Биокаталитические системы

Специфичность естественно связать с особенностями структуры в биокаталитических системах чисто стерические факторы и механизмы, снижающие энергию активации, вообще говоря, не совпадают. Одни части каталитической системы выполняют функции, главным образом (но не исключительно), связанные с пространственной организацией системы, а другие в этой организованной системе осуществляют собственно катализ. [c.56]

Нас интересует здесь только фотохимическая стадия реакции фотосинтеза, та стадия, на которой энергия кванта красного света, поглощаемого хлорофиллом, преодолевает самый трудоемкий этап мобилизации водорода у инертной молекулы оды. Действительно, требуется значительная энергия, явно не покрываемая малой энергией красного кванта, для того чтобы осуществить отрыв атома Н от молекулы НаО и перенести его на высокий энергетический уровень автоматически работающей ферментной биокаталитической системы. Энергетическая потреб- [c.379]

Книга и начинается с рассмотрения общих закономерностей биогенеза и проблем химической эволюции того периода, который предшествовал появлению жизни. Затем рассматриваются характерные черты биокаталитических структур и системы, образуемые биокатализаторами. [c.8]

Другая особенность ферментных систем заключается в том, что геометрически определенная и благоприятная для реакции конфигурация достигается за счет действия таких участков системы, которые не входят непосредственно в состав активного центра, но могут быть собраны и стабилизированы под действием субстрата. Взаимные изменения молекулярной конфигурации превращают молекулы субстрата и активные участки фермента в единую систему, распад которой регенерирует фермент. Возможно, что активные группы фермента или часть его молекулы обладают более растяжимыми связями, и поэтому после распада субстрата или соединения молекул субстратов друг с другом активные группы возвращаются на свои места, словно оттянутые пружиной. К сожалению, кинетика ферментных реакций не учитывает динамичности всех звеньев биокаталитических механизмов и вынуждена ограничиваться заведомо упрощенными схемами и предположениями о неизменности состояния катализатора после реакции. К этому вопросу примыкает и проблема регулирования систем ферментов, разработка которой пока еще находится в начальной стадии. [c.133]

Активные группы ряда важных ферментов содержат комплексно связанный металл. Поэтому вполне естественно, что одной из задач моделирования было выяснение возможностей использования комплексных соединений в качестве катализаторов. Однако проблема оказалась более сложной, чем это могло показаться на основании анализов каталазы или оксидаз различного типа. Большое число металлов существенно необходимо для функционирования биокаталитических систем, причем способ действия катионов часто остается неясным, хотя наличие того или иного катиона — активатора — в каталитической системе не вызывает сомнений. [c.146]

Не менее важной стороной биокатализа надо считать и гибкость каталитически активных структур, обусловливающую легкую деформацию активного центра под влиянием субстрата. Наконец, наиболее существенной чертой биокаталитических систем, конечно, является их динамическая природа и способность к поддержанию постоянства структурных параметров за счет обратных связей, т. е. автоматическое регулирование. Все эти свойства катализаторов клетки на модельных системах почти не изучались и представляют собой новую и привлекательную область исследования. [c.168]

Интересно, что он был настолько уверен в том, что природа биокаталитических процессов не отличается от природы обычных химических реакций, что создал целую серию модельных систем, исследование которых должно было помочь пониманию течения процессов в организме. Так, он пытался вызвать некоторые процессы, аналогичные, как он считал, брожению в системе индиго - серная кислота. Он изучал также процессы разложения сахара в присутствии платиновой черни и воды. Образование смеси веществ, дающих реакцию с иодом, и окиси углерода свидетельствовало, по его мнению, что этот процесс близок по природе процессам, имеющим место в организме при дыхании. [c.97]

