Что такое ферментативный катализ
Ферментативный катализ
Полезное
Смотреть что такое «Ферментативный катализ» в других словарях:
ФЕРМЕНТАТИВНЫЙ КАТАЛИЗ — (биокатализ) ускорение химических реакций в живых клетках специальными белками ферментами. В основе ферментативного катализа лежат те же химические закономерности, что и в основе небиологического катализа, используемого в химическом производстве … Большой Энциклопедический словарь
ФЕРМЕНТАТИВНЫЙ КАТАЛИЗ — биокатализ, избирательное ускорение химич. реакций, протекающих в живом организме, под влиянием ферментов. Основан на снижении энергетич. барьера (т. н. энергии активации) за счёт образования промежуточных комплексов фермента с субстратом.… … Биологический энциклопедический словарь
ферментативный катализ — (биокатализ), ускорение химических реакций в живых клетках специальными белками ферментами. В основе ферментативного катализа лежат те же химические закономерности, что и в основе небиологического катализа, используемого в химическом… … Энциклопедический словарь
ферментативный катализ — fermentinė katalizė statusas T sritis chemija apibrėžtis Cheminių reakcijų greitinimas fermentais. atitikmenys: angl. fermentation catalysis rus. ферментативный катализ … Chemijos terminų aiškinamasis žodynas
ФЕРМЕНТАТИВНЫЙ КАТАЛИЗ — (биокатализ), ускорение биохим. р ций при участии белковых макромолекул, называемых ферментами (энзимами). Ф. к. разновидность катализа, хотя термин ферментация (брожение )известен с давних времен, когда еще не было понятия хим. катализа. Первое… … Химическая энциклопедия
Ферментативный катализ — (от лат. fermentum закваска + катализ) он же биокатализ, ускорение химических реакций в живых клетках специальными белками ферментами … Начала современного естествознания
ФЕРМЕНТАТИВНЫЙ КАТАЛИЗ — (биокатализ), ускорение хим. реакций в живых клетках спец. белками ферментами. В основе Ф. к. лежат те же хим. закономерности, что и в основе небиол. катализа, используемого в хим. произ ве. Вместе с тем Ф. к. отличается исключительно высокой… … Естествознание. Энциклопедический словарь
катализ — Термин катализ Термин на английском catalysis Синонимы Аббревиатуры Связанные термины активная каталитическая фаза, активный центр катализатора, биосенсор, носитель катализатора, супрамолекулярный катализ, цеолит Определение Ускорение химических… … Энциклопедический словарь нанотехнологий
КАТАЛИЗ — (от греч. katalysis разрушение), изменение скорости хим. р ции при воздействии в в ( катализаторов), к рые участвуют в р ции, но не входят в состав продуктов. Катализатор не находится в стехиометрич. отношениях с продуктами и регенерируется после … Химическая энциклопедия
Катализ — (греч. κατάλυσις восходит к καταλύειν разрушение) избирательное ускорение одного из возможных термодинамически разрешенных направлений химической реакции под действием катализатора(ов), который многократно вступает в промежуточное… … Википедия
главная > справочник > химическая энциклопедия:
Ферментативный катализ
Первое исследование ферментативного катализа как химического процесса было выполнено К. Кирхгофом, который в 1814 продемонстрировал ферментативную конверсию крахмала в растворимые углеводы.
Заметный вклад в представление о природе ферментативного катализа внесли работы И. Берцелиуса и Э. Мичерлиха, которые включили ферментативные реакции в категорию химических каталитических процессов. В конце 19 в. Э. Фишер высказал гипотезу о специфичности ферментативных реакций и тесном стерическом соответствии между субстратом и активным центром фермента. Основы кинетики ферментативных реакций были заложены в работах Л. Михаэлиса (1913).
В 20 в. происходит интенсивное изучение хим. основ Ф. к., получение ферментов в кристаллическом состоянии, изучение структуры белковых молекул и их активных центров, исследование большого числа конкретных ферментативных реакций и ферментов.
В простейшем случае уравнение реакции с участием фермента имеет вид:
Превращение субстрата в продукт происходит в комплексе Михаэлиса. Часто субстрат образует ковалентные связи с функциональными группами активного центра, в том числе и с группами кофермента (см. Коферменты). Большое значение в механизмах ферментативных реакций имеет основной и кислотный катализ, реализуемый благодаря наличию имидазольных групп остатков гистидина и карбоксильных групп дикарбоновых аминокислот.
