§39. Применение ферментов в химии, промышленности и медицине
Цель изучения этой темы: обсудить возможность применения ферментов в химии, промышленности и медицине.
Что такое ферменты? Какой класс органических веществ в основном является ферментами? Что означает выражение, применяемое в отношении ферментов: «Подходит как ключ к замку»? Как вы понимаете свойства ферментов: активность, специфичность, их сильную зависимость от условий: рН, температура и т. д.?
Что нужно повторить для успешного изучения темы? § 5 – учебник для 8 класса; § 10 – учебник для 9 класса; § 5 – учебник для 10 класса; § 2 данного учебника.
Ферменты в промышленном производстве. В самом начале XX в. активно развивалась бродильная и микробиологическая промышленность. В эти же годы были предприняты первые попытки наладить производство антибиотиков, пищевых концентратов, полученных из дрожжей, осуществить контроль ферментации продуктов растительного и животного происхождения.
С тех самых пор ферменты успешно используются в промышленном производстве. Сегодня без ферментов не обходятся такие традиционные направления пищевой промышленности, как сыроварение и производство кисломолочных продуктов, производство алкогольной продукции (в первую очередь виноделие и пивоварение). Также ферменты издревле использовались и в других отраслях (в кожевенном производстве, пивоварении, силосовании и т. д.). Но сейчас ферменты стали применимы и в таких сравнительно новых отраслях, как мукомольная промышленность, производство соков, стиральных порошков, фармакологии, различных видах переработки растительного сырья и т. д. Ферменты применяют и при очистке сточных вод, и выбросов промышленных предприятий, не связанных с производством продуктов питания.
В качестве примера применения фермента можно привести 3-галактозидазу, присоединенную к магнитному стержню-мешалке, которую используют для снижения содержания молочного сахара в молоке. Так получают продукт, не расщепляющийся в организме больного ребенка с наследственной непереносимостью лактозы. Обработанное таким образом молоко хранится в замороженном состоянии значительно дольше и не подвергается загустеванию, по сравнению с аналогами, полученными без использования ферментов.
Преимущества и недостатки использования ферментов в промышленности. У ферментов по сравнению с классическими химическими катализаторами есть как преимущества, так и недостатки. Как вы помните, ферменты – белки. Следовательно, они будут разрушаться – денатурировать под воздействием неблагоприятных факторов, таких как высокая температура, воздействие сильными щелочами или кислотами, высоким содержанием кислорода, да и просто «изнашиваться» в течение длительного времени, даже без участия негативных факторов. Это значит, что ферменты не применимы в реакциях, связанных с высокими температурами, со слишком кислой или щелочной средой, с высоким давлением и т. д. В то время как, например, платиновые катализаторы выдерживают все вышеперечисленные условия, показывают отличную каталитическую активность и при этом не изнашиваются.
Второй недостаток – часто производство ферментов обходится не дешевле неорганических катализаторов и зачастую оно сложнее, так как необходимо синтезировать белок со строго определенной аминокислотной последовательностью. Изменение последовательности всего одной аминокислоты может полностью лишить фермент каталитической активности. Поэтому их производство очень сложно и требует тщательной подготовки.
Третий и самый важный недостаток, который делает проблемным применение ферментов в промышленных масштабах, – часто очень сложно после реакций отделить молекулы фермента от субстрата. Но эта проблема была благополучно решена. Созданы так называемые иммобилизованные ферменты, когда фермент наносят на какую-либо основу (полимерную или гелевую поверхность, металлические стержни и т. д.) и после проводят химическое или физическое соединение. Такой фермент не растворяется и не смешивается с продуктами реакции, легко извлекается после завершения процесса и лучше хранится.
Огромны и преимущества ферментов: 1) высокая эффективность (часто превосходящая неорганические катализаторы в сотни и тысячи раз!); 2) высокая специфичность – ферменты, как правило, катализируют только одну реакцию, и, соответственно, не могут «вмешаться» в другие химические процессы и испортить их. Они химически неактивны как, например, серная кислота. Поэтому ферменты более безопасны, легки в транспортировке и хранении.
Применение ферментов в медицине нельзя отделить от применения в ветеринарии, фармакологии, селекции, сельском хозяйстве.
