Иммобилизацияланған ферменттер ұғымы алғаш рет 20 ғасырдың екінші жартысында пайда болды. Сонымен қатар, сонау 1916 жылы көміртегіде сорбцияланған сахароза өзінің каталитикалық белсенділігін сақтайтыны анықталды. 1953 жылы Д. Шлейт пен Н. Грубгофер алғаш рет пепсин, амилаза, карбоксипептидаза және РНазды ерімейтін тасымалдаушымен байланыстырды. Иммобилизацияланған ферменттер тұжырымдамасы 1971 жылы заңдастырылды. Бұл инженерлік энзимология бойынша бірінші конференцияда болды. Қазіргі уақытта иммобилизацияланған ферменттер түсінігі 20 ғасырдың соңындағыға қарағанда кеңірек мағынада қарастырылады. Осы санатты толығырақ қарастырайық.
Жалпы ақпарат
Иммобилизацияланған ферменттер – ерімейтін тасымалдаушымен жасанды байланысқан қосылыстар. Дегенмен, олар өздерінің каталитикалық қасиеттерін сақтайды. Қазіргі уақытта бұл процесс екі аспектіде қарастырылады - ақуыз молекулаларының қозғалыс еркіндігін ішінара және толық шектеу шеңберінде.
Қадір
Ғалымдар иммобилизацияланған ферменттердің белгілі бір артықшылықтарын анықтады. Гетерогенді катализаторлар ретінде әрекет ете отырып, оларды реакция ортасынан оңай бөлуге болады. Зерттеулер аясында иммобилизацияланған ферменттерді қолдану қайталануы мүмкін екендігі анықталды. Байланыстыру процесі кезінде қосылыстар өздерінің қасиеттерін өзгертеді. Олар субстраттың ерекшелігі мен тұрақтылығын алады. Сонымен бірге олардың қызметі қоршаған орта жағдайларына байланысты бола бастайды. Иммобилизацияланған ферменттер төзімді және жоғары тұрақтылық дәрежесіне ие. Ол, мысалы, бос ферменттерден мыңдаған, ондаған мың есе артық. Мұның бәрі иммобилизацияланған ферменттер бар технологиялардың жоғары тиімділігін, бәсекеге қабілеттілігін және үнемділігін қамтамасыз етеді.
медиа
Дж. Порату иммобилизацияда қолданылатын идеалды материалдардың негізгі қасиеттерін анықтады. Тасымалдаушыларда болуы керек:
- Ерімейтін.
- Биологиялық және химиялық төзімділігі жоғары.
- Жылдам іске қосу мүмкіндігі. Тасымалдаушылар оңай реактивті болуы керек.
- Айрықша гидрофильділік.
- Қажетті өткізгіштік. Оның индикаторы ферменттер де, коферменттер де, реакция өнімдері мен субстраттар үшін де бірдей қолайлы болуы керек.
Қазір бұл талаптарға толық жауап беретін материал жоқ. Осыған қарамастан, іс жүзінде иммобилизацияға қолайлы тасымалдаушылар қолданылады.белгілі бір шарттардағы ферменттердің белгілі бір санаты.
Жіктеу
Табиғатына қарай материалдар, соған байланысты қосылыстар иммобилизацияланған ферменттерге айналады, бейорганикалық және органикалық болып бөлінеді. Көптеген қосылыстардың байланысуы полимерлі тасымалдаушылармен жүзеге асады. Бұл органикалық материалдар 2 класқа бөлінеді: синтетикалық және табиғи. Олардың әрқайсысында өз кезегінде құрылымына қарай топтар ажыратылады. Бейорганикалық тасымалдаушылар негізінен шыныдан, керамикадан, саздан, силикагельден, қара графиттен жасалған материалдармен ұсынылған. Материалдармен жұмыс істегенде құрғақ химия әдістері танымал. Иммобилизацияланған ферменттерді тасымалдаушыларды титан, алюминий, цирконий, гафний оксидтері қабықшасымен қаптау немесе органикалық полимерлермен өңдеу арқылы алады. Материалдардың маңызды артықшылығы - қалпына келтірудің қарапайымдылығы.