Большинство ферментов обладает высокой субстратной специфичностью, то есть способностью катализировать превращение только одного или нескольких близких по структуре веществ. Специфичность определяется топографией связывающего субстрат участка активного центра.
Активность ферментов регулируется в процессе их биосинтеза (в том числе благодаря образованию изоферментов, которые катализируют идентичные реакции, но отличаются строением и каталитическими свойствами), а также условиями среды (рН, температура, ионная сила раствора) и многочисленными ингибиторами и активаторами, присутствующими в организме. Ингибиторами и активаторами могут служить сами субстраты (в определенных концентрациях), продукты реакции, а также конечные продукты в цепи последовательных превращений вещества (см. Регуляторы ферментов).
Установлен механизм регулирования ферментативной активности путем действия ингибитора (или активатора) на специфичный центр белковой молекулы с опосредованной передачей воздействия на активный центр фермента через белок. Обнаружены эффекты кооперативного взаимодействия нескольких молекул субстрата на белковой матрице. Найден способ «жесткого» выведения фермента из процесса посредством индуцированной субстратом необратимой инактивации.
Лит.: Березин И.В., Исследования в области ферментативного катализа и инженерной этимологии, M., 1990. См. также лит. к ст. Биотехнология, Генетическая инженерия, Ферментативных реакций кинетика, Ферменты.
ФЕРМЕНТАТИВНЫЙ КАТАЛИЗ
Полезное
Смотреть что такое «ФЕРМЕНТАТИВНЫЙ КАТАЛИЗ» в других словарях:
ФЕРМЕНТАТИВНЫЙ КАТАЛИЗ — (биокатализ) ускорение химических реакций в живых клетках специальными белками ферментами. В основе ферментативного катализа лежат те же химические закономерности, что и в основе небиологического катализа, используемого в химическом производстве … Большой Энциклопедический словарь
ферментативный катализ — (биокатализ), ускорение химических реакций в живых клетках специальными белками ферментами. В основе ферментативного катализа лежат те же химические закономерности, что и в основе небиологического катализа, используемого в химическом… … Энциклопедический словарь
ферментативный катализ — fermentinė katalizė statusas T sritis chemija apibrėžtis Cheminių reakcijų greitinimas fermentais. atitikmenys: angl. fermentation catalysis rus. ферментативный катализ … Chemijos terminų aiškinamasis žodynas
Ферментативный катализ — биокатализ, ускорение химических реакций под влиянием ферментов (См. Ферменты). В основе жизнедеятельности лежат многочисленные химические реакции расщепления питательных веществ, синтеза необходимых организму химических соединений и… … Большая советская энциклопедия
ФЕРМЕНТАТИВНЫЙ КАТАЛИЗ — (биокатализ), ускорение биохим. р ций при участии белковых макромолекул, называемых ферментами (энзимами). Ф. к. разновидность катализа, хотя термин ферментация (брожение )известен с давних времен, когда еще не было понятия хим. катализа. Первое… … Химическая энциклопедия
Ферментативный катализ — (от лат. fermentum закваска + катализ) он же биокатализ, ускорение химических реакций в живых клетках специальными белками ферментами … Начала современного естествознания
ФЕРМЕНТАТИВНЫЙ КАТАЛИЗ — (биокатализ), ускорение хим. реакций в живых клетках спец. белками ферментами. В основе Ф. к. лежат те же хим. закономерности, что и в основе небиол. катализа, используемого в хим. произ ве. Вместе с тем Ф. к. отличается исключительно высокой… … Естествознание. Энциклопедический словарь
катализ — Термин катализ Термин на английском catalysis Синонимы Аббревиатуры Связанные термины активная каталитическая фаза, активный центр катализатора, биосенсор, носитель катализатора, супрамолекулярный катализ, цеолит Определение Ускорение химических… … Энциклопедический словарь нанотехнологий
КАТАЛИЗ — (от греч. katalysis разрушение), изменение скорости хим. р ции при воздействии в в ( катализаторов), к рые участвуют в р ции, но не входят в состав продуктов. Катализатор не находится в стехиометрич. отношениях с продуктами и регенерируется после … Химическая энциклопедия
Катализ — (греч. κατάλυσις восходит к καταλύειν разрушение) избирательное ускорение одного из возможных термодинамически разрешенных направлений химической реакции под действием катализатора(ов), который многократно вступает в промежуточное… … Википедия
ФЕРМЕНТАТИВНЫЙ КАТАЛИЗ
ФЕРМЕНТАТИВНЫЙ КАТАЛИЗ (биокатализ), ускорение биохим. р-ций при участии белковых макромолекул, называемых ферментами (энзимами). Ферментативный катализ- разновидность катализа, хотя термин «ферментация» (брожение)известен с давних времен, когда еще не было понятия хим. катализа.