Генная инженерия как новейшая область человеческих знаний тоже невозможна без использования работы ферментов. Все процессы, связанные с целенаправленным созданием in vitro (в пробирках) новых комбинаций генетического материала, как и все иные процессы жизнедеятельности в живых клетках, также контролируются ферментами. При молекулярно-генетических исследованиях было установлено, что в клетках бактерий имеются ферменты-рестриктазы, способные «разрезать» молекулы ДНК на фрагменты в строго определенных участках. Есть ферменты-лигазы, воссоединяющие («сшивающие») фрагменты ДНК. В результате исследований постепенно были идентифицированы все ферменты, контролирующие процесс самокопирования и реализации наследственной информации как в клетках прокариот, так и в клетках эукариот.
В основу генной инженерии легли четыре фундаментальных открытия:
1. Открытие ферментов, «разрезающих» ДНК, – эндонуклеаз и экзонуклеаз, или рестриктаз.
2. Открытие ферментов, «сшивающих» ДНК, – лигаз.
3. Открытие ферментов клеток, осуществляющих синтез ДНК и РНК, – полимераз. Ферменты репликации: ДНК-зависимые ДНК-полимеразы. Ферменты транскрипции: ДНК-зависимые РНК-полимеразы, или транскриптазы. Позднее других обнаружены у РНК-содержащих вирусов ферменты, способные катализировать синтез ДНК по матрице РНК – РНК-зависимые ДНК-полимеразы или их более простое название – обратные транскриптазы. Тут названы только самые основные ферменты, в действительности в клетке для реализации наследственности их требуется намного больше.
4. Открытие и изучение применения «векторов» – небольших фрагментов ДНК, способных осуществить встраивание чужого фрагмента генома в иную клетку.
Хотя последнее открытие не связано непосредственно с открытием и изучением ферментов, без перечисленных в первых трех пунктах ферментов у человечества не было бы возможности манипулировать с ДНК, создавать «гибридные» молекулы и вводить их в клетки.
Технология генотерапии была впервые применена в 1990 г. при лечении Ашанти де Сильвы, четырехлетней девочки, страдавшей от тяжелой формы иммунодефицита. У нее был поврежден ген, содержащий инструкции для производства белка аденозиндезаминазы (ADA). Без этого белка белые клетки крови умирают, что делает организм беззащитным перед вирусами и бактериями.
Работающая копия гена ADA была введена в клетки крови Ашанти с помощью модифицированного вируса. Клетки получили возможность самостоятельно производить необходимый белок. Через шесть месяцев количество белых клеток в организме девочки поднялось до нормального уровня. Дефицит ADA компенсировался дополнительными инъекциями.
На основе работ биохимиков созданы условия для развития промышленного синтеза и применения ферментов, имеющих большое значение в медицине и в ряде таких отраслей, как легкая, пищевая и химическая промышленность. С применением ферментов осуществляют микробиологический синтез витаминов, нашедших широкое применение в медицине и сельском хозяйстве. С помощью генетических методик получены и внедрены в производство высокоактивные продуценты антибиотиков (генно-модифицированные бактерии и грибки). Это позволило значительно увеличить выход пенициллина, стрептомицина, террамицина и других антибиотиков.
Ферменты, генная инженерия.
Знание и понимание
1. Что означает термин «фермент»? Считаете ли вы данный термин удачным?
2. Как вы понимаете суть противоречия: «Ферменты – это вещества, образующиеся в результате жизнедеятельности живых организмов» и «Ферменты – это самостоятельные вещества, образующиеся в ходе определенных химических реакций и находящиеся в естественной среде постоянно»?
Применение
1. Сравните понятия: «иммобилизованные ферменты», «неиммобилизованные ферменты».
2. Назовите причины, по которым развитие генной инженерии и создание рекомбинантных ДНК без открытия определенных ферментов было бы невозможно.
Анализ
1. Используя примеры (мира или Казахстана), докажите, что жизнь человека улучшилась с момента открытия ферментов в медицине, различных видах промышленного и сельскохозяйственного производства. Приведите примеры из дополнительных источников.
2. Выскажите ваше мнение о причинах, по которым ферменты не используются в реакциях с высокой температурой и давлением. К чему может привести их использование в таких условиях?
Синтез
1. Порассуждайте, к каким последствиям может привести нарушение последовательности всего одной аминокислоты в белке. Докажите на примерах, к каким последствиям может привести недостаток даже одного фермента в организме человека.
2. Систематизируйте плюсы и минусы производства и использования ферментов в промышленных масштабах.
Оценка
1. Обсудите реальную ситуацию.
