разованиям.

Это возможно лишь потому, что в клеточном содержимом ферменты распределены не хаотически, а строго упорядоченно. С современной точки зрения клетка представляется высокоорганизованной системой (см. рис. 3), в отдельных частях которой осуществляются строго определенные биохимические процессы. В соответствии с приуроченностью их к определенным субклеточным частицам или отсекам (компартментам) клетки в них локализованы те или иные индивидуальные ферменты, мультиэнзимные комплексы, полифункциональные ферменты или сложнейшие метаболоны.

Приведем несколько характерных примеров. Разнообразные гидролазы и лиазы сосредоточены преимущественно в лизосомах. Внутри этих сравнительно небольших (несколько нанометров в диаметре) пузырьков, отграниченных мембраной от гиалоплазмы клетки, протекают процессы деструкции различных органических соединений до тех простейших структурных единиц, из которых они

138

построены. Сложные ансамбли окислительно-восстановительных ферментов, такие, например, как цитохромная система, находятся в митохондриях. В этих же субклеточных частицах локализован набор ферментов цикла дикарбоновых и трикарбоновых кислот (см. гл. VIII). Ферменты активирования аминокислот распределены в гиалоплазме, но они же есть и в ядре. В гиалоплазме присутствуют многочисленные метаболоны гликолиза, структурно объединенные с таковыми пентозофосфатного цикла, что обеспечивает взаимопереключение дихотомического и апотомического путей распада углеводов (см. гл. VIII). В то же время х ферменты, ускоряющие перенос аминокислотных остатков на растущий конец полипептидной цепи и катализирующие некоторые другие реакции в процессе биосинтеза белка, сосредоточены в рибосомальном аппарате клетки. Нуклеоти-дилтрансферазы, ускоряющие реакцию переноса нуклеотидных остатков при новообразовании нуклеиновых кислот, локализованы в основном в ядерном аппарате клетки. Таким образом, системы ферментов, сосредоточенные в тех или иных структурах, участвуют в осуществлении отдельных циклов реакций. Будучи тонко координированы друг с другом, эти отдельные циклы реакций обеспечивают жизнедеятельность клеток, органов, тканей и организма в целом.

ПРИМЕНЕНИЕ ФЕРМЕНТОВ

Ферменты способны осуществлять свою каталитическую функцию и вне клетки, вне организма. Хотя, находясь с составе соответствующих структур, ферменты обладают огромной мощностью действия, тем не менее, будучи выделены из биологических объектов, они сохраняют свою каталитическую активность. Естественно, что ряд ферментных препаратов используют в практике.

Практическое применение ферментов в народном хозяйстве нашей страны расширяется с каждым годом. В хлебопекарной промышленности применяют ферментные препараты (содержат амилазу и протеиназу), выделяемые из грибов, относящихся к роду Aspergillus. Будучи добавлены в количестве 20—25 г на 1 т муки, они улучшают качество и аромат хлеба, ускоряют созревание теста на 30%, сокращают расход сахара на производство высших сортов булочных изделий вдвое, увеличивают пористость мякиша и объем хлеба на 20%.

В пивоварении н спиртовой промышленности применяют амилазы—ферменты, ускоряющие реакцию осахаривания крахмала. Их производство приняло у нас промышленный характер. Экономический эффект применения амилаз весьма значителен. Так, в пивоварении использование ферментных препаратов позволяет экономить 165 г ячменя при производстве каждого декалитра пива. Применение амилазы при производстве спирта дает возможность полностью отказаться от зернового солода и одновременно увеличить выход спирта из сырья на 1,5% при снижении себестоимости декалитра спирта. Широкие перспективы сулит использование ферментов в виноделии. Пектинолитические ферменты повышают выход соков из плодов и ягод на 15—20%, виноматериа-лов—на 5—7%; они также необходимы для осветления фруктовых соков. Каталаза и глюкозооксидаза длительно сохраняют букет розовых и белых вин.

В кожевенном н меховом производстве для ускорения снятия волоса со шкур и размягчения кожевенного сырья применяют препараты протеиназ (протелин и протофрадин), являющихся внеклеточными протеиназами стрептомицетов. При этом время на осуществление необходимых процессов сокращается в несколько раз, сортность и качество шерсти и кож повышается, а условия труда в этой отрасли производства резко улучшаются. В текстильной промышленности процесс расшлихтовки тканей ферментными препаратами грибного и бактериального происхождения ускоряется в 7—10 раз; эти же препараты

139

служат для удаления серицина при размотке коконов тутового шелкопряда в производстве натурального шелка. В кулинарии применение пептидгидролаз (протелин и проназа) для обработки мяса перед его приготовлением резко улучшает качество мясных блюд. В мясной промышленности протеолитические ферменты применяют для ускорения созревания мяса и повышения выхода мяса 1-го сорта с 15 до 40%. В молочной промышленности использование протеаз ускоряет созревание сыров вдвое и снижает их себестоимость на 10%. Подсчеты показывают, что если полностью обеспечить кожевенную, пищевую и текстильную промышленность ферментными препаратами (их потребуется несколько тысяч тонн в год), то за счет этого можно получить значительную экономию.