Третья причина развития теоретической энзимологии за последние десятилетия главным образом в терминологическом и популяризационном планах связана с рядом ограничений самого рентгеноструктурного анализа. Во-первых, несмотря на уникальность и ценность этого метода как практически единственного источника информации о трехмерных структурах белков, получаемые им результаты касаются только статического состояния фермента и, следовательно, прямо не отвечают на вопрос о динамических конформационных и электронных характеристиках активной конформации, что представляет первостепенный интерес в изучении биокаталитического процесса. Выявление потенциальных возможностей объектов исследования и предсказание их поведения - прерогатива теоретического подхода. Во-вторых, рентгеновский метод позволяет расшифровать трехмерные структуры комплексов ферментов, но комплексов не с субстратами, а с ингибиторами. Могут быть получены структурные данные о целой серии ингибиторных комплексов одного фермента, которые в той или иной мере (но всегда неявной) соответствуют химическим элементарным стадиям каталитического акта. Однако в таком наборе все ингибиторы отличаются по своему химическому и пространственному строению как от истинного субстрата, так и друг от друга. Не зная продуктивной ориентации субстрата в активном центре, а также актуальных для катализа фермент-субстратных взаимодействий и обусловленных ими конформационных перестроек и имея дело со сложной системой, трудно составить полное и объективное представление о причинах спонтанного протекания каталитической реакции. Предпринимаемые здесь попытки представляют собой стремление воссоздать механизм каталитического акта, располагая структурными данными, одна часть которых отвечает реальному, исходному состоянию фермента, а другая, большая часть, фермент-ингибиторным комплексам, которые в чем-то (в чем именно, неизвестно) отличаются от промежуточных продуктивных комплексов истинного многостадийного процесса. [c.106]

Манипулирование с микроорганизмами. В отличие от отдельного фермента микроорганизм является многофункциональным биокатализатором, что, с одной стороны, налагает ограничение на многие параметры системы, а с другой, предоставляет широкий диапазон возможностей для манипулирования его свойствами. При использовании микроорганизма, утилизирующего, например, в качестве субстрата и аскорбат, и глюкозу, может наблюдаться искажение сигнала при определении одного из этих веществ в присутствии другого. Имеется, однако, ряд способов подавления поглощения или катаболизма мешающего вещества. Например, модифицируя соответствующим образом строение биокаталитического слоя или проводя биологи- [c.252]

ПодготоЕ ленная путем модифицирования реакцией с -амино-пропилтриэтоксисиланом поверхность достаточно крупнопористого силохрома или силикагеля может быть использована для иммобилизации белков и, в частности, ферментов, нужных для проведения -биокаталитических реакций. Для этого, как указывалось в лек-дии 5, надо провести дальнейшее модифицирование поверхности адсорбента-носителя прививкой агента (глутарового альдегида), способного вступить в реакцию с аминогруппами как модификатора, так и балка. Адсорбент-носитель с привитыми теперь уже альдегидными концевыми группами вводится в реакцию с различными белками. Ра ссмотрим иммобилизацию уреазы — важного фермента, находящего также применение в аналитическом определении мочевины и в аппарате искусственная почка . На рис. 18.9 представлена зависимость активности иммобилизованной уреазы от количества иммобилизованного белка. Адсорбентом-носителем является макропористый силохром со средним диаметром пор 180 нм. Этот размер пор значительно превышает размер глобулы уреазы. Вместе с тем удельная поверхность этого силохрома еще достаточно высока (5 = 41 м /г), чтобы обеспечить иммобилизацию значительного количества уреазы. Из рис. 18.9 видно, что при этом удается иммобилизовать до 120 мг белка на 1 г сухого адсорбента-носителя (это составляет около 3 мг/м ). Активность уреазы снижается не более, чем наполовину, даже при большом количестве уреазы в силикагеле, зато иммобилизованный так фермент можно многократно применять в проточных системах, и он не теряет активности при хранении по крайней мере в течение полугода. [c.341]

Пантотеновая кислота осуществляет свою биологическую функцию в составе коферментов, которые в виде простетической группы в соединении со специфическими белками — апоферментами входят в ферментные системы. Ферменты, включающие в свой состав пантотеновую кислоту, являются важнейшими биокатализаторами реакций ацилирования, среди которых находится реакция ацетилирования холина, связанная с возбудимостью нервного волокна [141], реакции ацетилирования уксусной кислоты в ацетоуксусную кислоту, ацетилирования аминов, спиртов и др. [142, 143]. Однако пантотеновая кислота проявляет свои биокаталитические функции, только входя в состав 2-меркаптоэтнламидных производных. Коферментом ацилирования, переносящим ацетильную и другие ацильные группы посредством своей тиольной группы, является кофермент А [144]. Вся или почти вся связанная пантотеновая кислота в клетках животного организма представлена, вероятно, в виде этого кофермента. [c.72]

