Η έννοια των ακινητοποιημένων ενζύμων εμφανίστηκε για πρώτη φορά στο δεύτερο μισό του 20ού αιώνα. Εν τω μεταξύ, το 1916, διαπιστώθηκε ότι η σακχαρόζη που προσροφήθηκε στον άνθρακα διατήρησε την καταλυτική της δραστηριότητα. Το 1953, οι D. Schleit και N. Grubhofer πραγματοποίησαν την πρώτη δέσμευση πεψίνης, αμυλάσης, καρβοξυπεπτιδάσης και RNase με έναν αδιάλυτο φορέα. Η έννοια των ακινητοποιημένων ενζύμων νομιμοποιήθηκε το 1971. Αυτό συνέβη στο πρώτο συνέδριο για τη μηχανική ενζυμολογία. Επί του παρόντος, η έννοια των ακινητοποιημένων ενζύμων εξετάζεται με μια ευρύτερη έννοια από ό,τι ήταν στα τέλη του 20ού αιώνα. Ας ρίξουμε μια πιο προσεκτική ματιά σε αυτήν την κατηγορία.
Γενικές πληροφορίες
Τα ακινητοποιημένα ένζυμα είναι ενώσεις που συνδέονται τεχνητά σε έναν αδιάλυτο φορέα. Ωστόσο, διατηρούν τις καταλυτικές τους ιδιότητες. Επί του παρόντος, αυτή η διαδικασία εξετάζεται σε δύο πτυχές - στο πλαίσιο του μερικού και πλήρους περιορισμού της ελευθερίας κίνησης των μορίων πρωτεΐνης.
Αξιοπρέπεια
Οι επιστήμονες έχουν διαπιστώσει ορισμένα οφέλη των ακινητοποιημένων ενζύμων. Δρώντας ως ετερογενείς καταλύτες, μπορούν εύκολα να διαχωριστούν από το μέσο αντίδρασης. Στο πλαίσιο της έρευνας, διαπιστώθηκε ότι η χρήση ακινητοποιημένων ενζύμων μπορεί να επαναληφθεί. Κατά τη διαδικασία σύνδεσης, οι συνδέσεις αλλάζουν τις ιδιότητές τους. Αποκτούν ειδικότητα και σταθερότητα υποστρώματος. Ταυτόχρονα, η δραστηριότητά τους αρχίζει να εξαρτάται από τις περιβαλλοντικές συνθήκες. Τα ακινητοποιημένα ένζυμα είναι ανθεκτικά και έχουν υψηλό βαθμό σταθερότητας. Είναι μεγαλύτερο από, για παράδειγμα, αυτό των ελεύθερων ενζύμων κατά χιλιάδες, δεκάδες χιλιάδες φορές. Όλα αυτά διασφαλίζουν υψηλή απόδοση, ανταγωνιστικότητα και οικονομία τεχνολογιών στις οποίες υπάρχουν ακινητοποιημένα ένζυμα.
Μέσα
J. Ο Poratu προσδιόρισε τις βασικές ιδιότητες των ιδανικών υλικών που θα χρησιμοποιηθούν στην ακινητοποίηση. Οι κάτοχοι πρέπει να έχουν:
- Αδιάλυτο.
- Υψηλή βιολογική και χημική αντοχή.
- Η δυνατότητα γρήγορης ενεργοποίησης. Οι φορείς θα πρέπει να γίνονται εύκολα αντιδραστικοί.
- Σημαντική υδροφιλικότητα.
- Απαραίτητη διαπερατότητα. Ο δείκτης του πρέπει να είναι εξίσου αποδεκτός τόσο για τα ένζυμα όσο και για τα συνένζυμα, τα προϊόντα αντίδρασης και τα υποστρώματα.
Προς το παρόν δεν υπάρχει υλικό που να πληροί πλήρως αυτές τις απαιτήσεις. Παρόλα αυτά, στην πράξη, χρησιμοποιούνται φορείς που είναι κατάλληλοι για ακινητοποίηση.συγκεκριμένη κατηγορία ενζύμων υπό συγκεκριμένες συνθήκες.