Ферменты применяют и в бытовой химии. Протеазы растительного происхождения, выдерживающие нагревание до 90° С без заметной потери активности, являются компонентами стиральных порошков и моющих средств. В стиральные порошки вводят также а-амилазу, глюкозооксидазу и литюк-сигеназу, а уратоксидаза в составе моющих средств способствует удалению винных и жирных пятен с одежды. Глюкозооксидазу, каталазу и некоторые другие ферменты добавляют в зубную пасту—они обеспечивают их антимикробные свойства и предохранение зубов от кариеса.

Крупномасштабным является производство глюкозы из отходов целлюлозы при посредстве целлолитического комплекса ферментов и из крахмала при помощи глюкоамилазы. Обработка дигестазой (комплекс протеолитических ферментов, выделяемый из печени крабов) повышает на 3,0% выход товарного продукта при обработке икры, извлеченной из рыб.

Ферменты находят большое применение в медицине. Пепсин, трипсин, химотрипсин, липазу и амилазу в виде ферментных препаратов и их смесей (бетацид, абомин, фестал, панзинорм и др.) применяют для лечения заболеваний желудочно-кишечного тракта. Гиалуронидазу (у нас выпускают два ее препарата, выделяемых из семенников быка,—лидазу и ронидазу), деполимери-' зующую гиалуроновую кислоту и способствующую проникновению лекарственных средств в пораженную ткань—для лечения заболеваний суставов, отеков, ран, кровоподтеков и т. п. Протеолитические ферменты—плазмин (фибриноли-зин) и активирующие его стрептокиназу и урокиназу—для растворения тромбов в кровеносных сосудах. Дезоксирибонуклеазу из поджелудочной железы или стрептококка (стрептодорназа)—для лечения заболеваний верхних дыхательных путей и роговицы глаза, а также для удаления гноя из ран. Аспарагиназу, обеспечивающую дезамидирование аспарагина, незаменимого для роста ряда опухолей,—при лечении некоторых видов рака. Лизоцим—для лечения конъюнктивитов, цитохром—для устранения явлений кислородного голодания при заболеваниях сердца, коллагеназу—для рассасывания рубцовых образований, эластазу—для задержки развития атеросклероза, R-галактозидазу—для снятия явления непереносимости молочных продуктов из-за недостаточности этого фермента в пищеварительном тракте ряда людей, галактокиназу—для выведения галактозы из тканей при ее патологическом накоплении в них, L-фенилала-нин-аммиак-лиазу—для понижения содержания в крови фенилаланина при нарушениях его обмена, лизоамидазу—для лечения заболеваний, вызванных патогенными микроорганизмами (стафилококки, стрептококки и др.).

Специфическую область применения ферментов в медицине составляет энзимодиагностика: заболевание того или иного органа у человека может быть тестировано по уровню содержания фермента или соотношению его множественных форм (в том числе изозимов) в крови или реже в моче. Так, лактатдеги-дрогеназа (ЛДГ), аспартатаминотрансфераза (АсАТ), креатинкиназа, изоцит-ратдегидрогеназа и фруктозо-1,6-дифосфат-альдолаза служат для диагноза инфаркта миокарда; ЛДГ, АсАТ и аланинаминотрансфераза—заболевания

140

»

печени, у-глутамилтрансфераза—отторжения органов при их пересадке, щелочная фосфатаза— заболевания желтухой, кислая фосфатаза—нарушения функции предстательной железы и т. д.

Особенно широко в последние годы процессы ферментации применяют в химической промышленности. Использование ферментов для производства тех или иных химических продуктов стало массовым явлением. Для этого в большинстве случаев применяют иммобилизованные ферменты, т. е. ферменты, закрепленные на носителе, но сохранившие каталитическую активность, что позволяет использовать их повторно или непрерывно.

Еще в 1916 г. Дж. Нельсон и Е. 1риффин показали, что ферменты в водонерастворимой форме сохраняют каталитическую активность, однако первая попытка получить иммобилизованные ферменты с целью их практического применения была предпринята только в 1953 г. Н. 1рубхофером и Л. Шлейтом, закрепившими на диазотирован-ном полиаминополистироле амилазу, пепсин, рибонуклеазу и карбоксипептида-зу. В течение последующих 12 лет исследования в этой области были единичными и только начиная с 1965 г. приобрели широкий, а с 1971 г., после проведения первой конференции по инженерной энзимологии, массовый характер (рис. 57).

Для промышленных целей иммобилизуют ферменты в основном микробного происхождения ввиду их доступности, дешевизны (они в 100 раз дешевле, чем ферменты животного и растительного происхождения), независимости массового производства от сезона вегетации растений или сроков выращивания животных, короткого периода накопления бактериальной массы для выделения ферментов. Важно, что иммобилизация, как правило, сопровождается повышением в тысячи и десятки тысяч раз стабильности ферментов, что создает условия для их использования в качестве гетерогенных катализаторов. Кроме того, механическое изменение матрицы, на которой закреплен фермент, открывает возможность варьировать его активность и понять принцип работы природных механохимических систем.

