Спецпрактикум кафедры химической энзимологии Задача 4. Применение иммобилизованных ферментных препаратов в биотехнологии и медицине (стр. 2 )

Аравийская камедь. Аравийская камедь - натуральный гидроколлоидный полисахарид. В ее состав входят арабин (кальциевые, калиевые, магниевые соли арабиновой кислоты), глюкуроновая кислота, гиалуроновая кислота, ксилоза, галактоза растворяется в воде с образованием геля. Гуммиарабик отборный, белый, Gummi arabicum electum, albissimum, употребляется в медицине как средство для похудения, замедляет прохождение пищи по кишечнику, уменьшает всасывание холестерина и жиров, лекарства на основе аравийской камеди обладают смягчающим, болеутоляющим, заживляющим действием. Аравийская камедь - противоожоговое средство для кожи, слизистых дыхательных путей и ЖКТ. Может использоваться как основное лекарственное средство, а также как компонент для инкапсулирования и доставки лекарств. 

Для иллюстрации практического применения аравийской камеди в пищевой промышленности приведем инкапсулирование капель подсолнечного масла, а также масел лимона и апельсина с использованием комплексов молочных белков с аравийской камедью. Полученные капсулы включались в сыр Гауда в качестве натуральных вкусовых добавок, а также использовались для изменения текстурных свойств сыра. Последние варьировали размером капель масла и составом капсул.

Хитозан. Одним из наиболее распространенных и широко используемым аминополисахаридом является хитозан. Хитозан является деацилированным (частично или полностью) производным хитина, линейного полисахарида, построенного из остатков N – ацетил - β - D – глюкозамина с 1→4 – связями между ними (рис. 2).

Рис. 2. Структурная формула хитозана.

Деацилированные производные хитина, хитозаны, существуют в природе, а также их получают путем химической обработки хитина. Молекулярная масса хитозана в зависимости от источника и способа выделения составляет 0.5 – 8*105 Да. Физико-химические свойства и микробиологическая активность хитозана определяются молекулярным весом и степенью деацилирования. Данные факторы влияют на растворимость полисахарида, вязкость полученных растворов и взаимодействие с клеточными стенками микроорганизмов. Хитозан нерастворим в воде при нейтральных значениях рН, но растворяется в разбавленных органических кислотах, например в водном растворе уксусной кислоты с образованием солей, дающих высоковязкие растворы. Некоторые N – ацилпроизводные хитозана – хорошие гелеобразователи; при ацилирование хитозана производными дикарбоновых кислот получают поперечносшитые гели, удобные для получения ферментсодержащих систем. На примере ряда ферментов: липазы, целлюлазы, щелочной протеазы, L–аспарагиназы и др. было установлено, что в результате их иммобилизации на хитозане существенно увеличивается термостабильность ферментов. В ряде случаев наблюдается увеличение каталитической активности ферментов. Ферменты могут быть иммобилизованы на хитозане, используя как амино - так и гидроксильные группы, такую иммобилизацию называют “двойной иммобилизацией”. Сначала образуется связь между аминогруппой и глутаровым альдегидом, а затем между гидроксильной группой и карбодиимидом (рис. 3.). “Двойная иммобилизация” приводит к дополнительной стабилизации фермента.

Рис. 3. Иммобилизация липазы на хитозане.

       

Важным свойством хитозана является его способность образовывать прочные нековалентные комплексы с белками, анионными полисахаридами, а также, хелатные комплексы с металлами, на чем основано его применение в качестве материала для инкапсулирования биомолекул при изготовлении медицинских препаратов; для удаления белка из сточных вод в производстве пищевых продуктов (мясная, рыбная, молочная промышленность, сыроделие), создания хелатирующих ионнонообмеников, иммобилизации живых клеток в биотехнологии, а также при изготовлении медицинских препаратов.

Липидные носители. Липосомы находят широкое применение в качестве наноносителей для ферментов и лекарственных препаратов, что обусловлено главным образом близостью свойств липидных носителей и природных биомембран.

По своей природе входящие в состав биологических мембран липиды можно разделить на три класса: фосфолипиды, гликолипиды и нейтральные липиды, основным представителем которых является холестерин. Структурные формулы основных представителей каждого класса представлены в таблице 1.

Таблица 1. Структурные формулы основных липидов биомембран.