Ταξινόμηση
Ανάλογα με τη φύση τους, τα υλικά, σε σχέση με τα οποία οι ενώσεις μετατρέπονται σε ακινητοποιημένα ένζυμα, διακρίνονται σε ανόργανα και οργανικά. Η δέσμευση πολλών ενώσεων πραγματοποιείται με πολυμερείς φορείς. Αυτά τα οργανικά υλικά χωρίζονται σε 2 κατηγορίες: συνθετικά και φυσικά. Σε καθένα από αυτά, με τη σειρά τους, διακρίνονται ομάδες ανάλογα με τη δομή. Οι ανόργανοι φορείς αντιπροσωπεύονται κυρίως από υλικά από γυαλί, κεραμικά, πηλό, πυριτική πηκτή και μαύρο γραφίτη. Όταν εργάζεστε με υλικά, οι μέθοδοι ξηρής χημείας είναι δημοφιλείς. Τα ακινητοποιημένα ένζυμα λαμβάνονται με επικάλυψη φορέων με ένα φιλμ οξειδίων τιτανίου, αλουμινίου, ζιρκονίου, αφνίου ή με επεξεργασία με οργανικά πολυμερή. Ένα σημαντικό πλεονέκτημα των υλικών είναι η ευκολία αναγέννησης.
Φορείς πρωτεΐνης
Τα πιο δημοφιλή είναι τα λιπίδια, οι πολυσακχαρίτες και τα πρωτεϊνικά υλικά. Μεταξύ των τελευταίων, αξίζει να επισημανθούν τα δομικά πολυμερή. Αυτά περιλαμβάνουν κυρίως κολλαγόνο, ινώδες, κερατίνη και ζελατίνη. Τέτοιες πρωτεΐνες είναι ευρέως κατανεμημένες στο φυσικό περιβάλλον. Είναι οικονομικά και οικονομικά. Επιπλέον, έχουν μεγάλο αριθμό λειτουργικών ομάδων για δέσμευση. Οι πρωτεΐνες είναι βιοδιασπώμενες. Αυτό επιτρέπει την επέκταση της χρήσης ακινητοποιημένων ενζύμων στην ιατρική. Εν τω μεταξύ, οι πρωτεΐνες έχουν επίσης αρνητικές ιδιότητες. Τα μειονεκτήματα της χρήσης ακινητοποιημένων ενζύμων σε φορείς πρωτεΐνης είναι η υψηλή ανοσογονικότητα των τελευταίων, καθώς καιτην ικανότητα εισαγωγής μόνο ορισμένων ομάδων τους σε αντιδράσεις.
Πολυσακχαρίτες, αμινοσακχαρίτες
Από αυτά τα υλικά, η χιτίνη, η δεξτράνη, η κυτταρίνη, η αγαρόζη και τα παράγωγά τους χρησιμοποιούνται συχνότερα. Για να γίνουν οι πολυσακχαρίτες πιο ανθεκτικοί στις αντιδράσεις, οι γραμμικές αλυσίδες τους διασυνδέονται με επιχλωροϋδρίνη. Διάφορες ιοντικές ομάδες εισάγονται ελεύθερα στις δομές του δικτύου. Η χιτίνη συσσωρεύεται σε μεγάλες ποσότητες ως απόβλητα κατά τη βιομηχανική επεξεργασία γαρίδων και καβουριών. Αυτή η ουσία είναι ανθεκτική στα χημικά και έχει μια καλά καθορισμένη πορώδη δομή.
Συνθετικά πολυμερή
Αυτή η ομάδα υλικών είναι πολύ διαφορετική και προσβάσιμη. Περιλαμβάνει πολυμερή με βάση το ακρυλικό οξύ, το στυρόλιο, την πολυβινυλική αλκοόλη, την πολυουρεθάνη και τα πολυμερή πολυαμιδίου. Τα περισσότερα από αυτά είναι μηχανικά ισχυρά. Στη διαδικασία μετασχηματισμού, παρέχουν τη δυνατότητα μεταβολής του μεγέθους των πόρων σε ένα αρκετά μεγάλο εύρος, εισάγοντας διάφορες λειτουργικές ομάδες.
Μέθοδοι δέσμευσης
Προς το παρόν, υπάρχουν δύο βασικά διαφορετικές επιλογές για ακινητοποίηση. Το πρώτο είναι να ληφθούν ενώσεις χωρίς ομοιοπολικούς δεσμούς με τον φορέα. Αυτή η μέθοδος είναι φυσική. Μια άλλη επιλογή περιλαμβάνει την εμφάνιση ενός ομοιοπολικού δεσμού με το υλικό. Αυτή είναι μια χημική μέθοδος.