Первое исследование ферментативного катализа как хим. процесса было выполнено К. Кирхгофом, к-рый в 1814 продемонстрировал фер-ментативную конверсию крахмала в растворимые углеводы.
Заметный вклад в представление о природе ферментативного катализа внесли работы И. Берцелиуса и Э. Мичерлиха, к-рые включили ферментативные р-ции в категорию хим. каталитич. процессов. В кон. 19 в. Э. Фишер высказал гипотезу о специфичности ферментативных р-ций и тесном стерич. соответствии между субстратом и активным центром фермента. Основы кинетики ферментативных р-ций были заложены в работах Л. Михаэ-лиса (1913).
В 20 в. происходит интенсивное изучение хим. основ ферментативного катализа, получение ферментов в кристаллич. состоянии, изучение структуры белковых молекул и их активных центров, исследование большого числа конкретных ферментативных р-ций и ферментов.
В простейшем случае ур-ние р-ции с участием фермента имеет вид:
Превращение субстрата в продукт происходит в комплексе Михаэлиса. Часто субстрат образует ковалентные связи с функц. группами активного центра, в т. ч. и с группами кофермента (см. Коферменты). Большое значение в механизмах ферментативных р-ций имеет основной и кислотный катализ, реализуемый благодаря наличию имидазольных групп остатков гистидина и карбоксильных групп дикарбоно-вых аминокислот.
Большинство ферментов обладает высокой субстратной специфичностью, т. е. способностью катализировать превращение только одного или неск. близких по структуре в-в. Специфичность определяется топографией связывающего субстрат участка активного центра.
Активность ферментов регулируется в процессе их биосинтеза (в т.ч. благодаря образованию изоферментов, к-рые катализируют идентичные р-ции, но отличаются строением и каталитич. св-вами), а также условиями среды (рН, т-ра, ионная сила р-ра) и многочисленными ингибиторами и активаторами, присутствующими в организме. Ингибиторами и активаторами могут служить сами субстраты (в определенных концентрациях), продукты р-ции, а также конечные продукты в цепи последоват. превращений в-ва (см. Регуляторы ферментов).
Осн. направления совр. исследований ферментативного катализа- выяснение механизма, обусловливающего высокие скорости процессов, высокую селективность (специфичность действия ферментов), изучение механизмов контроля и регуляции активности ферментов. Оказалось, в частности, что р-ции ферментативного катализа включают большое число стадий с участием лабильных промежут. соед., времена жизни к-рых изменяются в нано- и миллисекундном диапазонах. На активных центрах ферментов протекают быстрые (нелимитирующие) стадии, в результате чего понижается энергетич. барьер для наиб. трудной, лимитирующей стадии.
Установлен механизм регулирования ферментативной активности путем действия ингибитора (или активатора) на специфичный центр белковой молекулы с опосредованной передачей воздействия на активный центр фермента через белок. Обнаружены эффекты кооперативного взаимод. неск. молекул субстрата на белковой матрице. Найден способ «жесткого» выведения фермента из процесса посредством индуцированной субстратом необратимой инактивации.
Ф ерментативный катализ- основа мн. современных хим. технологий, в частности крупномасштабных процессов получения глюкозы и фруктозы, антибиотиков, аминокислот, витаминов и регуляторов, а также тонкого орг. синтеза. Разработаны методы, позволяющие проводить ферментативные р-ции в орг. р-ри-телях, обращенных мицеллах (см. Мицеллообразование). С ферментативным катализом связаны перспективы развития иммуноферментного и биолюминесцентного анализа, применения биосенсоров. Созданы методы, позволившие придать каталитич. активность антителам, обнаружена каталитич. активность у рибонуклеи-новой к-ты (абзимы, рибозимы соотв.).
Лит.: Б е r е з и н И. В., Исследования в области ферментативного катализа и инженерной этимологии, M., 1990. См. также лит. к ст. Биотехнология^ Генетическая инженерия, Ферментативных реакций кинетика, Ферменты.
Ферментативный катализ | Биокатализ
Высокоизбирательные активные катализаторы для экологически чистой химии
Что такое ферментативный катализ или биокатализ?
