Immobiliseeritud ensüümid ja nende kasutamine

Imobiliseeritud ensüümide kontseptsiooni esimest korda tekkis 20. sajandi teisel poolel. Vahepeal leiti juba 1916. aastal, et süsinikku sorbistunud sahharoos säilitab oma katalüütilise aktiivsuse. 1953. aastal viis D. Schleit ja N. Grubhofer läbi pepsiini, amülaasi, karboksüpeptidaasi ja RNaasi esimest sidumist lahustumatu kandjaga. Imobiliseeritud ensüümide kontseptsioon legaliseeriti 1971. aastal. See juhtus esimesel insenerimensioloogiast konverentsil. рассматривается в более широком смысле, чем это было в конце 20 века. Praegu vaadeldakse immobiliseeritud ensüümide mõistet laiemas mõttes kui 20. sajandi lõpus. Vaadake seda kategooriat üksikasjalikumalt.

Üldteave

– соединения, которые искусственно связываются с нерастворимым носителем. Imobiliseeritud ensüümid on ühendid, mis on kunstlikult seotud lahustumatu kandjaga. Samas säilitavad nad oma katalüütilised omadused. Praegu vaadeldakse seda protsessi kahes aspektis - valgumolekulide vaba liikumise osalise ja täieliku piiramise raames.

Eelised

. Teadlased on kindlaks teinud teatud eelised immobiliseeritud ensüümidest . Heterogeensete katalüsaatorite toimel võivad need reaktsioonikeskkonnast kergesti eralduda. может быть многократным. Uuringu raames tehti kindlaks, et immobiliseeritud ensüümide kasutamist saab korrata. Sidumisprotsessi ajal muudavad ühendid nende omadused. Nad omandavad substraadi spetsiifilisuse, stabiilsuse. Sellisel juhul hakkab nende tegevus sõltuma keskkonnatingimustest. отличаются долговечностью и высокой степенью стабильности. Immobiliseeritud ensüüme eristatakse nende vastupidavuse ja stabiilsuse kõrge taseme tõttu. See on rohkem kui näiteks tuhandeid, kümneid tuhandeid kordi tasuta ensüüme. Kõik see tagab immobiliseeritud ensüümide tehnoloogiate suure tõhususe, konkurentsivõime ja majanduse.

Meedia

G. Poratu määratles ideaalsete materjalide põhiomadused, mida tuleks immobiliseerimiseks kasutada. Vedajad peavad olema:

1. Lahustumatus.
2. Kõrge bioloogiline ja keemiline vastupanu.
3. Võime kiiresti aktiveerida. Kandjad peaksid muutuma lihtsalt reaktiivseks liigiks.
4. Oluline hüdrofiilsus.
5. Vajalik läbitavus. Selle indeks peaks olema võrdselt vastuvõetav ensüümide ja koensüümide, reaktsiooniproduktide ja substraatide suhtes.

Praegu pole materjali, mis vastab täielikult nendele nõuetele. Sellegipoolest kasutatakse praktikas kandjaid, mis sobivad teatavas kategoorias ensüümide immobiliseerimiseks teatud tingimustel.

Klassifikatsioon

, разделяются на неорганические и органические. Sõltuvalt nende olemusest jagunevad materjalid, millega ühendid muutuvad immobiliseeritud ensüümideks , anorgaanilisteks ja orgaanilisteks. Paljude ühendite seondumine viiakse läbi polümeersete kandjatega. Need orgaanilised materjalid on jagatud kahte klassi: sünteetilised ja looduslikud. Igaüks neist omakorda eristab rühmi sõltuvalt struktuurist. Anorgaanilised kandjad koosnevad peamiselt klaasist, keraamilisest, savist, silikageelist, grafiidist mustast. Materjalidega töötamisel on kuiva keemia meetodid populaarsed. Immobiliseeritud ensüümid saadakse titaani-, alumiinium-, tsirkoonium-, hafniumoksiidkilega või orgaaniliste polümeeridega töötlemisega kandjatega katmisel. Materjalide oluline eelis on regenereerimise lihtsus.

Valgu kandjad

Kõige populaarsemad on lipiidid, polüsahhariidid ja valgumaterjalid. Viimase hulgas on vaja eristada struktuurseid polümeere. Need hõlmavad peamiselt kollageeni, fibriini, keratiini ja želatiini. Sellised valgud on laialt levinud looduskeskkonnas. Need on taskukohased ja ökonoomsed. Lisaks on neil seondumiseks palju funktsionaalseid rühmi. Valgud erinevad biolagundamise võime poolest. . See võimaldab immobiliseeritud ensüümide kasutamist meditsiinis laiendada. Vahepeal on ka valkude negatiivsed omadused. на протеиновых носителях заключаются в высокой иммуногенности последних, а также возможность внедрять в реакции только определенные их группы. Valgukandurite immobiliseeritud ensüümide kasutamise puudused on viimaste kõrge immunogeensus ja võime reageerida ainult teatud rühmadele.

Polüsahhariidid, aminosahhariidid

Neist materjalidest kasutatakse sageli kitina, dekstraani, tselluloosi, agaroosi ja nende derivaate. Polüsahhariidide vastupidavuse suhtes on nende lineaarsed ahelad ristsidestatud epikloorhüdriiniga. Erinevad ioonogeensed rühmad on vabalt sisestatud võrgusilma struktuuri. Kreatiinide ja krabide tööstusliku töötlemise ajal kogunevad kogused suurtes kogustes jäätmete kujul. See aine on keemiliselt vastupidav ja sellel on täpselt määratletud poorne struktuur.