Тетрагидрофолиевая кислота и ее активированные формы в соединении со специфическими белками образуют птеринопротеидные ферментные системы, в виде которых и осуществляют свои биокаталитические функции по транспорту одноуглеродных фрагментов между различными субстратами. [c.490]

Можно предполагать наличие подобного биоэлектрокаталитп-ческого механизма не только в модельных, чисто электрохимических, но и в нативных биологических системах, где поляризующее воздействие могут оказывать электроповерхностные явления и окислительно-восстановительные ферменты. Следовательно, интенсификация анодного растворения золота в присутствии белковых остатков и, очевидно белков, может быть по праву отнесена к биоэлектрокаталитическим реакциям — явлению, связанному с ускорением электрохимических реакций в присутствии катализаторов биологической природы. Интерес к этому направлению в электрохимических исследованиях стимулируется перспективами создания принципиально новых технологических процессов. В литературе давно отмечалось, что биокаталитическое воздействие является определяющим для протекания многих процессов растворения и осаждения рудных компонентов в земной коре [41, с. 256]. [c.59]

Большие успехи были достигнуты в познании и самой роли витаминов в жизнедеятельности организмов. Поскольку витамины нужны для нормальных функций организма в относительно очень малых количествах, они не могут быть ни источником энергии, ни материалом для построения тканей организма. Роль витаминов заключается в каком-то биокаталитическом влиянии их на определенные функции организма. Б этом отношении витамины казались подобными ферментам, роль которых как специфических биокатализаторов распознана уже давно. Оказалось, что витамины и ферменты, действите<11ьно, находятся в определенных генетических взаимоотношениях и что многие витамины входят в качестве составных частей простетических групп, или коферментов, стр. 388) в различные ферментные системы (стр. 403). Поэтому, поскольку организм человека или животных не может производить витамины, введение их с пищей необходимо для образования ферментов, без которых невозможно течение в организмах жизненно важных процессов. [c.401]

Изучение свойств отдельных ферментов представляет собой прием исследования, познавательная ценность которого ограничивается тем, что в природе биокатализаторы никогда не действуют в одиночку и, несомненно, никогда не возникали как изолированные единицы. Характерным признаком биокаталитических процессов является разделение даже сравнительно простых реакций на отдельные этапы. В отличие от обычных катализаторов, которым свойственно осуществлять перестройку молекул субстрата на протяжении небольщого числа стадий и часто со значительными энергетическими эффектами, ферментные системы постепенно изменяют структуру молекул и часто вовлекают субстрат в длинный ряд превращений, каждое из которых соответствует малому энергетическому эффекту. [c.63]

Коферменты или кофакторы в отдельных случаях очень слабо связаны с белковой частью, иногда (метал-лопорфириновые комплексы) их связь относительно прочна, и соединение кофермент— белок практически не диссоциирует в растворе. В случае слабой связи и почти полной диссоциации этого соединения бывает трудно провести границу между субстратом и коферментом. В ферментных системах кофермент одного фермента может служить субстратом для другого. Такие вещества связки создают возможности проявления не только пространственных, но и временного кода, так как являются важными звеньями систем биокатализаторов. Хотя кофермент для проявления биокаталитической функции нуждается в белке, так что ферментная реакция совершается в комплексе кофермент — субстрат — белок, тем не менее строение и конфигурация молекул многих коферментов строго специфичны, причем не только первичная, но и структура, и конфигурация всей молекулы кофермента кодируют возможности проявления ее каталитической активности. Примером может служить молекула никотинамидениндинуклеотида (НАД), имеющая изогну- [c.178]

В структуре белка заложены возможности для развития механизмов высших кодов, обусловливающих функционирование белка в качестве биокатализатора кроме того, структура белка несет в себе средства для осуществления регуляций этих функций в более сложных системах, прежде всего в системах ферментов, а затем в системе генов-регуляторов. Синтез ДНК, РНК, фосфолипидно-белковых мембран замкнут, т. е. он приводит к возникновению таких биокаталитических аппаратов, которые обеспечивают воспроизводство создающих их матриц. Клетка, обладающая всей этой аппаратурой, могла бы в подходящей среде жить и размножаться, не эволюционируя. Действительно, в природе начался таинственный процесс дифференциации и образования некоторых клеточных ассоциаций, в которых группы клеток выполняли различные функции. [c.212]

