Biológiai gyorsítók

Amint az ókor legendái és népmeséi tanúskodnak arról, hogy az emberek ősidők óta szőlőléből bort készítettek, savanyú tejből sajtot készítettek, nyilakkal ütötték meg az ellenségeket és a vadállatokat, amelyek hegyei halálos méreggel telítettek. Az ember számos elképesztő átalakulást figyelt meg és használt az élő organizmusokban és az azokból vett anyagokban, például a véralvadást, a hús, a hal és a növényi termékek érését (és bomlását). De miért történik mindez, azt sokáig nem tudta megmagyarázni. Csak a 19. század elején fedeztek fel ilyen átalakulásokat okozó hatóanyagok a biológiai tárgyakban.

Ezeket enzimeknek nevezzük. Az első tiszta enzimek, amelyeket a huszadik század 30-as éveiben kristályok formájában izoláltak, kiderült, hogy fehérjék, és mindegyik később nyert anyag (jelenleg körülbelül kétezer van belőlük) szintén speciális fehérjetípus.

Ma már tudjuk, hogy az enzimek sok szempontból mérhetetlenül felülmúlják a mesterséges katalizátorokat. Először is a cselekvés erejével. Az élő organizmusokban kémiai reakciók ezrei fordulnak elő enzimek részvételével, magas hőmérséklet és nyomás nélkül, millió és milliárdszor gyorsabban, mint a legjobb kémiai katalizátorok jelenlétében.

Az enzimeknek van még egy előnyük - a legfontosabb. A mesterséges katalizátoroktól tetteik feltűnő ésszerűségében különböznek, szigorúan irányítva és a leghatékonyabban. Minden enzim optimálisan működik, anélkül, hogy "optimális technológiai megoldásokat" keresne, és csak egy vagy szorosan rokon vegyületek egy csoportját alakítja át. Sőt, szigorúan meghatározott irányban átalakul.

Ezek azok a csodálatos képességek, amelyeket az enzimek megtaláltak. Azonban tulajdonságaikról sokat tudva a kutatók még századunk küszöbén sem tudtak válaszolni arra, hogy mik is ők. Igaz, akkor is olyan prominens tudósok, mint I. Pavlov, A. Bach, E. Fischer, F. Hopkins voltak meggyőződve arról, hogy bármely szervezet létfontosságú aktivitása, az anyagcsere nem más, mint az élő sejtekben fellépő, számtalan kémiai reakció összessége . Az enzimek pedig a rend őrei (vagy inkább annak szervezői). Ezért világos, hogy milyen fontos szerepet játszanak az anyagcserében. És ő minden biológiai funkció alapja: táplálkozás, szaporodás, fejlődés, öröklődés, ingerlékenység, mobilitás.

Végül is mire szolgálnak ezek a "titokzatos idegenek" - enzimek? Évekig tartó munka, elmélkedés és kísérletezés kellett ahhoz, hogy kiderüljön, hogy az organizmusokban nemcsak felgyorsítják az anyagcsere-reakciókat, hanem fontos eszközként szolgálnak a sejtek "működő" részeihez is. Ezt először a múlt század 30-as éveiben mutatta meg V. Engelhardt és M. Lyubimova. Megállapították, hogy az izomösszehúzódó fehérje és az enzim, amely energiát szabadít fel a kontrakcióhoz, azonosak. Engelhardt szerint az enzimek a sejtfehérjék teljes tömegének elengedhetetlen részét képezik.

Ezt az elképzelést teljes mértékben megerősítették. Sőt, kiderült, hogy a sejtek rendkívül fontos szervei, amelyek a fehérjék szintéziséhez, az anyagok átadásához, a sejtlégzéshez kapcsolódnak, főleg speciális enzim fehérjékből épülnek fel. Más szavakkal, az enzimeket pontosan oda helyezik, ahol szükségük van rájuk, mint a kémiai átalakulás finom eszközére.

Az olvasó megkérdezheti: olyan fontos, hol van melyik enzim van "regisztrálva"? A lényeg az, hogy tudjuk, hogyan működik. Kiderült, hogy a "topográfia" ebben az esetben rendkívül fontos nemcsak a tudomány, hanem a gyakorlat szempontjából is. Végül is az enzimek nem csak felgyorsítják a reakciókat.Magukat viszont a legtöbb biológiailag aktív vegyület - vitaminok, hormonok, antibiotikumok, gyógyászati ​​anyagok és mérgek - megcélozzák.

Szükséges-e megmagyarázni, hogy milyen kilátások vannak tele mind az egyes enzimek "koordinátáinak" pontos meghatározásával, mind azok képességének befolyásolásával. Például a komplex szerves vegyületek, amelyek megtámadják az idegközpontok működéséhez elengedhetetlen enzimek egyikét, számos súlyos szem- és idegbetegség hatékony kezelésének bizonyultak. Az enzimek szerkezetét és funkcióit tisztázva a tudomány az élettani folyamatok gyakorlati ellenőrzésének módjait, valamint az élő szervezetek káros hatásokkal szembeni megvédésének új módjait keresi.