Под биокатализом, или ферментативным катализом, понимается применение биологически активных соединений для ускорения химических превращений. Биокатализ ускоряет различные реакции, где основным компонентом выступают соединения на основе углерода. Эти реакции происходят в различных средах: от бесклеточных, протекающих полностью in vitro, до опосредованных ферментацией процессов в культуре живых клеток.
Биокатализ может стать полезной альтернативой обычному химическому катализу по ряду причин. Ферментативные биокаталитические реакции:
Направленная разработка биокатализаторов улучшает их стабильность в растворителях при повышенной температуре, обеспечивая широкое применение биокатализа в фармацевтической, химической, биотопливной и пищевой промышленности.
В чем ценность ферментативного катализа?
Биокатализ относится к области «зеленого», экологически ответственного и рентабельного производства химических продуктов. В отличие от химического катализа, биокатализаторам изначально присущи определенные преимущества с точки зрения синтеза:
Ферменты-биокатализаторы обладают важными, свойствами, которые часто оказываются полезны и включают:
A) Связывание и распознавание других биопрепаратов или малых молекул, сайт-специфичное или по функциональным группам
B) Облегчение ассоциации или вытеснения других биопрепаратов или малых молекул
C) Структурные или электростатические свойства, облегчающие перенос ионов
D) Способность к преобразованиям с изменением степени упорядоченности и, следовательно, каталитической активности
E) Аллостерические и непрямые модификации, которые индуцируют или подавляют активность ферментов
Исследования улучшенных или модифицированных рекомбинантных биокатализаторов продолжают расширять возможности их применения в агрессивных химических средах, улучшать условия проведения реакции, устойчивость ферментов и возможность их повторного использования. В настоящее время имеются природные и искусственно созданные биокатализаторы для таких важных химических превращений, как образование связей C — C, амидных связей, образование хиральных аминов и функционализация C — H.
Биокатализ, ферменты и биотрансформации
Сфера применения ферментов-биокатализаторов чрезвычайно широка и охватывает практически все отрасли, включая пищевую промышленность, фармацевтику, производство текстиля, биотоплива, бумаги, бытовой химии и товаров для дома. В тонком химическом синтезе, химии фармацевтических препаратов и связанных с ними промежуточных продуктов биокатализ (ферментативный или ферментно-опосредованный катализ) быстро стал передовой технологией. Имеются ферменты для различных биотрансформаций, таких как окисление, восстановление, присоединение и отщепление.
Шесть основных классов ферментов и примеры их использования:
1. Оксидоредуктазы — ферменты, катализирующие окислительно-восстановительные реакции. Монооксигеназы, катализирующие реакции присоединения одного атома кислорода, позволяют образовывать связи C — O. Разработаны специальные ферменты для окисления спиртов, кетонов, альдегидов и аминов. Что касается восстановления, то кеторедуктазы (KREDS) и дегидрогеназы позволяют синтезировать энантиоспецифичные спирты. Другие ферменты восстанавливают группы, такие как C = N, превращая нитрилы в амины.
2. Трансферазы применяются для переноса функциональных групп из одной молекулы в другую. Киназа и фосфатазы (добавление и удаление фосфатов) особенно важны для молекулярных сигнальных каскадов, репликации ДНК, транскрипции РНК и других процессов. Существует также множество биологически значимых трансфераз, которые выполняют функции, например, превращения кетонов или альдегидов в амины, в том числе стереоселективно.
3. Гидролазы катализируют гидролиз различных субстратов. Нуклеазы или протеазы проявляют активность в процессах рециклинга нуклеиновых кислот и пептидов. Такие гидролазы, как липаза, протеаза и ацилаза, действуют как катализаторы реакций 1,4-присоединения Михаэля, широко используемых для образования связей C — C и углерод — гетероатом.
4. Лиазы обычно катализируют реакции образования и разрыва двойных связей. В отличие от реакций замещения, катализируемых гидролазами, для биокаталитического присоединения или удаления CO2 в фармацевтическом синтезе обычно используются карбоксилазы или декарбоксилазы. Их, как и C-N-лиазы, можно использовать для образования аминокислот, включая замещенные аспарагиновые кислоты и аланины.
5. Изомеразы способствуют перегруппировке атомов в молекулах. Например, рацемазы инвертируют стереохимию целевого хирального углерода, а цис-транс-изомеразы катализируют изомеризацию цис-транс-изомеров в алкенах и циклоалканах. Превращение глюкозы во фруктозу с помощью глюкозоизомеразы является примером важного промышленного применения ферментативной биотрансформации.