Белок тасымалдаушылары
Ең танымал липидті, полисахаридті және ақуызды материалдар. Соңғыларының арасында құрылымдық полимерлерді ерекше атап өткен жөн. Оларға ең алдымен коллаген, фибрин, кератин және желатин жатады. Мұндай белоктар табиғи ортада кеңінен таралған. Олар қолжетімді және үнемді. Сонымен қатар, оларда байланыстыру үшін көптеген функционалдық топтар бар. Белоктар биологиялық ыдырайтын. Бұл иммобилизацияланған ферменттерді медицинада қолдануды кеңейтуге мүмкіндік береді. Сонымен қатар, белоктардың теріс қасиеттері де бар. Белок тасымалдаушыларында иммобилизацияланған ферменттерді қолданудың кемшіліктері соңғысының жоғары иммуногенділігі, сонымен қатаролардың белгілі бір топтарын ғана реакцияға енгізу мүмкіндігі.
Полисахаридтер, аминосахаридтер
Бұл материалдардың ішінде хитин, декстран, целлюлоза, агароза және олардың туындылары жиі қолданылады. Полисахаридтерді реакцияларға төзімді ету үшін олардың сызықтық тізбектерін эпихлоргидринмен айқастырып қояды. Желілік құрылымдарға әртүрлі ионогендік топтар еркін енгізіледі. Асшаяндар мен шаяндарды өнеркәсіптік өңдеу кезінде хитин қалдықтар ретінде көп мөлшерде жиналады. Бұл зат химиялық төзімді және жақсы анықталған кеуекті құрылымы бар.
Синтетикалық полимерлер
Бұл материалдар тобы өте алуан түрлі және қолжетімді. Оның құрамына акрил қышқылы, стирол, поливинил спирті, полиуретанды және полиамидті полимерлер негізіндегі полимерлер кіреді. Олардың көпшілігі механикалық күшті. Трансформация процесінде олар әртүрлі функционалды топтарды енгізе отырып, кеуек өлшемін айтарлықтай кең ауқымда өзгерту мүмкіндігін қамтамасыз етеді.
Байланыстыру әдістері
Қазіргі уақытта иммобилизацияның екі түбегейлі әртүрлі нұсқасы бар. Біріншісі – тасымалдаушымен коваленттік байланысы жоқ қосылыстарды алу. Бұл әдіс физикалық. Тағы бір нұсқа материалмен коваленттік байланыстың пайда болуын қамтиды. Бұл химиялық әдіс.
Адсорбция
Оның көмегімен препаратты тасымалдаушы бетінде ұстау арқылы иммобилизацияланған ферменттер алынады.дисперсиялық, гидрофобты, электростатикалық әрекеттесулер және сутектік байланыстар. Адсорбция элементтердің қозғалғыштығын шектеудің бірінші әдісі болды. Дегенмен, қазірдің өзінде бұл нұсқа өзектілігін жоғалтқан жоқ. Сонымен қатар, адсорбция индустриядағы ең көп тараған иммобилизация әдісі болып саналады.
Әдістің мүмкіндіктері
Ғылыми басылымдарда адсорбция әдісімен алынған 70-тен астам ферменттер сипатталған. Тасымалдаушылар негізінен кеуекті шыны, әртүрлі саз, полисахаридтер, алюминий оксидтері, синтетикалық полимерлер, титан және басқа металдар болды. Соңғылары ең жиі қолданылады. Дәрілік заттың тасымалдаушыға адсорбциялануының тиімділігі материалдың кеуектілігімен және меншікті бетінің ауданымен анықталады.
Әсер ету механизмі
Ерімейтін материалдарға ферменттердің адсорбциясы қарапайым. Оған препараттың сулы ерітіндісінің тасымалдаушымен жанасуы арқылы қол жеткізіледі. Ол статикалық немесе динамикалық жолмен өтуі мүмкін. Фермент ерітіндісін жаңа шөгіндімен араластырады, мысалы, титан гидроксиді. Содан кейін қоспа жұмсақ жағдайда кептіріледі. Мұндай иммобилизация кезінде ферменттің белсенділігі 100% дерлік сақталады. Бұл ретте үлестік концентрация тасымалдаушының бір граммына 64 мг-ға жетеді.
