Биологический каталог




Биоорганическая химия

Автор Г.Дюга, К.Пенни

бласти достигнут путем использования бифункциональных реагентов для сшивания пептидных цепей, определяющих третичную структуру фермента.

J-*-\

Эенатпурированная форма нашивная форма форма с поперечными сшивками (неактивна) (активна) (активна)

Сшивание предотвращает денатурацию в жестких условиях обработки и сохраняет неизменным активный центр. Наиболее широко используются в качестве, сшивающих агентов имипоэфиры. Реагируя с доступными боковыми группам,

Химия ферментов

259

лизина, они образуют амидные связи между двумя участками полипептидной цепи.

Однако число атомов углерода между реакционноспособными иминоэфир-ными группами должно быЬ, невелико. В противном случае начнут образовываться также и межмолекулярные сшивки.

Такая техника иммобилизованных ферментов соединяет уникальные возможности двух видов катализаторов: специфичность ферментов со стабильностью, простотой в обращении и хранении гетерогенных катализаторов на подложке, шее того, иммобилизованные ферменты можно использовать повторно, а также применять для синтеза в потоке. Поэтому они находят все более широкое примемте в различных областях анализа и в медицине.

Полезное применение нашла такая техника и в промышленности; она полу-щла название инженерная энзимология или ферментная технология. Ферментную технологию назвали «решением для еще не найденных проблем» [122]. В действительности этот метод еще должен оправдать многие из тех ожиданий, 1вторые ее сторонники считают уже осуществленными. Тем не менее надо знать (ее возможностях и подготовиться к применению этой технологии завтрашнего ш.

Давайте рассмотрим несколько примеров нз конкретной области пронзвод-пва—производства продуктов питания. Одна из разработок посвящена улучшению качества пищевых продуктов. Иммобилизованную В-галактозидазу теперь ^изводят, присоединяя полнизоцианатный полимер к магнитному стержню-ме-лке Фермент, удерживающийся между волокнами, используют для понижения ¦держания лактозы в молоке, чтобы решить проблему повышенной чувствитель-fcffl к лактозе. Кроме того, после такого процесса молоко можно хранить

260

Глава 4

в замороженном виде более длительное время, не опасаясь его загустевания и свертывания, вызываемого кристаллизацией лактозы в молоке.

Иммобилизованные ферменты получили и другие применения в пищевой промышленности. Одно из них заключается в утилизации целлюлозы из макулатуры, древесных стружек, сахарного тростника, ее деградации до глюкозы и превращения глюкозы в крахмал — пищевой продукт. Все эти процессы проводятся с помощью ферментов и могут быть использованы ферментной технологией.

Более впечатляющий пример — возможность превращения производных, получаемых из жидкого горючего (нефти), в пищевые углеводы. Для такого превращения необходимо промышленным способом расщепить нефтепродукты до глицеральдегида. Затем глицеральдегид можно ферментативным путем превратить во фруктозу, глюкозу и крахмал.

К высшему достижению ферментной технологии будущего в области синтеза углеводов относится моделирование природного процесса фиксации С02. Для этого необходимы кроме иммобилизованных ферментов еще и иммобилизованные коферменты. В этом направлении предпринимается много усилий [124].

Например, при создании ферментативного электрода и модельного ферментативного реактора [127] использован аналог NAD+, присоединенный к водорастворимому декстраиовому полимеру. Очевидны возможности приложения достижений в этой области для медицины.

Покажем принцип метода на одном примере. Реакция окисления — восстановления NAD+ + субстрат-»- NADH + Н+ + продукт может быть сопряжена с иммобилизованными'ферментами. В такой модельной системе субстрат подается насосом в камеру, содержащую связанный с декстраном NAD+ и две ЫАО+-зави-симые дегидрогеназы. С противоположной стороны продукт реакции удаляется с той же скоростью методом ультрафильтрации. Таким образом, процесс может быть непрерывным.

СН,—СН—СООН I

ОН

молочная кислота'

сн3—сн-

лактатбегиврогеназа из сервца Быка

NH,, аланин

CHj— С—СООН

пироеиногравная кислота

Реальность такого реактора была показана на примере получения аланина из молочной кислоты. Смещение равновесии в нужную сторону в таком реакторе, содержащем лактатдегидрогеназу, достигается использованием высокой концентрации субстрата и быстрой утилизацией пировиноградной кислоты вторым ферментом. Стоит отметить, что подобная система служит также моделью возможного применения в лечебных целях, в которой ферменты и коферменты, иммобилизованные вместе, могут функционировать как самостоятельная единица для коррекции метаболического дисбаланса.

Некоторые из приведенных здесь примеров могут быть встречены скептиками как нереальные. Однако мы верим, что в недалеком будущем эти проекты так или иначе будут разработаны в виде, пригодном для практического применения. Как сказал Мосбах, приведенные выше примеры можно рассматривать в качестве первых шагов в области синтетической биохимии [124].