КЛАСС	СТРУКТУРНАЯ ФОРМУЛА	ОСНОВНЫЕ ПРЕДСТАВИТЕЛИ КЛАССА
Фосфолипиды	R1 и R2 – остатки жирных кислот
X:	Фосфатидилхолин (ФХ)
X:	Фосфатидилэтаноламин (ФЭ)
X:	Фосфатидилсерин (ФС)
X:	Фосфатидилинозит (ФИ)
X:	Кардиолипин
Гликолипиды	R – остаток жирной кислоты
Y: Н	Цереброзиды
Y: SO3H	Сульфатиды
Нейтральные липиды		Холестерин

Фосфолипиды составляют мажорную часть липидов биомембран. Фосфолипиды со сравнительно длинными углеводородными цепями (18-22 углеродных атома) и большим количеством ненасыщенных связей представляют собой “жидкие” липиды. Температура фазовых переходов таких липидов в биомембранах лежит значительно ниже температуры организма, что необходимо для осуществления в мембранах быстропротекающих процессов.

Фазовые переходы в мембранах играют важную роль в протекании не только транспортных процессов, но и функционировании мембранных ферментов и ферментных комплексов. Здесь идет речь о регуляции ферментативной активности при фазовом переходе, т. н. вязкотропной регуляции. Механизм вязкотропной регуляции рассматривает в качестве регулирующего фактора не только фазовое состояние, но и плотность упаковки липидов в мембране, которая определяется насыщенностью и длинной углеводородной цепи. Фосфолипидным составом определяется также проницаемость мембран.

Важную роль в регуляции биопроцессов играет холестерин. Не будет большим преувеличением, если сказать, что любое нарушение функционального состояния организма сопровождается изменением уровня холестерина в крови.

Молекула холестерина отличается уникальным по сравнению с другими липидными компонентами мембран сочетанием структурных особенностей. Она имеет:  жесткий углеводородный скелет, который, как правило, трудно разрушается ферментными системами организма; наличие в структуре в целом гидрофобной молекулы гидроксильной спиртовой группы, благодаря чему молекула холестерина легко может проникать в мембрану. Кроме того, холестерин обладает способностью образовывать многочисленные молекулярные соединения с белками, аминами, глюкозой и другими углеводами, желчными и жирными кислотами, неорганическими солями (CaCl2, MgCl2, ZnCl2 и др.). Холестерин образует молекулярные комплексы и с различными фосфолипидами мембран. Включаясь в мембраны, холестерин делает их структуру более жесткой, уменьшая подвижность как в модельных, так и в естественных мембранах. При включении холестерина в мембранах происходит повышение температуры и скорости фазовых переходов липидов. В присутствии холестерина значительно понижается проницаемость мембран для воды, катионов, различных неэлектролитов и других соединений.

Для приготовления липосом наиболее часто используются мембранные фосфолипиды: Фосфатидилхолин (ФХ), Фосфатидилэтаноламин (ФЭ), Фосфатидилсерин (ФС), Кардиолипин, а также часто используют смеси липидов. Размер, форма и биологические свойства липосом определяются и регулируются липидным составом, способом и условиями приготовления липосом.

2. Принципы получении белок-содержащих систем для применения в биотехнологии и медицине.

Способы иммобилизации чрезвычайно разнообразны, что позволяет подобрать наиболее оптимальный метод включения биомолекул с учетом специфики их последуещего применения.

Иммобилизацию биомолекул можно проводить методом адсорбции или «ковалентной пришивки» ферментов к поверхности природных или синтетических носителей; включением ферментов в полимерные гели, поперечной сшивкой молекул фермента, включением в комплексы с полиэлектролитами; инкапсулированием; а также включение белков в липопротеидные комплексы, липосомы, обращенные мицеллы ПАВ.

В последние годы для получения белок-содержащих микро - и наносистем широко применяют комбинации различных методов иммобилизации и/или образования коньюгатов. Ярким примером комбинации нескольких методов иммобилизации относятся получение мультифункциональных многослойных полиэлектролитных капсул, где капсулы являются носителями биомолекул, и при этом капсулам можно придавать требуемые функциональные свойства путем введения специфицеских молекул или коллоидных частиц (например, флуоресцентных или магнитных). 

Классические методы иммобилизации подробно рассмотрены в книге «Биотехнология» части 1 и 7.

? Студенты при сдаче коллоквиума должны уметь рассмотреть следующие аспекты:

Классификация носителей для иммобилизации ферментов и обсудить области их возможного применения (привести примеры); Методы иммобилизации – их применение (привести примеры) Ковалентная «пришивка» фермента к носителю.

Активация функциональных групп носителей (привести уравнения реакции)