Физик Н. В. Риль, известный своими работами по люминесценции кристаллов, развивает в статье [1] представление о миграции энергии в биологических системах, основанное на уподоблении этих систем неорганическим полупроводникам — фосфорам, в которых при возбуждении квантом света электрон может перейти в зону проводимости. Аналогичная концепция была также выдвинута известным венгерским биологом Сент-Дьёрдьи [2]. В более расплывчатой формулировке представление об электронной проводимости привлекалось и ранее некоторыми биохимиками к объяснению действия ферментов [3]. Риль в своей статье приводит ряд экспериментальных обоснований такой точки зрения и дает развернутую физическую картину, охватывающую широкий круг биокаталитических процессов. Однако представленные упомянутыми авторами опытные доказательства трудно считать убедительными, и предложенная в статье Риля теоретическая [c.352]

За последние 20 лет в области энзимологии достигнуто глубокое понимание физико-химической сущности биологического катализа, выявлены основы специфичности и стереоспецифичности действия ферментов, найдены механизмы регуляции таких важнейших свойств ферментов, как активность и стабильность. Широкое развитие методов химической модификации и иммобилизации белков, а также достижения современной биохимии н микробиологии дали возможность выделять практически любой фермент в нужном количестве и на его основе создавать необходимый гетерогенный катализатор. Благодаря этому, с начала 70-х годов ферменты стали находить применение в современной промышленности и медицине. Экономический эффект только от внедрения первого в нашей стране процесса инженерной этимологии — биокаталитического получения 6-аминопени-циллановой кислоты — составил более 100 млн. рублей. Открылись широкие перспективы использования ферментов для анализа, в 10ИК0М органическом синтезе, в системах биоконверсии солнечной энергии и ряде других областей. [c.6]

Механизм инактивации простагландинэндопероксидсинтетазы в ходе ферментативной реакции детально исследован. Инактивация простагландинэндопероксидсинтетазы промежуточным продуктом ее каталитического действия имеет, по-видимому, значительный физиологический смысл, так как позволяет поддерживать постоянный (и строго определенный) уровень концентрации этих физиологически активных соединений в живых системах (С. Д. Варфоломеев, А. Т. Мевх, 1983). При создании биокаталитических процессов получения простагландинов подобная инактивация одного из ферментов системы в ходе реакции является, пожалуй, основным осложняющим фактором. Выяснение механизма инактивации простагландинэндопероксидсинтетазы позволяет, однако, надеяться, что возможен выбор условий использования фермента, при которых достигается максимальный выход целевого соединения с минимальной потерей биокатализатора. Не следует исключать также путь регенерации инактивированного фермента. [c.58]

Из-за множества биокаталитических процессов, протекающих в клетках, избирательности действия сенсоров на основе цельных клеток ткани следует уделять особое внимание. Изучение избирательности биосенсора на основе ткани почки свиньи показало его пригодность для определения глутамина в сложных биологических объектах. Специально изучалось влияние большого числа соединений (мочевина, Ь-аланин, Ь-аргинин, Ь-гистидин, Ь-валин, Ь-серин, Ь-глутаминат, Ь-аспарагин, Ь-аспартат, О-аланин, О-аспартат, глицин и креатинин), которые могли бы создавать помехи работе сенсора, но оказалось, что они не дают заметного сигнала. Как известно, в клетках почки свиньи велика концентрация О-аминокислотной оксидазы [16], поэтому проверяли также отклик сенсора на различные О-аминокислоты. В присутствии кислорода и воды этот фермент катализирует окислительное деаминиро-вание нескольких О-аминокислот. Однако в специфических условиях работы глутаминовый биосенсор не обнаруживал чувствительности к проверяемым О-аминокислотам. То, что побочные биокаталитические процессы не влияют на сигнал биосенсора, по всей вероятности, обусловлено отсутствием флавинадениндинуклеотида в буферной системе [23]. [c.37]