В городе Н. на предприятии по производству очень сложных неорганических катализаторов, состоящих из большого количества ингредиентов, был круглосуточный график работы по сменам. Само производство отдаленно напоминало кухню, а именно: ингредиенты по «рецепту» (отработанной технологии) смешивались, иногда (для одних катализаторов) они измельчались, иногда (для других катализаторов) предварительно подвергались температурному или иному воздействию и т. д. Часто после получения необходимой «заготовки» смесь, которая должна была стать катализатором, «запекалась» в промышленной печи (температуру можно было при необходимости довести до 3000°С). Затем готовый катализатор извлекался, упаковывался и отправлялся потребителю. Все оборудование очищалось, и коллектив приступал к производству следующего сложного комплексного катализатора. Было замечено, что все катализаторы, произведенные в ночную смену, обладают большей каталитической активностью, чем их аналоги, произведенные днем.
Предположите максимально возможное количество факторов, из-за которых это стало возможно.
2. Ознакомьтесь с реальной ситуацией.
Сейчас в птицеводстве в качестве кормовой добавки применяют искусственно разработанные ферменты и даже неорганические катализаторы. Они улучшают пищеварение и повышают процент усвоения питательных веществ пищи организмам птиц. В результате породы кур с геномом, полученным традиционными селекционными методами (НЕ генно-модифицированные), употребляющие катализаторы, дают больший привес на единицу съеденного корма. Оцените экономические и экологические последствия применения таких пищевых добавок для сельскохозяйственных животных.
Заключение по разделу «Биотехнология»
В зависимости от окрашивания бактерий методом, впервые разработанным и примененного датским ученым Г. Грамом, инфекционисты делят их на грамположительные и грамотрицательные. Грамположительные бактерии окрашиваются сразу (сине-фиолетовым красителем), так как их оболочка более толстая и состоит из двух слоев: клеточной мембраны и толстого пористого слоя над ней – пептидогликана. Грамотрицательные бактерии видны только при повторном окрашивании сухими красителями (красно-розовыми), так как имеют более тонкую оболочку, состоящую из трех слоев: внешней мембраны, тонкого слоя пептидогликана и мембраны самой клетки. Грамположительные бактерии легче разрушаются лизоцимом, моющими средствами, поддаются лечению антибиотиками первых поколений. Они вызывают часто встречающиеся и легче излечимые инфекции: пневмонию, стафилококки, стрептококки. Грамотрицательные бактерии не разрушаются лизоцимом и поддаются лечению только антибиотиками последних поколений. Они вызывают такие тяжелые, но не массовые инфекции, как менингококк, гонорею, сифилис и др. Все известные бактерии, в том числе непатогенные, окрашиваются по Граму тем или иным образом.
Рекомбинация – процесс сочетания генетического материала разных организмов. Все существа, возникшие в ходе полового процесса, комбинируют в себе наследственный материал отцовского и материнского организмов. Рекомбинантные молекулы ДНК возникают в природе в результате:
1) кроссинговера (между гомологичными хромосомами отца и матери);
2) встраивания вирусных частиц в ДНК клеток, и не вызывающих их гибели (иначе рекомбинантные ДНК исчезали бы с гибелью организмовносителей);
3) встраивание иных (невирусных) «мобильных» генетических элементов, например через плазмиды бактерий.
Современные научные методы позволяют создавать рекомбинантные молекулы ДНК искусственно. Этот процесс включает в себя:
1) выделение генов для их встраивания;
2) подбор «вектора» – фрагмента ДНК вируса или бактерии, который и будет вводить чужеродные гены в другую клетку;
3) соединение вектора и встраиваемой части генома;
4) их «заброска» в клетку-реципиента и осуществление в ней процесса химического «сшивания» ДНК различных организмов.
Так ученым удалось создать трансгенные организмы, например:
– бактерии, производящие инсулин человека или животных;
– растения, содержащие гены бактерий, которые уничтожают насекомых-вредителей;
– бактерии, способные разлагать вредные отходы, и т. д.
Однако создание и использование трансгенных организмов должно производиться с осторожностью и исключать возможные негативные последствия их применения.
Клонирование как процесс создания целых организмов из соматических клеток хорошо изучен, отработан и широко применяется для растений со второй половины ХХ в. О первом успешном клонировании животных было заявлено в конце ХХ в. в Англии (Шотландии). Был создан клон овцы по кличке Долли в 1997 г. в лаборатории под руководством И. Ушмута. Несмотря на все успехи исследований, ведущихся в этом направлении, и сегодня методика клонирования животных не является достаточно отработанной и широко применяемой. Более широкое практическое значение имеет массовое использование ферментов в промышленном и сельскохозяйственном производстве и медицине.