуле фермента, которые не являются ответственными за катализ;
•носители не должны оказывать ингибирующего действия на фермент.
Применение природных полимеров в качестве носителей аргументируется их доступностью и наличием свободных функциональных групп, легко вступающих в разнообразные химические реакции, а также их высокой гидрофильностью. К недостаткам следует отнести неустойчивость к воздействию некоторых микроорганизмов и относительно высокую стоимость многих из них.
Полисахариды
Наиболее часто для иммобилизации ферментов используют целлюлозу, декстран, агарозу и их производные. Целлюлоза отличается высокой степенью гидрофильности и наличием большого числа
89
гидроксильных групп, что обусловливает ее легкое модифицирование путем введения различных заместителей. Для увеличения механической прочности целлюлозу гранулируют, что делает ее относительно дешевым и удобным для иммобилизации различных ферментов носителем. Гранулированная целлюлоза легко превращается в различные ионообменные производные. Однако она неустойчива к действию сильных кислот, щелочей и некоторых окислителей, что ограничивает области ее применения.
Хитин – природный аминополисахарид, напоминающий некоторым образом целлюлозу и является компонентом наружного скелета ракообразных, насекомых, а также входит в состав оболочек некоторых грибов. Являясь отходом промышленной переработки креветок и крабов, данное соединение имеется в достаточно больших количествах при относительно низкой стоимости. Хитин обладает пористой структурой, не растворяется в воде, разбавленных кислотах и щелочах, а также в органических растворителях. Путем обработки щелочами хитин превращается в хитозан, который в качестве носителя дает хорошие результаты, поскольку препараты иммобилизованных ферментов, приготовленные с помощью хитозана, обладают высокой каталитической активностью и устойчивы к микробному воздействию.
Декстран – разветвленный полисахарид бактериального происхождения, содержащий остатки глюкозы. Приготовленные на его основе гели выпускаются различными зарубежными фирмами и широко используются в различного рода работах, Некоторые из них известны под названием "сефадекс" (Швеция) и "молселект" (Венгрия).
Гели, приготовленные на основе декстрана, отличаются высокой стойкостью по отношению к различным химическим веществам, что делает их весьма широко используемыми в различного рода исследованиях и на производстве. К группе декстранов может быть отнесен и крахмал, представляющий собой смесь полисахаридов, основным компонентом которой является амилоза и амилопектин. Посредством определенных химических обработок из крахмала получен новый носитель – губчатый крахмал, обладающий повышенной устойчивостью к ферментам, гидролизующим полисахариды.
Агароза – широко используется в качестве носителя для иммобилизации ферментов, однако стоимость ее довольно высока, что заставляет разрабатывать различные ее модификации с целью получения легко регенерируемых форм, которые в результате этого могли бы использоваться повторно. Гели, приготавливаемые на основе агарозы,
90