Жағымсыз сәттер
Адсорбцияның кемшіліктеріне фермент пен тасымалдаушыны байланыстырғанда төмен беріктік жатады. Реакция жағдайларын өзгерту процесінде элементтердің жоғалуын, өнімдердің ластануын және ақуыздың десорбциясын атап өтуге болады. Күшті жақсарту үшінбайланыстырушы тасымалдаушылар алдын ала модификацияланған. Атап айтқанда, материалдар металл иондарымен, полимерлермен, гидрофобты қосылыстармен және басқа полифункционалды агенттермен өңделеді. Кейбір жағдайларда препараттың өзі өзгертіледі. Бірақ бұл көбінесе оның белсенділігінің төмендеуіне әкеледі.
Гельге қосу
Бұл опция бірегейлігі мен қарапайымдылығына байланысты өте кең таралған. Бұл әдіс жеке элементтерге ғана емес, сонымен қатар көп ферментті кешендерге де қолайлы. Гельге енгізу екі жолмен жүзеге асырылуы мүмкін. Бірінші жағдайда препарат мономердің сулы ерітіндісімен біріктіріледі, содан кейін полимерлеу жүргізіледі. Нәтижесінде жасушаларда фермент молекулалары бар кеңістіктік гель құрылымы пайда болады. Екінші жағдайда препарат дайын полимердің ерітіндісіне енгізіледі. Содан кейін ол гель күйіне қойылады.
Мөлдір құрылымдарға ену
Бұл иммобилизация әдісінің мәні - субстраттан судағы фермент ерітіндісін бөлу. Ол үшін жартылай өткізгіш мембрана қолданылады. Ол кофакторлар мен субстраттардың төмен молекулалы элементтерінің өтуіне мүмкіндік береді және ферменттердің үлкен молекулаларын сақтайды.
Микрокапсуляция
Мөлдір құрылымдарға ендірудің бірнеше нұсқасы бар. Олардың ішінде микрокапсуляция және белоктардың липосомаларға қосылуы үлкен қызығушылық тудырады. Бірінші нұсқаны 1964 жылы Т. Чанг ұсынған. Ол фермент ерітіндісінің қабырғалары жартылай өткізгіштен жасалған жабық капсулаға енгізілуінен тұрады.полимер. Бетінде мембрананың пайда болуы қосылыстардың фазааралық поликонденсация реакциясынан туындайды. Олардың бірі органикалық, ал екіншісі - сулы фазада еріген. Мысал ретінде май қышқылы галогенді (органикалық фаза) және гексаметилендиамин-1, 6 (тиісінше, сулы фаза) поликонденсациялау нәтижесінде алынған микрокапсуланың түзілуін келтіруге болады. Мембрананың қалыңдығы микрометрдің жүзден бір бөлігімен есептеледі. Капсулалардың өлшемі жүздеген немесе ондаған микрометрді құрайды.
Липосомаларға қосылу
Бұл иммобилизация әдісі микрокапсуляцияға жақын. Липосомалар липидті қос қабаттардың пластинкалы немесе сфералық жүйелерінде ұсынылған. Бұл әдіс алғаш рет 1970 жылы қолданылған. Липидті ерітіндіден липосомаларды бөліп алу үшін органикалық еріткіш буланады. Қалған жұқа қабық ферменті бар сулы ерітіндіде дисперсті болады. Бұл процесс кезінде липидті қос қабатты құрылымдардың өздігінен жиналуы орын алады. Мұндай иммобилизацияланған ферменттер медицинада өте танымал. Бұл молекулалардың көпшілігі биологиялық мембраналардың липидті матрицасында локализацияланғандығына байланысты. Липосомалар құрамына кіретін иммобилизацияланған ферменттер өмірлік процестердің заңдылықтарын зерттеуге және сипаттауға мүмкіндік беретін медицинадағы ең маңызды зерттеу материалы болып табылады.