Adsorption
Με τη βοήθεια του, λαμβάνονται ακινητοποιημένα ένζυμα κρατώντας το φάρμακο στην επιφάνεια του φορέα λόγωδιασπορά, υδρόφοβες, ηλεκτροστατικές αλληλεπιδράσεις και δεσμούς υδρογόνου. Η προσρόφηση ήταν ο πρώτος τρόπος περιορισμού της κινητικότητας των στοιχείων. Ωστόσο, ακόμη και τώρα αυτή η επιλογή δεν έχει χάσει τη σημασία της. Επιπλέον, η προσρόφηση θεωρείται η πιο κοινή μέθοδος ακινητοποίησης στον κλάδο.
Χαρακτηριστικά της μεθόδου
Επιστημονικές δημοσιεύσεις περιγράφουν περισσότερα από 70 ένζυμα που λαμβάνονται με τη μέθοδο προσρόφησης. Οι φορείς ήταν κυρίως πορώδες γυαλί, διάφοροι πηλοί, πολυσακχαρίτες, οξείδια αλουμινίου, συνθετικά πολυμερή, τιτάνιο και άλλα μέταλλα. Τα τελευταία είναι τα πιο συχνά χρησιμοποιούμενα. Η αποτελεσματικότητα της προσρόφησης του φαρμάκου στον φορέα καθορίζεται από το πορώδες του υλικού και την ειδική επιφάνεια.
Μηχανισμός δράσης
Η προσρόφηση ενζύμων σε αδιάλυτα υλικά είναι απλή. Επιτυγχάνεται με την επαφή ενός υδατικού διαλύματος του φαρμάκου με τον φορέα. Μπορεί να περάσει με στατικό ή δυναμικό τρόπο. Το διάλυμα ενζύμου αναμιγνύεται με φρέσκο ίζημα, για παράδειγμα, υδροξείδιο του τιτανίου. Η ένωση στη συνέχεια ξηραίνεται υπό ήπιες συνθήκες. Η ενζυμική δραστηριότητα κατά τη διάρκεια μιας τέτοιας ακινητοποίησης διατηρείται σχεδόν κατά 100%. Ταυτόχρονα, η ειδική συγκέντρωση φτάνει τα 64 mg ανά γραμμάριο φορέα.
Αρνητικές στιγμές
Τα μειονεκτήματα της προσρόφησης περιλαμβάνουν τη χαμηλή αντοχή κατά τη σύνδεση του ενζύμου και του φορέα. Κατά τη διαδικασία αλλαγής των συνθηκών αντίδρασης, μπορεί να σημειωθεί απώλεια στοιχείων, μόλυνση προϊόντων και εκρόφηση πρωτεΐνης. Για βελτίωση της δύναμηςΟι δεσμευτικοί φορείς είναι προ-τροποποιημένοι. Συγκεκριμένα, τα υλικά επεξεργάζονται με μεταλλικά ιόντα, πολυμερή, υδρόφοβες ενώσεις και άλλους πολυλειτουργικούς παράγοντες. Σε ορισμένες περιπτώσεις, το ίδιο το φάρμακο τροποποιείται. Αλλά πολύ συχνά αυτό οδηγεί σε μείωση της δραστηριότητάς του.
Ένταξη στο τζελ
Αυτή η επιλογή είναι αρκετά κοινή λόγω της μοναδικότητας και της απλότητάς της. Αυτή η μέθοδος είναι κατάλληλη όχι μόνο για μεμονωμένα στοιχεία, αλλά και για πολυενζυμικά σύμπλοκα. Η ενσωμάτωση στο τζελ μπορεί να γίνει με δύο τρόπους. Στην πρώτη περίπτωση, το φάρμακο συνδυάζεται με ένα υδατικό διάλυμα του μονομερούς, μετά το οποίο πραγματοποιείται πολυμερισμός. Ως αποτέλεσμα, εμφανίζεται μια χωρική δομή γέλης, που περιέχει μόρια ενζύμου στα κύτταρα. Στη δεύτερη περίπτωση, το φάρμακο εισάγεται στο διάλυμα του τελικού πολυμερούς. Στη συνέχεια τίθεται σε κατάσταση γέλης.
