§ 8. Другие неорганические носители

Более пригодными для промышленного использования могут оказаться природные алюмосиликаты — глины, цеолиты, а также пористая керамика, в состав которой, помимо алюмосиликатов,

43

входят оксиды титана, циркония, или другие добавки. Поверх­ность таких носителей аналогично кремнеземным может быть модифицирована различными органическими веществами, напри­мер замещенными с плана ми (у-аминопропилтриэтоксисиланом).

Важной характеристикой силикатных и алюмосиликатных но­сителей является высокая плотность поверхностных групп, свя­зывание белковых молекул на которых может осуществляться как за счет электростатических взаимодействий, так и водород­ных связей. Это имеет немаловажное значение для эффективной иммобилизации ферментов.

Следует также отметить широко распространенные носите­ли — уголь и графитированную сажу. Уголь может быть ис­пользован в качестве носителя как для адсорбционной, так и для ковалентной иммобилизации (после предварительной акти­вации поверхностных оксидных групп).

К достоинствам графитированной сажи можно отнести высо­кую однородность и электрическую проводимость ее поверхности. Последнее свойство важно при создании биоэлектрокаталитиче-ских систем на основе иммобилизованных ферментов. Серьезным недостатком этого носителя является низкая механическая проч­ность, что ограничивает его применение. Отложением углерода на гранулированной саже был создан новый носитель - карбо-хром, в котором высокая механическая прочность сочетается с достоинствами графитированной сажи.

Весьма перспективными представляются носители па основе металлов и их оксидов. Эти носители характеризуются высокой механической прочностью, относительной дешевизной, стабиль­ностью, хорошими гидродинамическими свойствами. На практике чаще и ее го употребляются носители ни основе оке идя алюминия и титана. Б промышленном масштабе их получают обычно в виде макропористых порошков, однородных по форме и размеру. Применение матриц этого типа позволяет проводить иммобили­зацию ферментов как ко валентным связыванием с носителем, так и адсорбцией на нем. Для ковалентной иммобилизации но­ситель предварительно активируют ^<У"^амиивПР°пилтриэтоксиси-ланом.

Металлические поверхности, используемые в качестве носите­лей (А1, Ni, Ti), как правило, модифицируют, либо создавая оксидную пленку на поверхности матрицы, либо покрывая их слоем полимера (производные полистирола, целлюлозы и т, д.). Это позволяет значительно повысить сорбционную вместимость носителя.

Таким образом, рассмотрение основных типов носителей сви­детельствует о широких возможностях» предоставляемых химией инженерной энзнмологии. Наиболее полный перечень неорганиче­ских и органических носителей для иммобилизации, вырабаты­ваемых промышленностью многих стран мира, приведен в спра­вочнике А. А. Лурье «Хроматографические материалы» (1978).

_{МЕТОДЫ ФИЗИЧЕСКОЙ}

_{ИММОБИЛИЗАЦИИ ФЕРМЕНТОВ}

Согласно одному из принятых определений, которое вытекает из более общего определения иммобилизации, сформулирован­ного во Введении, под иммобилизацией фермента понимается его включение в какую-либо изолированную фазу, которая от­делена от фазы свободного раствора, но способна обмениваться с находящимися в последней молекулами субстрата или эффек­тора. Иными словами, иммобилизация представляет собой вклю­чение фермента в такую среду, в которой для него доступной является лишь ограниченная часть общего объема. На основании этого определения все существующие методы физической иммо­билизации (т. е. иммобилизации» при которой фермент не соеди­нен с носителем ковалентными связями) можно разделить на четыре группы: I) адсорбция на нерастворимых носителях; 2) включение в поры геля; 3) пространственное отделение фер­мента от остального объема реакционной системы с помощью полупроницаемой перегородки (мембраны); 4) включение в двух­фазную реакционную среду, где фермент растворим и может находиться только в одной из фаз.

Сущность перечисленных подходов иллюстрируется рис. 2.

Приведенная классификация условна, поскольку не всегда возможно провести четкую границу между различными спо­собами иммобилизации. Например, при иммобилизации путем включения в гель последний можно рассматривать как полу­проницаемую мембрану, отделяющую фермент _от раствора суб­страта. Тем не менее использование такой классификации по­лезно в том отношении, что она позволяет систематизировать существующие методы физической иммобилизации и помогает ориентироваться в их огромном многообразии.

В задачу настоящей главы не входит подробное описание носителей, применяющихся для иммобилизации, и рассмотрение конкретных примеров иммобилизации различных ферментов. Сведения такого рода содержатся, соответственно, в первой гла-

45

носитель раствор фермент

полупроницаемая б

полимерная сетка

ве этой книги и в работав, включенных в список ре­комендуемой литературы. В последующем изложе­нии конкретные данное привлекаются лишь в тех случаях, когда это нео& ходимо дли более ясного понимания общих принци­пов и закономерностей.

Ниже более подробно рассмотрены четыре под­хода к физической иммо­билизации ферментов, со­ставляющие основу клас­сификации.

ИММОБИЛИЗАЦИЯ ФЕРМЕНТОВ ПУТЕМ АДСОРБЦИИ^ НА НЕРАСТВОРИМЫХ НОСИТЕЛЯХ

Рнс. 2. Способы физической ферментов:

а—адсорбция на нерастворимых носителях; б -включение в поры геля; в — отделение фермента с помощью полупроницаемой мембраны; г — не двухфазной реакционной среды

Адсорбционная иммо­билизация является наи­более старым из всех существующих сейчас спо­собов иммобилизации ферментов. Еще в 1916 г.

Дж. Нельсон я Э. Гриффин провели успешную иммобилизацию инвертазы путем адсорбция на активированном угле и геле гид-роксида алюминия. Этот же метод был использован для получе­ния первого технологического иммобилизованного ферментного препарата в 1969 г., когда И. Шибата с сотрудниками осуществи­ли гидролиз Г^-ацетил-£),/,-аминокислот под действием адсорбци-онно иммобилизованной L-аминоацилазы. В настоящее время адсорбционная иммобилизация благодаря целому ряду преиму­ществ является наиболее широко распространенным способом получения иммобилизованных ферментных препаратов промыш­ленного значения.