Химия ферментов

261

В настоящее время в фармацевтической промышленности нашли практическое применение два процесса. Первый из них—это синтез аналога кортизона, преднизолопа, который используется в качестве лекарственного препарата для лечения ревматоидных артритов. Предшественник стероида, соединение Рейх-штейна, пропускают последовательно через две колонки, каждая из которых содержит специфический фермент, присоединенный к полнакриламидному полимерному носителю [128]. При этом происходит реакция гидроксилнровання прохи-рального С-II, причем конфигурация сохраняется.

ОН

соейинение РейхштеОна

кортиэол преВнизолои

Такой метод синтеза быстр, регно- и стереоселективен и экономичен. В не-юторой степени благодаря подобному синтезу цена на кортизон снизилась с ,вдолл. США за 1 г в 50-х гг. до нескольких центов за 1 г в 70-х годах.

Еше один пример, который также находит повседневное применение, касает-u специфического гидролиза пеиицнллинамидазой природного пенициллина G в препаративных количествах, при этом опять-таки используется хроматографи-«кий процесс [129]. В результате образуется чистый продукт гидролиза — Ыииопенициллановая кислота, свободная от примесей, которая затем может 4ль использована для синтеза всех видов полуеннтетпческих производных пе-шншина. В противоположность нестабильному растворимому ферменту фер-№, переведенный в нерастворимое состояние, не проявляет потери активности

262

Глава 4

даже при постоянном использовании в течение 11 педель при 37°С. Кроме того, при такой обработке не образуются возможные аллергены (как примеси).

пенициллин-амиЭаза из E.tioll на ДЭАЭ-целлюлоэе

H,N

соон

6-аминопеницилпаноеая кислота

Поскольку ценность ферментов заключается пе столько в их чисто каталитической активности, сколько в избирательности их действия в процессе реакции, ферментная технология предоставляет много возможностей для синтетической химии и привлечет внимание химиков-органиков к ферментам с целью синтеза биологических молекул.

Глава В

МОДЕЛИРОВАНИЕ ФЕРМЕНТАТИВНЫХ СИСТЕМ

Мы ходим вокруг да около и гадаем, а Истина сидит рядом и помалкивает!

Р. Фрост. Скрытая Истина

В качестве моделей ферментов, как правило, используют синтетические органические молекулы, обладающие характерными особенностями ферментативных систем. Они меньше ферментов по размеру и проще по структуре. Следовательно, моделирование ферментов — это попытка воспроизвести на гораздо более простом уровне некий ключевой параметр ферментативной функции. Выявление определенного фактора, ответственного за каталитическую активность фермента в биологической системе, является трудоемкой задачей, требующей ясного представления о роли каждого компонента в катализе. Но, располагая подходящими моделями, мы можем оценить относительную важность каждого каталитического параметра в отсутствие других, не рассматриваемых в данный момент. Главное преимущество использования «искусственных структур» для моделирования ферментативных реакций состоит в том, что вещества можно создавать именно для изучения определенного конкретного свойства. Структура модели в дальнейшем может быть усовершенствована путем сочетания таких особенностей, которые дают наибольший вклад в катализ, и создания таких моделей, которые по своей эффективности действительно приближаются к ферментам. Таким образом, с помощью методов синтетической химии становится возможным создание «миниатюрного фермента», который лишен макромоле-кулярного пептидного остова, но содержит активные химические группы, правильно ориентированные в соответствии с геометрией активного центра фермента. Этот подход называют биомиметическим химическим подходом к изучению биологических систем *. Биомиметическая химия — это та область химии, где делается попытка имитировать такие характерные для катализируемых ферментами реакций особенности, как огромная скорость и селективность [350, 351]. Хочется надеяться, что такой подход в конце концов позволит установить связь между сложными структурами биоорганических молекул и их функциями в живом

* Слово «биомиметический» впервые было введено Бреслоу в 1972 г. и обычно используется в любом случае, когда биохимический процесс моделируется простой химической реакцией [197].

264

Глава 5

организме или по крайней мере приблизит нас к пониманию этой связи. Для этого необходимо располагать множеством данных, касающихся механизма действия определенного фермента Назовем только наиболее важные: а) структура активного центра и ферментсубстратного комплекса; б) специфичность фермента и его способность связывать субстрат; в) кинетика различных стадий и возможные промежуточные продукты, образующиеся в процессе реакции.

Ферменты — это очень сложные соединения, и до сих пор детально изучены механизмы действия лишь некоторых из них. Именно поэтому возникает необходимость в модельных системах. К функциональным группам полипептидных цепей, участвующим обычно в каталитических процессах, относятся имидазольный остаток, алифатические и ароматические гидроксильные группы, карбоксильные гру

страница 45
< К СПИСКУ КНИГ > 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89

Скачать книгу "Биоорганическая химия" (8.62Mb)


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]  [обратная связь]

п»ї
Rambler's Top100 Химический каталог

Copyright © 2009
(26.09.2017)