Manapság több mint ötszáz veleszületett anyagcserezavar ismeretes az emberben, amelynek oka egy bizonyos enzim szintézisének örökletes, genetikailag meghatározott megsértése. Így például egy olyan enzim veleszületett hiánya, amely felgyorsítja a tirozin aminosav bioszintézisének utolsó szakaszát, a gyermekek testi és szellemi fejlődésének éles megzavarásához vezet. A cukoranyagcsere bizonyos enzimjeinek képződésében fellépő hibák a vérsejtek stabilitásának veszélyes zavarait eredményezik.

Az enzimek működésének felülmúlhatatlan szelektivitása felbecsülhetetlen reagenssé teszi őket a biokémiai elemzéshez - egy bizonyos cukor, aminosav stb. Tartalmának méréséhez hasonló, rokon vegyületek komplex keverékében, valamint finom szerves szintézis céljából. Így az enzimkészítmények (vagy bennük gazdag mikrobiális sejtek) alkalmazása az iparban sokszorosára csökkentette az olyan fontos biokémiai készítmények költségeit, mint az aszkorbinsav és a szteroid hormonok.

Ma a műszakilag fejlett országok többségében speciális vállalkozásokat hoztak létre, amelyek enzimkészítményeket állítanak elő. Ezeket a gyógyszereket a könnyűipar, az élelmiszeripar és a gyógyszeripar számos területén használják, fokozzák és csökkentik az előállítási költségeket. Például használatuk növelheti a takarmány tápértékét az állattenyésztésben.

Úgy tűnik, hogy az ilyen gyógyszerek használatának lehetőségei végtelenek. Valójában az enzimek figyelemre méltó katalitikus tulajdonságai ellenére ezek gyakorlati alkalmazása a közelmúltig viszonylag korlátozott volt. Ok? Az enzimek instabilitása és nehézségük elválasztani a reakciótermékektől. Ez kizárta az enzimek újrafelhasználását, és sok esetben veszteségessé tette ezt a módszert.

A közelmúltban ezeket a hiányosságokat nagyrészt leküzdették. Ebben segített az enzimek úgynevezett immobilizálásának módszere. Mi van, ha instabil enzim erős kémiai kötések vagy más módszerek segítségével kapcsolódik a különféle természetű polimer oldhatatlan hordozókhoz - cellulózszármazékok, ioncserélő műanyagok, porózus üvegek, szerves szilikagélek? Ez az elv némileg emlékeztet az almafák déli fajtáinak fagyálló északiakra történő oltására. De természetesen csak távolról emlékeztet rá. Itt vannak különböző skálák, más, sokkal finomabb mechanizmusok. És itt egészen természetes a kérdés: megőrződnek-e egyáltalán az enzimek értékes tulajdonságai, miután ilyen műveleteket hajtanak végre rajtuk?

És kiderült: igen, vannak. Sőt, az immobilizált enzimek, bár megtartják katalitikus aktivitásuk jelentős részét, sok esetben jelentősen megnövekedett stabilitással rendelkeznek.

Megértette, mit lehet tenni, ha a mai katalizátorok helyét, amely meglehetősen durva, az enzimekhez képest "rugalmatlan", az iparban, a mezőgazdaságban, az orvostudományban olyan új gyorsítók és reakciókésleltetők veszik át, akik rendelkeznek az enzimek legjobb tulajdonságával, ugyanakkor időzíti a mesterséges katalizátorok ellenállását. Ha az ilyen „kentaurokat” megfelelően „hasznosítják” a gazdaságba, és teljes odaadással kénytelenek az igényei érdekében dolgozni, ez a termelés hatékonyságának komoly növekedéséhez vezethet.

Nem véletlen, hogy most nagy reményeket fűznek ehhez az új kutatási ághoz - az úgynevezett "mérnöki fermentológiához". Ígérete szerint sok iparág jelentősen leegyszerűsödik és alapvetően újak jönnek létre. Az immobilizált enzimek előállításának többletköltségei ellenére ismételt alkalmazásuk lehetősége gazdaságilag indokolttá teszi az új technológiát.

A tudósok arra számítanak, hogy immobilizált enzimek használatával a jövőben számos komplex probléma megoldását lehet megközelíteni nemcsak a finom szerves szintézis, hanem a kémiai energia megoldásában is, például biokatalitikus rendszerek létrehozása a légköri atmoszféra rögzítésére. nitrogén, folyékony szerves üzemanyag szintézise szén-dioxidból és földgázból.

Magától értetődik, hogy ezeknek és más, a biológiai katalízissel összefüggő alkalmazott problémáknak a megoldása csak az enzimek szerkezetére és működésére vonatkozó alapvető kutatások kellően magas szintjén lehetséges. Az enzimek kémiája és biokémiája számos kutatóintézetben és felsőoktatási intézményben részt vesz. A hazai tudósok számos jelentős, nemzetközileg elismert hozzájárulást tettek ehhez a tudományterülethez.

Az ember olyan területeken versenyzett a természettel, amelyek alapvetően csak tegnap látszottak elérhetetlennek. Az enzimek titkainak elsajátítása, arra kényszerítve őket, hogy önmagukat szolgálják, javítsák közérzetüket, megvédjék egészségüket, új oldalt ír a világgal kapcsolatos ismereteink nagy könyvébe.

A. Braunstein

Hasonló publikációk

Mi az a ketrec?

Hogyan épülnek fel a fehérjeszerkezetek

Idegi impulzusok és RNS