6. Лигазы способствуют образованию новых химических связей, когда две молекулы соединяются в одну, более крупную. Одно из наиболее важных направлений — использование ДНК-лигазы, в дополнение к эндо- или экзонуклеазам, для получения рекомбинантных молекул ДНК.
Вспомогательные процессы
Производство ферментных катализаторов. Как правило, природные или рекомбинантные ферменты для биокатализа синтезируются путем ферментации, чаще всего с использованием бактерий, но иногда их также получают из дрожжевых культур. Хотя ферменты можно получать и из более сложных культур клеток млекопитающих, бактерии и дрожжи обычно содержат достаточное количество естественных молекулярных путей для фолдинга и умеренных посттрансляционных модификаций, необходимых для рекомбинантных биокаталитических ферментов. Полученные таким образом ферменты обычно выделяют путем лизиса или другого метода разрушения клеточных структур, пригодного для высвобождения рекомбинантных ферментов, и далее очищают теми же способами, что и другие биологические фармацевтические препараты. Ферментация, сбор материала и последующее выделение целевого продукта представляют собой отдельные задачи, которые решаются с помощью процессно-аналитической технологии (PAT).
Стабилизация и иммобилизация. Иммобилизация ферментов используется для получения более стабильных и активных ферментов, пригодных для повторного использования. Как правило, поперечно сшитые ферментные агрегаты (ПСФА) могут быть образованы на различных твердых субстратах, таких как кремнезем, смолы и полимеры (например, полиэтиленгликоль), и даже на липидных наночастицах (LNP). В некоторых процессах химии непрерывных потоков ПСФА формируются на поверхностях и датчиках, например на таких, которые используются в измерениях поверхностно-усиленными методами для аналитических или каталитических целей. Проблемы синтеза родственных компонентов, адсорбции, конъюгации и других типов ассоциации, а также стабильности продукта и рецептуры решаются способами, применяемыми при производстве вакцин и использовании адъювантов.
Сбор и выделение продукта. По завершении биокаталитического процесса ПСФА отделяются от продукта и остаточных реагентов для повторного использования или хранения. Впоследствии низкомолекулярные продукты могут быть выделены с помощью фильтрации или хроматографии, хотя во многих случаях предпочтение по-прежнему отдается методам кристаллизации. Высокомолекулярные продукты биокатализа выделяются, как правило, с применением обычных технологий.
Технологические параметры, влияющие на биокатализ
Для успешной разработки биокаталитического протокола с использованием любого фермента, как связанного в субстратом или твердой поверхностью, так и свободного, важно учитывать его время полужизни и стабильность. Основные факторы:
Автоматизация для успешной разработки и масштабирования биокаталитических реакций
Разработка и масштабирование биокаталитических реакций зависят от природы используемых биокатализаторов, субстратов, сопутствующих факторов и условий проведения реакции. Как и в случае химического катализа, эту сложную взаимозависимую матрицу переменных легче всего изучать при строгом контроле переменных реакции и данных аналитических измерений в режиме реального времени. Однако большая часть ограничений, связанных с разработкой, масштабированием и плотностью данных, для современных процессов связана с продолжающейся практикой ручного регулирования реакций биокатализа, которая требует времени и ресурсов. Ручное управление подразумевает присутствие персонала у биореактора для почти постоянного обслуживания, регулирования и отбора проб, чтобы выполнить все более строгие нормативные и организационные требования к описанию процесса и передаче технологии.
Биокатализ без ручного управления возможен благодаря применению лабораторных систем автоматизации, которые реагируют на динамические условия реакции, непрерывно измеряемые с помощью встроенных датчиков и средств процессно-аналитической технологии (PAT). Автоматизированные реакторы синтеза упрощают проведение экспериментов, сводят к минимуму участие оператора и риск человеческой ошибки. Если в дополнение к ним использовать модульные средства автоматического отбора проб из реактора для автономного хроматографического анализа, то можно составить общую картину всех критических параметров процесса (CPP) и выявить тенденции. Данные параметрического контроля и анализа процесса автоматически регистрируются в режиме реального времени с последующим структурированием для управления и архивирования. Уменьшение изменчивости параметров в рамках серии экспериментов и повышенная воспроизводимость в реакторах разного объема дополнительно упрощают масштабирование, основанное на фактических данных.