Рисунок 5.1. Просторова структура глюкоамілази
Результати досліджень впливу n-меркурібензоата на каталітичну активність глюкоамілази дозволяють зробити висновок про те, що до складу активного центру даного ферменту не входять імідазольного група гістидину і SH-групи, а в гідролізі крохмалю беруть участь карбоксильні групи аспарагінової і глутамінової кислот.
Використовуючи дані рентгеноструктурного аналізуі програму MolScript, методом молекулярного моделювання показано, що активний центр глюкоамілази розташований в наскрізний порожнини (~ 1,5 нм), обмежену наступними амінокислотними залишками: Leu-58, Leu-130, Leu-177, Leu - 319, Trp-178, Trp-417, Phe-187 (Рис1).
Встановлено, що в гідролізі крохмалю беруть участь карбоксильні групи Asp-55, Glu-179, Glu-400 (рис.2).
Активний центр ферменту розташовується в щілини, прикритій двома кластерами молекул H2O: перше - в області Leu-58 (12 молекул H2O), другий - у поглибленні активного центру (7 молекул). Показано, що з одного боку щілини активного центру зосереджені Asp-55 та Glu-179, а з протилежного - Glu-400.
Результати рентгеноструктурного аналізу (Альошин А.Е. та ін, 1994 [10]) показали, що поверхня молекули глюкоамілази глікозильованого: 10 амінокислотних залишків серину і треоніну мають маноза (Ser-453, Ser-455, Ser-459, Thr-457 і ін).
Цей фермент характеризується наявністю N-термінального домену, що складається з 440 амінокислотних залишків, O-глікозильованої ділянки, що має 70 амінокислот і C-термінального крохмалезв’язуючого домену (100 амінокислот). Каталітичний домен має 2 N-глікозильовані ділянки, причому контакт між N-глікозильованими ланцюгами і поліпептидом стабілізується залишком маннози за допомогою водневого зв'язку або іонізованими молекулами води, чим і визначається стабільність ферменту і можливість утворення надмолекулярних структур. O-глікозильований домен має залишки Gly перед і після C-кінця, які являють собою вигини, що визначають взаємодію крохмалезв’язуючого домену з каталітичним і відповідну орієнтацію молекули субстрату. Глікозилювання запобігає скупчення молекул субстрату в зв'язують центрах і забезпечує стехіометричної зв'язування.
Рисунок 5.2. Просторова структура макромолекули глюкоамілази
Методом комп'ютерного моделювання встановлено, що для молекул глюкоамілази характерна щільна упаковка гідрофобного ядра у вигляді 13 α-спіральних ділянок (рис.3), а так само антипаралельних β-структур, що утворюють 11 петель (рис. 4).
Рисунок 5.3. Топологія α-спіралей в макромолекулі глюкоамілази
Рисунок 5.4. Топологія β-слоїв в макромолекулі глюкоамілази
Під вторинної структурі присутні, крім того, невпорядковані ділянки в кількості 19 (мал. 5). У відсотковому співвідношенні даних структур по протяжності, аморфні ділянки переважають над іншими, що підтверджено також методом ІЧ-спектроскопії.
Рисунок 5. Топологія неупорядкованих ділянок в макромолекулі глюкоамілази
Таким чином, комп'ютерне моделювання дозволяє отримувати додаткову інформацію про структуру білкових макромолекул і проводити розшифровку механізму ферментативного каталізу.
В даний час продовжуються роботи з проблем вивчення топології різних амілолітичних ферментів, таких як α-амілаза, β-амілаза, інулаза та ін. Обговорюються питання топологічної самоорганізації досліджуваних білкових макромолекул, яка визначається взаємозв'язком первинної та вторинної структури[25, 26, 27].
6. ОСОБЛИВОСТІ ТЕХНОЛОГІЧНОГО ПРОЦЕСУ ВИРОБНИЦТВА АМІЛОЛІТИЧНИХ ФЕРМЕНТНИХ ПРЕПАРАТІВ
6.1 Виробничі способи культивування мікроорганізмів - продуцентів ферментів
Існує два способи культивування мікроорганізмів - продуцентів ферментів: поверхневий і глибинний.