Εισβολή σε ημιδιαφανείς κατασκευές
Η ουσία αυτής της μεθόδου ακινητοποίησης είναι ο διαχωρισμός ενός υδατικού διαλύματος ενζύμου από το υπόστρωμα. Για αυτό, χρησιμοποιείται μια ημιπερατή μεμβράνη. Επιτρέπει τη διέλευση στοιχείων χαμηλού μοριακού βάρους συμπαραγόντων και υποστρωμάτων και διατηρεί μεγάλα μόρια ενζύμων.
Μικροενθυλάκωση
Υπάρχουν πολλές επιλογές για ενσωμάτωση σε ημιδιαφανείς δομές. Από αυτά, η μικροενθυλάκωση και η ενσωμάτωση πρωτεϊνών σε λιποσώματα έχουν το μεγαλύτερο ενδιαφέρον. Η πρώτη επιλογή προτάθηκε το 1964 από τον T. Chang. Συνίσταται στο γεγονός ότι το διάλυμα ενζύμου εισάγεται σε μια κλειστή κάψουλα, τα τοιχώματα της οποίας είναι κατασκευασμένα από ημιπερατόπολυμερές. Η εμφάνιση μιας μεμβράνης στην επιφάνεια προκαλείται από την αντίδραση της διεπιφανειακής πολυσυμπύκνωσης των ενώσεων. Ένα από αυτά διαλύεται στην οργανική, και το άλλο - στην υδατική φάση. Ένα παράδειγμα είναι ο σχηματισμός μιας μικροκάψουλας που λαμβάνεται με πολυσυμπύκνωση αλογονιδίου σεβακικού οξέος (οργανική φάση) και εξαμεθυλενοδιαμίνης-1, 6 (αντίστοιχα, υδατική φάση). Το πάχος της μεμβράνης υπολογίζεται σε εκατοστά του μικρομέτρου. Το μέγεθος των καψουλών είναι εκατοντάδες ή δεκάδες μικρόμετρα.
Ενσωμάτωση σε λιποσώματα
Αυτή η μέθοδος ακινητοποίησης είναι κοντά στη μικροενθυλάκωση. Τα λιποσώματα παρουσιάζονται σε ελασματοειδή ή σφαιρικά συστήματα λιπιδικών διπλών στοιβάδων. Αυτή η μέθοδος χρησιμοποιήθηκε για πρώτη φορά το 1970. Για την απομόνωση λιποσωμάτων από ένα λιπιδικό διάλυμα, ο οργανικός διαλύτης εξατμίζεται. Το υπόλοιπο λεπτό φιλμ διασπείρεται σε ένα υδατικό διάλυμα στο οποίο υπάρχει το ένζυμο. Κατά τη διάρκεια αυτής της διαδικασίας, λαμβάνει χώρα αυτοσυναρμολόγηση δομών λιπιδικής διπλής στιβάδας. Τέτοια ακινητοποιημένα ένζυμα είναι αρκετά δημοφιλή στην ιατρική. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι τα περισσότερα από τα μόρια εντοπίζονται στη λιπιδική μήτρα των βιολογικών μεμβρανών. Τα ακινητοποιημένα ένζυμα που περιλαμβάνονται στα λιποσώματα είναι το πιο σημαντικό ερευνητικό υλικό στην ιατρική, το οποίο καθιστά δυνατή τη μελέτη και την περιγραφή των προτύπων των ζωτικών διεργασιών.