Интересной особенностью тканевого глутаминового биосенсора является то, что его срок службы существенно выше, чем у биосенсора с выделенным ферментом. В случае чисто ферментной системы глутаминазу иммобилизуют на поверхности аммиачного датчика с помощью тонкой ацети.дцеллюлозной мембраны. Найдено, что после сборки градуировочные кривые ферментного сенсора достаточно быстро ухудшаются. На рис. 3.4 показано несколько градуировочных кривых для сенсора с выделенной глутаминазой в качестве биокаталитического компонента. Видно, что за считанные дни [c.37]

Слой мышечной ткани кролика толщиной 0,5 мм содержит приблизительно пять международных единиц АМР-деаминазной активности [10]. В то же время сравнимый объем (25 мкм) коммерческого препарата фермента имеет активность всего 0,1 ед. Такая низкая активность и приводит к плохой чувствительности ферментных биосенсоров. Фактически перед иммобилизацией выделенный фермент приходится концентрировать фильтрацией в течение 16 ч и в результате активность ферментного слоя на поверхности электрода повышается до 0,9 ед. [35]. Но даже после такого концентрирования ферментативная активность в слое ткани остается выше примерно в пять раз. В табл. 3.4 приведены основные характеристики сенсоров АМР на основе различных биокаталитических материалов. Наилучшие эксплуатационные характеристики, в том числе наклон 58 мВ/рС и срок службы не менее 28 дней, достигаются при использовании кусочка ткани, который обладает наибольшей ферментативной активностью из всех приведенных материалов. Напротив, система на основе фермента характеризуется наклоном, составляющим только 46 мВ/рС и всего лишь четырехдневным сроком службы. Таким образом, если выделенные ферменты имеют недостаточную специфическую активность, то более эффективны слои ткани. [c.44]

Из приведенных выше примеров наиболее хорошо изучена, по-видимому, глюкозо-оксидазная редокс-электродная система [3, 10-12]. Глюкозооксидаза катализирует реакцию между р-В-глюкозой и О2 с образованием глюконолактона и пероксида водорода. Как отмечено во введении, в биокаталитических ферментных редокс-элект-родных системах оксидоредуктазный фермент иммобилизован на поверхности электрода, а определяемое вещество находится в растворе. Другие редокс-системы могут включать 1) иммобилизацию кофактора фермента, например порфирина или флавина, на поверхности электрода в расчете на то, что содержащиеся в пробе апоферменты смогут катализировать окисление или восстановление иммобилизованных редокс-цент-ров 2) иммобилизацию фермента и медиатора на поверхности электрода. Работая с глюкозооксидазой, мы иммобилизовали фермент на электроде из благородного металла или углерода. Предполагается, что потенциал этих электродов зависит от концентрации глюкозы, кислорода и пероксида водорода в растворе, а также наличия функциональных групп на поверхности платины или углерода. Ниже приведена методика и результаты работы с глюкозооксидазным редокс-электродом. [c.134]

До недавнего времени цельные микроорганизмы использовали лишь в биосенсорах косвенного действия, в которых их биокаталитические свойства сочетались с простыми и хорошо известными чувствительными элементами, такими как рН-электрод (в случае индуцируемого субстратом образования кислых или щелочных продуктов) или обычный кислородный электрод (при субстрат-зависимом дыхании). Общее представление о применении этих приборов дают написанная Карубе глава 2 настоящей книги и обзоры [2, 23, 36]. Особое внимание, в частности, уделяется возможностям их использования в клиническом анализе биологических жидкостей, для контроля за ферментационными системами, в токсикологических исследованиях и для определения антибиотиков [17, 21, 32, 47]. [c.238]

Итак, допущение обратимой диссоциации Со-С-связи в биокаталитическом акте позволяет предположить 3 возможных Пути этой диссоциации первый, когда электронная пара связи остается с атомом кобальта и образуются карбониевый ион и Со -производное кобаламина второй, когда электронная пара остается на дезоксинуклеозидной части и образуются карбанион и Со - Проиэводное кобаламина, и третий — гемолитический распад. Замечательной особенностью ДБК-кофермента является то, что в модельных экспериментах реализуются все пути. Весьма возможно, что эти пути осуществляются и при функционировании кофермента в биохимической системе. При этом один путь через карбокатион или Со -кобаламин соответствует нормальному превращению в биокаталитическом процессе, другой путь — инактивации кофермента, так как известно, что обрыв процесса катализа сопровождается образованием оксикобаламина — производного Со . [c.333]

Справочник химика 21

Химия и химическая технология