Перший спосіб, який застосовується для культивування мікроскопічних грибів, характеризується розвитком міцелію на поверхні твердого або рідкого субстрату. На рідкому субстраті утворюється плівка міцелію, яка продукує не тільки амілолітичні ферменти, але й органічні кислоти, що їх інактивують, тому використовують тверді субстрати з розвиненою поверхнею - пшеничні висівки, дробину барди, картопляну мезгу та ін. Максимальна активність ферментів досягається при культивуванні грибів на пшеничних висівках. Дробина барди бідна живильними речовинами, і активність ферментів у культурах грибів, вирощених на ній, в 4-5 разів нижче, ніж на висівках. Зріла культура грибів внаслідок обволікання часток висівок міцелієм має вигляд щільної войлокоподібної маси. При поверхневому культивуванні пшеничні висівки повинні бути зволожені і простерилізовано. У стерильних умовах готують посівну культуру, але вирощують гриби в нестерильних умовах у кюветах, які встановлюються в негерметичних ростильних камерах. Теплоту, що виділяється в процесі росту грибів, видаляють продування через ростильну камеру стерильного кондиціонованого повітря.
Поверхневий спосіб вирощування мікроскопічних грибів має ряд переваг. Так як під час росту гриба висівки не перемішуються, сторонні мікроорганізми не розповсюджується по всій їхній масі і викликають лише незначне місцеве інфікування, яке, як правило, не впливає на активність ферментів. Це, однак, не виключає необхідності ретельної стерилізації повітря, середовища і обладнання. Культуру на висівках висушують до вмісту вологи 10 ... 11%. У такому вигляді вона може зберігатися тривалий час без значної втрати активності. Це дозволяє організувати централізоване постачання спиртових заводів сухий культурою мікроскопічних грибів, що є одним з переваг поверхневого способу вирощування.
Недолік поверхневого способу – необхідність встановлення безлічі кювет, роботу з якими важко механізувати. Собівартість культури гриба-продуцента висока, причому в основному через витрати великої кількості ручної праці. Механізація процесу вирощування можлива шляхом забудівлі безперервнодіючих установок або бескюветних апаратів з вертикальним товстим шаром живильного середовища та інтенсивним продування повітря через цей шар.
Глибинну культуру мікроорганізмів вирощують на рідкому поживному середовищі при енергійної аерації в герметично закритих апаратах та в стерильних умовах. Процес повністю механізований. Стерильність глибинної культури мікроорганізма – продуцента ферментів позитивно відбивається на результатах зброджування сусла дріжджами [2, 28].
Культура, що виросла в нерухомому шарі при поверхневому культивуванні, представляє собою корж із набряклих часток середовища, щільно пов'язаних міцелієм, що зрісся. Масу роздрібнюють до гранул 5-5 мм. Культуру висушують до 10-12% вологості при температурах не вище 40оС, не довше 30 хвилин. Іноді препарат застосовують прямо в неочищеному вигляді - у шкіряній та спиртової промисловості. У харчовій і особливо медичної промисловості використовуються ферменти тільки високого ступеня очищення.
6.2 Отримання амілолітичних ферментних препаратів з глибинних культур мікроорганізмів
Для отримання амілолітичних ферментних препаратів у нашій країні переважно використовується глибинний спосіб культивування. У цьому випадку мікроорганізми вирощуються в рідкому поживному середовищі. Технічно більш досконалий, ніж поверхневий, так як легко піддається автоматизації та механізації. Концентрація ферменту в середовищі при глибинному культивуванні, зазвичай, значно нижче, ніж у водних екстрактах поверхневої культури. Це викликає необхідність попереднього концентрування фільтрату перед його виділенням.
