Опишите способы повышения качества микробных ферментов как лекарственных средств

Ферментные препараты достаточно нестабильные соединения: при воздействии ряда химических и физических факторов могут инактивироваться. При применении ферментных препаратов очень часто фермент после одноразового использования инактивируется, при этом обрабатываемый материал загрязняется препаратом. Эти обстоятельства породили проблему создания новых форм ферментных препаратов многократного использования.
Наибольшее распространение получили препараты, в которых ферменты в активной форме прикреплены к нерастворимой основе.
Иммобилизированный ферментный препарат - это единая система, которая состоит из трех частей: фермента, носителя и связывающего их звена. Сущность иммобилизации ферментов — прикрепление их в активной форме к нерастворимой основе или заключение в полупроницаемую мембранную систему. Прикрепление фермента к носителю осуществляется адсорбционно, химической связью или путем механического включения фермента в органический или неорганический гель (в капсулу и т. п.). При этом допускается прикрепление фермента только за счет функциональных групп, не входящих в активный центр фермента и не участвующих в образовании фермент-субстратного комплекса.
Иммобилизованные ферменты имеют ряд преимуществ перед нативными предшественниками:
1. Гетерогенный катализатор легко отделим от реакционной среды, что дает возможность остановить реакцию в любой момент, использовать фермент повторно, а также получать чистый от фермента продукт.
2. Ферментативный процесс с использованием иммобилизованных ферментов можно проводить непрерывно, регулируя скорость катализируемой реакции и выход продукта.
3. Модификация фермента целенаправленно изменяет его свойства, такие как специфичность (особенно в отношении макромолекулярного субстрата), зависимость каталитической активности от рН, ионного состава и других параметров среды, стабильность к денатурирующим воздействиям.
4. Можно регулировать каталитическую активность иммобилизованных ферментов путем изменения свойств носителя действием физических факторов, таких как свет и звук. Иммобилизовать ферменты можно как путем связывания на нерастворимых носителях, так и путем внутримолекулярной или межмолекулярной сшивки белковых молекул низкомолекулярными бифункциональными соединениями, а также путем присоединения к растворимому полимеру.
Все способы иммобилизации можно подразделить на две группы: химические и физические.
Физические методы заключаются в связывании фермента без участия ковалентных связей. Они подразделяются на два типа: адсорбционные и механические. При адсорбционной иммобилизации фермент удерживается на поверхности носителя с помощью электростатических, гидрофобных, водородных связей. При механическом способе иммобилизации проводят включение фермента в гели, заключение их в микрокапсулы, волокна, мембраны и т.д. Все физические методы иммобилизации достаточно просты, быстры и эффективны.

Способы иммобилизации ферментов: а - адсорбция на нерастворимых носителях, б – включение в поры геля, в – отделение фермента с помощью полупроницаемой мембраны, г – использование двухфазной реакционной среды
Перспективным считается метод включения в гели. Суть этого метода иммобилизации состоит в том, что молекулы фермента включаются в трехмерную сетку из тесно переплетенных полимерных цепей, образующих гель. Среднее расстояние между соседними цепями в геле меньше размера молекулы включенного фермента, поэтому он не может покинуть полимерную матрицу и выйти в окружающий раствор. Дополнительный вклад в удерживание фермента в сетке геля могут вносить также ионные и водородные связи между молекулой фермента и окружающими ее полимерными цепями. Пространство между полимерными цепями в геле заполнено водой, на долю которой обычно приходится значительная часть всего объема геля. Например, широко применяемые гели полимеров акриловой кислоты в зависимости от концентрации полимера и его природы содержат от 50 до 90% воды.
Химические методы заключаются в ковалентном сшивании с полимерным носителем и поперечном сшивании ковалентными связями молекул белка без носителя. Такие препараты стабильны, ферменты не вымываются. Существенным недостатком этого способа часто является значительная инактивация фермента (60-80%) в результате экранирования активного центра и других причин. Но препараты иммобилизованных ферментов, полученные с применением химических методов, обладают, по крайней мере, двумя важными достоинствами. Во-первых, ковалентная связь фермента с носителем обеспечивает высокую прочность образующегося конъюгата. При широком варьировании таких условий, как рН и температура, фермент не десорбируется с носителя и не загрязняет целевых продуктов катализируемой им реакции. Это особенно важно при реализации процессов медицинского и пищевого назначения, а также для обеспечения устойчивых, воспроизводимых результатов в аналитических системах. Во-вторых, химическая модификация ферментов способна приводить к существенным изменениям их свойств, таких как субстратная специфичность, каталитическая активность и стабильность.