Жаңа облигацияларды қалыптастыру
Ферменттер мен тасымалдаушылар арасында жаңа коваленттік тізбектер құру арқылы иммобилизациялау өнеркәсіптік биокатализаторларды алудың ең кең тараған әдісі болып саналады.тағайындалған жер. Физикалық әдістерден айырмашылығы, бұл опция молекула мен материал арасындағы қайтымсыз және күшті байланысты қамтамасыз етеді. Оның қалыптасуы көбінесе дәрі-дәрмектің тұрақтануымен бірге жүреді. Сонымен бірге ферменттің тасымалдаушыға қатысты 1-ші коваленттік байланыстың қашықтығында орналасуы каталитикалық процесті жүзеге асыруда белгілі бір қиындықтарды тудырады. Молекула материалдан кірістіру арқылы бөлінеді. Ол көбінесе поли- және бифункционалды агенттер ретінде қолданылады. Атап айтқанда, олар гидразин, цианоген бромиді, глутарлы диалэдрид, сульфурилхлорид және т.б. Мысалы, галактозилтрансферазаны жою үшін тасымалдаушы мен фермент -CH2- арасына келесі реттілік енгізіледі. NH-(CH 2)5-CO-. Мұндай жағдайда құрылымда кірістіру, молекула және тасымалдаушы болады. Олардың барлығы коваленттік байланыс арқылы байланысқан. Реакцияға элементтің каталитикалық қызметі үшін маңызды емес функционалдық топтарды енгізу қажеттілігі принципті маңызды болып табылады. Сонымен, әдетте, гликопротеидтер тасымалдаушыға ақуыз арқылы емес, көмірсулар бөлігі арқылы қосылады. Нәтижесінде неғұрлым тұрақты және белсенді иммобилизацияланған ферменттер алынады.
Ұяшықтар
Жоғарыда сипатталған әдістер биокатализаторлардың барлық түрлері үшін әмбебап болып саналады. Оларға, басқалармен қатар, жасушалар, субклеткалық құрылымдар жатады, олардың иммобилизациясы жақында кең таралған. Бұл төмендегілерге байланысты. Жасушалар иммобилизацияланған кезде ферменттік препараттарды бөліп алу және тазарту немесе реакцияларға кофакторларды енгізу қажет емес. Нәтижесінде, мүмкін боладыкөп сатылы үздіксіз процестерді жүзеге асыратын жүйелер.
Иммобилизацияланған ферменттерді қолдану
Ветеринарияда, өнеркәсіпте және экономиканың басқа салаларында жоғарыда аталған әдістермен алынған дәрілер өте танымал. Тәжірибеде әзірленген тәсілдер ағзаға мақсатты түрде дәрілік жеткізу мәселелерін шешуді қамтамасыз етеді. Иммобилизацияланған ферменттер аз аллергенділігі мен уыттылығымен ұзақ әсер ететін препараттарды алуға мүмкіндік берді. Қазіргі уақытта ғалымдар микробиологиялық тәсілдерді қолдана отырып, масса мен энергияның биоконверсиясымен байланысты мәселелерді шешуде. Бұл ретте жұмысқа иммобилизацияланған ферменттер технологиясы да үлкен үлес қосуда. Даму перспективалары өте кең сияқты. Сонымен, болашақта қоршаған ортаның жай-күйін бақылау процесінде негізгі рөлдердің бірі талдаудың жаңа түрлеріне тиесілі болуы керек. Атап айтқанда, біз биолюминесцентті және ферменттік иммундық талдау әдістері туралы айтып отырмыз. Лигноцеллюлозды шикізатты өңдеуде озық тәсілдер ерекше маңызға ие. Иммобилизацияланған ферменттерді әлсіз сигнал күшейткіштері ретінде пайдалануға болады. Белсенді орталық ультрадыбыстық, механикалық кернеу немесе фитохимиялық өзгерістерге ұшыраған тасымалдаушының әсерінен болуы мүмкін.