Сейчас все более отчетливо вырисовывается огромное значение иммобилизации'ферментов для осуществления процессов жизнедеятельности, ибо значительная часть их в клетке иммобилизована сепаратно или в составе ансамблей в липидном матриксе биологических мембран (например, аденилатциклаза, см. гл. XII, ансамбли оксидоредуктаз, см. гл. X, и многие другие ферменты).

Для иммобилизации ферментов используют захват их полиакриламидным гелем и иными полимерами при полимеризации составляющих их мономеров, а также захват гелями, возникающими при желатинизации природных полимеров, например полисахаридов морских водорослей; присоединение ферментов к целлюлозе, сефарозе, сефадексу, крахмалу, декстрану, агарозе и другим полисахаридам, активированным цианбромидом и другими агентами; привязку ферментов к стеклянным бусинкам через диазосоединение; ковалентное связывание фермента с азидными и гидразидными группами сополимера акриламида и акрилгидразина (энзакрила) и других носителей; соединение фермента с гидратированными оксидами металлов, производными поливинилового спирта, альдегидными и диазогруппами модифицированных фенольных полимеров, силикагелями и многими другими материалами.

1955 Ш Г365 WO

Рис. 57. Развитие работ по инженерной энзимологии:

светлыми кружками и тонкой цветной линией обозначен ход кривой, отражающей ежегодные публикации по изучению иммобилизованных ферментов, темными н толстой цветной линией—число получаемых ежегодно патентов

141

Водонерастдоримый носитель

А Б В Г

Рис. 58. Способы перевода фермента в иммобилизованное состояние:

А—присоединение к носителю; Б—'Образование перекрестных связей между ферментом и носителем; В—включение в решетчатую структуру полимерного носителя; Г—микрокапсулирование

Представляет интерес иммобилизация ферментов на мембранах аппаратов для ультрафильтрации. Соответствующие способы перевода ферментов в иммобилизованное состояние показаны на рис. S8.

Почти из 2000 известных в настоящее время ферментов иммобилизовано и используется для целей инженерной энзимологии примерно десятая часть (преимущественно оксидоредуктазы, гидролазы и трансферазы). Оптимальным методом иммобилизации считают включение ферментов в полимерные гели, массовым способом является адсорбционное и ковалентное присоединение ферментов к носителям, более или менее распространено включение в мембраны и микрокапсулирование, единичными остаются другие приемы.

Для осуществления химических процессов с помощью иммобилизованных ферментов применяют колоночные, трубчатые, пластинчатые, двухфазные и танкерные реакторы разного объема и производительности. Вероятно, первым реактором, где иммобилизованный фермент использовали в промышленном масштабе, был реактор для разделения рацемических смесей D- и L-амино-кислот.

Он был введен в эксплуатацию в Японии (1969) на аминоацилазе, иммобилизованной на ДЕАЕ-сефадексе:

Амияоацилаза

2R—СН—СООН+Н20-> R—CH—COOH+R—CH—COOH+R'OH

| (гидролиз |

NH-CO-R' ™»слТ NH* NH-CO-R'

L-ряда)

Ацил D, L-аминокислоты L-амвнокислота Ацил D-аминокислоты

t_I

Рацемизация

Одновременно или даже немного раньше началось промышленное получение инвертного сахара (смесь глюкозы и фруктозы, возникающая в результате гидролиза сахарозы) с помощью иммобилизованной Р-фруктофуранозидазы (сахараза или инвертаза), получившее сейчас широкое распространение. Иммобилизованная инвертаза очень устойчива и за десять лет непрерывной работы одного из реакторов ее активность упала всего на 10%.

Не меньшее промышленное значение имеет и другой процесс, приводящий к получению эквимолярной смеси глюкозы и фруктозы: превращение глюкозы в фруктозу с помощью иммобилизованной глюкозоизомеразы.

Соответствующие установки работают в США (начиная с 1972 г.), ФРГ, Дании и Голландии. В нашей стране изомеризацию глюкозы в фруктозу ведут

142

в трубчатом реакторе с глкжозоизомеразой из Actinomyces olivocinereus, иммобилизованной на силохроме; за месяц непрерывной работы реактора при 50%-ном уровне превращения глюкозы в фруктозу теряется не более 14% активности фермента.

В 1974 г. в Японии начат промышленный синтез L-аспарагиновой кислоты при посредстве аспартат-аммиак-лиазы, иммобилизованной на фенолформаль-дегидной смоле. Однако при высокой степени (99%) превращения фумарата аммония в L-аспарагиновую кислоту фермент менее устойчив, чем в составе иммобилизованных клеток—время его полужизни равно 18 суткам. В этой же стране функционируют промышленные установки по синтезу L-триптофана из индола и серина при помощи включенной в волокна триптофансинтазы, а также по синтезу L-тирозина при посредстве иммобилизованной тирозинфенол-лиазы.

Упомянем еще одно крупномасштабное производство на базе иммобилизованной пенициллинамидазы, имеющее огромное значение для фармацевтической промышленности, так как оно обеспечивает исходным продуктом синтез аналогов природного пенициллин