Ферментативные и металлокомплексные катализаторы

Ферментативные катализаторы. Вклад в их стоимость процессов выделения и очистки (90%). Иммобилизация ферментов (ковалентная, адсорбционная, в геле). Гетерогенизация металлокомплексных катализаторов.

Ферменты и комплексы переходных металлов — молекулярные катализаторы. Они значительно более активны и селективны, чем обычные гетерогенные катализаторы.

Ферментативные катализаторы

Ферменты являются катализаторами не только в живых системах, но в процессах, проводимых вне живого организма. Для этого ферменты выделяют (например «пероксидаза из хрена»), очищают. Затраты на выделение и очистку ферментов составляют 90% стоимости получаемых с их помощью продуктов. Можно использовать ферменты в свободном состоянии. Но тогда сохраняются недостатки гомогенного катализа, а именно — разделение продуктов и катализатора. Поэтому понятно стремление использовать такие катализаторы, но предварительно придав им технологические свойства гетерогенных катализаторов, позволяющие осуществлять процессы в непрерывном режиме, т. е. закрепить (иммобилизовать) их на поверхности инертного носителя.

Существуют два принципиально различных метода иммобилизации ферментов: без возникновения ковалентных связей между ферментом и носителем (физические методы иммобилизации) и с образованием ковалентной связи между ними (химические методы иммобилизации). Каждый из этих методов осуществляется разными способами (рис. 1).

Физические методы иммобилизации ферментов реализуются посредством адсорбции фермента на инертном твердом носителе или путем включения его в поры пространственно сшитого геля, в полупроницаемые структуры и пр.

При адсорбционной иммобилизации белковая молекула удерживается на поверхности носителя за счет электростатических, гидрофобных, дисперсионных взаимодействий и водородных связей. В литературе описано получение адсорбционным способом более 70 иммобилизованных ферментов с использованием главным образом таких носителей, как кремнезем, активированный уголь, графитовая сажа, различные глины, пористое стекло, полисахариды, синтетические полимеры, оксиды алюминия, титана и других металлов. фермент гетерогенизация катализатор фталоцианин Последние применяются наиболее часто. Эффективность адсорбции молекулы белка на носителе определяется удельной поверхностью (плотностью центров сорбции) и пористостью носителя. Процесс адсорбции ферментов на нерастворимых носителях отличается крайней простотой и достигается методом пропитки носителя раствором фермента. Активность фермента при таком варианте иммобилизации сохраняется практически на 100%, а удельная концентрация белка может достигать 64 мг на 1 г носителя.

Иммобилизацию ферментов в геле осуществляют двумя способами. В первом случае фермент вводят в водный раствор мономера, а затем проводят полимеризацию, в результате которой возникает пространственная структура полимерного геля с включенными в его ячейки молекулами фермента. Во втором случае фермент вносят в раствор уже готового полимера, который впоследствии переводят в гелеобразное состояние. Для первого варианта используют гели полиакриламида, поливинилового спирта, поливинил-пирролидона, силикагеля, для второго — гели крахмала, агар-агара, каррагинана, агарозы, фосфата кальция.

Иммобилизация ферментов в гелях обеспечивает равномерное распределение энзима в объеме носителя. Большинство гелевых матриц обладает высокой механической, химической, тепловой и биологической стойкостью и обеспечивает возможность многократного использования фермента, включенного в его структуру. Однако метод непригоден для иммобилизации ферментов, действующих на водонерастворимые субстраты.

Сущность этого способа иммобилизации заключается в отделении водного раствора фермента от водного раствора субстрата с помощью полупроницаемой мембраны, пропускающей низкомолекулярные молекулы субстратов и кофакторов, но задерживающей большие молекулы фермента.

Химические методы иммобилизации ферментов за счет образования новых ковалентных связей между ферментом и носителем? наиболее массовый способ получения промышленных биокатализаторов. В отличие от физических методов этот способ иммобилизации обеспечивает прочную и необратимую связь фермента с носителем и часто сопровождается стабилизацией молекулы энзима. Пример ковалентной иммобилизации — прививка к силикагелю через аминогруппу фермента:

Однако расположение фермента относительно носителя на расстоянии одной ковалентной связи создает стерические трудности в осуществлении каталитического процесса. Фермент отделяют от носителя с помощью вставки (сшивка, спейсер), в роли которой чаще всего выступают бифункциональные и полифункциональные агенты (бромциан, гидразин, сульфурилхлорид, глутаровый диальдегид и др.).

В этом случае структура иммобилизованного фермента включает носитель, спейсер и фермент, соединенные между собой ковалентными связями (рис. 2).

Принципиально важно, чтобы в иммобилизации фермента участвовали функциональные группы, несущественные для его каталитической функции.