Підготовка живильного середовища: головним джерелом вуглецю для всіх продуцентів α-амілази є крохмаль різного походження, який вводиться в середу в клейстерізованому стані. Може використовуватися і крохмалевмісну сировину. Біосинтез α-амілази протікає більш інтенсивно, якщо крохмаль частково гідролізувати, не допускаючи накопичення в середовищі низькомолекулярних вуглеводів наприклад гідролізат крохмалю. Склад живильного середовища може включати й інші різні вуглеводвмісні речовини: гідролізат крохмалю, кукурудзяної муки, кормових дріжджів, лужний екстракт кукурудзяної муки. Неорганічні речовини: (NH4) 2HPO4, CaCl2, MgSO4, KCl. Деякі компоненти попередньо подрібнюють, відварюють або гідролітично розщеплюють. Готові до розчинення компоненти подають при постійному помішуванні в ємність для приготування середовища в певній послідовності. Стерилізацію середовища проводять або шляхом мікрофільтрації за допомогою напівпроникних мембран, або за допомогою високих температур. Час обробки в цьому випадку залежить як від інтенсивності фактора, так і від рівня обсіменіння об'єкта. Стерилізуються також всі комунікації та апарати. Повітря очищається до і після аерування. До – тому що містить частинки пилу органічної та неорганічної природи, після – тоу що несе клітини продуцента [2, 6, 29].
Одержання посівного матеріалу: для засіву живильного середовища матеріал готують також глибинним методом. Вид його залежить від продуцента: для грибів це міцеліальна вегетативна маса, для бактерій - молода зростаюча культура на початковій стадії спороутворення. Одержання посівного матеріалу полягає в збільшенні маси продуцента в 3-4 стадії. Обсяг посівного матеріалу залежить від фізіологічних особливостей продуцента. Якщо продуцент розмножується лише вегетативно, він різко зростає (до 5-20%). Якщо ж відбувається рясне спороношення – скорочується до 1%.
Посівний матеріал як на окремих стадіях, так і готовий піддають ретельному мікробіологічний контроль. Він не повинен бути інфікований сторонньою мікрофлорою, в ньому має міститися певна кількість спор або клітин на одиницю маси, генетично закладені в ньому властивості продукувати ферменти повинні стійко зберігатися [30].
Біосинтез ферментів в глибинній культурі протікає протягом 2-4 діб при безперервної подачі повітря і перемішуванні. Висока концентрація поживних речовин на перших етапах можуть гальмувати зростання біомаси продуцента, тому часто свіжа середу або деякі її компоненти вводяться в ферментер на стадії активного зростання. Температурний оптимум знаходиться в інтервалі 22-32оС. У сучасних технологічних процесах ведеться безперервне автоматичне визначення вмісту в середовищі вуглеводів, кількості утворилися метаболітів і концентрації клітин. Дані надходять в комп'ютер, який визначає стратегію корекції процесу і автоматично регулює його. Цим досягається максимальна продуктивність і найкращу якість продуктів.
Відомі наступні різновидності глибинного культивування: періодичний, безперервно-циклічний і безперервно-проточний.
1. Періодичний спосіб характеризується незмінність живильного середовища в ферментера, склад якої в процесі розвитку поступово змінюється. Процес протікає постадійно: у ферментер набирають живильне середовище і задають посівний матеріал; після розмноження мікроорганізмів і накопичення продуктів їх обміну зрілу культуру вивантажують, а все обладнання, комунікації та запірні пристрої пормивають, а потім стерилізують парою.
2. При безперервноциклічному способі мікроорганізми, розташовані на нерухомої насадці у ферментері, омиваються середовищем, що протікає в замкнутому контурі, до повного споживання ними поживних речовин. Після цього зрілу культуру вивантажують, починаючи з останнього, апарати промивають, стерилізують і цикл повторюють з останнього голів ¬ ного ферментера. Багата поживними речовинами середу під час такої циклічної ферментації поступово виснажується; за часом перебування середовища в зоні реакції цей процес більш тривалий, ніж періодичний.
3. Безперервно-проточний спосіб культивування мікроорганізмів більш досконалий. Суть його полягає в тому, що мікробна популяція розвивається в проточному поживному середовищі. Спосіб має два різновиди: гомогенно-неперерваним і градієнтні-безперервний. У першому випадку вирощування ведуть в одному ферментері; при ретельному перемішування середовища та аерації забезпечується однакове стан культури в усьому об'ємі рідини. У ферментер при цьому не безперервно надходить свіжа середи, а з нього також безупинно випливає надлишок зрілої культуральної рідини.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11