Σχηματισμός νέων ομολόγων
Η ακινητοποίηση με σχηματισμό νέων ομοιοπολικών αλυσίδων μεταξύ ενζύμων και φορέων θεωρείται η πιο διαδεδομένη μέθοδος για τη λήψη βιομηχανικών βιοκαταλυτών.προορισμός. Σε αντίθεση με τις φυσικές μεθόδους, αυτή η επιλογή παρέχει έναν μη αναστρέψιμο και ισχυρό δεσμό μεταξύ του μορίου και του υλικού. Ο σχηματισμός του συχνά συνοδεύεται από σταθεροποίηση φαρμάκων. Ταυτόχρονα, η θέση του ενζύμου σε απόσταση του 1ου ομοιοπολικού δεσμού σε σχέση με τον φορέα δημιουργεί ορισμένες δυσκολίες στην υλοποίηση της καταλυτικής διαδικασίας. Το μόριο διαχωρίζεται από το υλικό μέσω ενός ενθέτου. Συχνά χρησιμοποιείται ως πολυ- και διλειτουργικοί παράγοντες. Συγκεκριμένα, είναι η υδραζίνη, το βρωμιούχο κυανογόνο, το γλουταρικό διαλεδρίδιο, το σουλφουρυλοχλωρίδιο κ.λπ. Για παράδειγμα, για την απομάκρυνση της γαλακτοζυλοτρανσφεράσης, η ακόλουθη αλληλουχία παρεμβάλλεται μεταξύ του φορέα και του ενζύμου -CH2- NH-(CH 2)5-CO-. Σε μια τέτοια κατάσταση, ένα ένθετο, ένα μόριο και ένας φορέας υπάρχουν στη δομή. Όλα συνδέονται με ομοιοπολικούς δεσμούς. Θεμελιώδους σημασίας είναι η ανάγκη εισαγωγής στην αντίδραση λειτουργικών ομάδων που δεν είναι απαραίτητες για την καταλυτική λειτουργία του στοιχείου. Έτσι, κατά κανόνα, οι γλυκοπρωτεΐνες συνδέονται με τον φορέα όχι μέσω της πρωτεΐνης, αλλά μέσω του τμήματος των υδατανθράκων. Ως αποτέλεσμα, λαμβάνονται πιο σταθερά και ενεργά ακινητοποιημένα ένζυμα.
Κελιά
Οι μέθοδοι που περιγράφονται παραπάνω θεωρούνται καθολικές για όλους τους τύπους βιοκαταλυτών. Αυτά περιλαμβάνουν, μεταξύ άλλων, κύτταρα, υποκυτταρικές δομές, η ακινητοποίηση των οποίων έχει γίνει πρόσφατα ευρέως διαδεδομένη. Αυτό οφείλεται στα εξής. Όταν τα κύτταρα ακινητοποιούνται, δεν υπάρχει ανάγκη να απομονωθούν και να καθαριστούν ενζυμικά παρασκευάσματα ή να εισαχθούν συμπαράγοντες στις αντιδράσεις. Ως αποτέλεσμα, καθίσταται δυνατό νασυστήματα που εκτελούν συνεχείς διαδικασίες πολλαπλών σταδίων.
Χρήση ακινητοποιημένων ενζύμων
Στην κτηνιατρική, τη βιομηχανία και άλλους οικονομικούς τομείς, τα φάρμακα που λαμβάνονται με τις παραπάνω μεθόδους είναι αρκετά δημοφιλή. Οι προσεγγίσεις που αναπτύχθηκαν στην πράξη δίνουν λύση στα προβλήματα της στοχευμένης χορήγησης φαρμάκων στον οργανισμό. Τα ακινητοποιημένα ένζυμα κατέστησαν δυνατή τη λήψη φαρμάκων παρατεταμένης δράσης με ελάχιστη αλλεργιογένεση και τοξικότητα. Επί του παρόντος, οι επιστήμονες επιλύουν τα προβλήματα που σχετίζονται με τη βιομετατροπή μάζας και ενέργειας χρησιμοποιώντας μικροβιολογικές προσεγγίσεις. Εν τω μεταξύ, η τεχνολογία των ακινητοποιημένων ενζύμων συμβάλλει επίσης σημαντικά στο έργο. Οι προοπτικές ανάπτυξης φαίνεται να είναι αρκετά ευρείες. Έτσι, στο μέλλον, ένας από τους βασικούς ρόλους στη διαδικασία παρακολούθησης της κατάστασης του περιβάλλοντος θα πρέπει να ανήκει σε νέους τύπους ανάλυσης. Συγκεκριμένα, μιλάμε για μεθόδους βιοφωταύγειας και ενζυμικής ανοσοδοκιμασίας. Οι προηγμένες προσεγγίσεις έχουν ιδιαίτερη σημασία στην επεξεργασία λιγνοκυτταρινικών πρώτων υλών. Τα ακινητοποιημένα ένζυμα μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως ενισχυτές ασθενούς σήματος. Το ενεργό κέντρο μπορεί να βρίσκεται υπό την επίδραση ενός φορέα που βρίσκεται υπό υπερήχους, μηχανική καταπόνηση ή υπόκειται σε φυτοχημικούς μετασχηματισμούς.