Sünteetilised polümeerid

See materjalide rühm on väga mitmekesine ja kättesaadav. See hõlmab polümeere, mis põhinevad akrüülhappel, stüreenil, polüvinüülalkoholil, polüuretaanil ja polüamiidpolümeeridel. Enamik neist erineb mehaanilise tugevuse poolest. Ümberkujundamise käigus pakuvad nad võimalust muuta pooride suurust piisavalt laias vahemikus, kasutades erinevaid funktsionaalrühmi.

Sidumisviisid

Praegu on kaks immobiliseerimise põhimõtteliselt erinevat versiooni. Esimene on kandjaga kovalentsete sidemeteta ühendite valmistamine. See meetod on füüsiline. Teine võimalus hõlmab materjali abil kovalentse sideme moodustamist. See on keemiline meetod.

Adsorptsioon

получают путем удерживания препарата на поверхности носителя благодаря дисперсионным, гидрофобным, электростатическим взаимодействиям и водородным связям. Sellega saadakse immobiliseeritud ensüümid , hoides ravimit kanduri pinnal dispersiooni, hüdrofoobsete, elektrostaatiliste koostoimete ja vesiniksidemete tõttu. Esimene võimalus elementide liikuvuse piiramiseks sai adsorptsiooni. Kuid isegi see valik pole kaotanud oma olulisuse. Peale selle peetakse adsorptsiooni tööstuses kõige levinumaks immobiliseerimise viisiks.

Meetodi tunnused

Teaduslikes publikatsioonides on kirjeldatud üle 70 ensüümi, mis on saadud adsorptsioonimeetodil. Kandjateks olid peamiselt poorne klaas, erinevad savid, polüsahhariidid, alumiiniumoksiidid, sünteetilised polümeerid, titaan ja muud metallid. Neid kasutatakse kõige sagedamini. Ravimi adsorptsiooni efektiivsus kandjale määratakse materjali poorsuse ja eripinna järgi.

Toimemehhanism

Ensüümide adsorbeerimine lahustumatute materjalide puhul on lihtne. See saavutatakse ravimi vesilahuse kokkuviimisega kandjaga. See võib toimuda staatilisel või dünaamilisel viisil. Ensüümilahust segatakse värske sade, näiteks titaanhüdroksiidiga. Seejärel kergete tingimuste korral ühend kuivatatakse. Ensüümi aktiivsus selle immobiliseerimisega on peaaegu 100%. Samas saavutab spetsiifiline kontsentratsioon 64 mg ühe grammi kandja kohta.

Negatiivsed hetked

Adsorptsiooni puudused hõlmavad ensüümi ja kandja seondumist vähese tugevusega. Reaktsioonitingimuste muutuste protsessis võib esineda elementide kadu, toodete saastumine, valgu desorptsioon. Tõmbetugevuse suurendamiseks varundatakse kandjaid. Eelkõige töödeldakse materjale metalliioonide, polümeeride, hüdrofoobsete ühendite ja muude polüfunktsionaalsete ainetega. Mõnedel juhtudel toimub modifikatsioon ravimi ennast. Kuid sageli viib see oma tegevuse vähenemiseni.

Sisestamine geelisse

See valik on üsna levinud oma ainulaadsuse ja lihtsuse tõttu. See meetod sobib mitte ainult üksikutele elementidele, vaid ka multiensüümide kompleksidele. Geeli kaasamist saab läbi viia kahel viisil. Esimesel juhul ühendatakse preparaat monomeeri vesilahusega, millele järgneb polümerisatsioon. Selle tulemusena ilmneb geeli ruumiline struktuur, mis sisaldab ensüümi molekule rakkudes. Teisel juhul lisati valmistis valmis polümeeri lahusele. Seejärel viiakse see geeli olekusse.

Osaliselt läbipaistvad struktuurid

Selle immobiliseerimise meetodi sisuks on ensüümi vesilahuse eraldamine substraadist. Selleks kasutatakse poolläbilaskvat membraani. See läbib madalate molekulaarsete kofaktorite ja substraatide elemente ja viivitab suured ensüümide molekulid.

Mikrokapseldamine

Poolt läbipaistvate struktuuride kasutuselevõtmiseks on mitu võimalust. Suurim huvi on mikrokapseldamine ja valkude sisestamine liposoomidesse. Esimene versioon esitati 1964. aastal T. Changi poolt. See seisneb selles, et ensüümi lahus viiakse suletud kapslisse, mille seinad on valmistatud poolläbilaskvast polümeerist. Membraani välimus pinnal on tingitud ühendite vahelise polükondensatsiooni reaktsioonist. Üks neist on orgaanilises lahuses ja teine - vesifaasis. Näide on mikrokapsli moodustumine, mis on saadud sebatshappe (orgaaniline faas) halogeenhüdriidi ja heksametüleendiamiin-1,6 (vastavalt vesifaasi) polükondenseerimisega. Membraani paksus arvutatakse sajandikest mikromeetrist. Kapslite suurus on sadu või kümneid mikromeetreid.

Lisamine liposoomidesse

See immobiliseerimise meetod on mikrokapseldamise lähedal. Liposoomid on kujutatud lipiidsete kahekihiliste lamell- või sfääriliste süsteemide kujul. Seda meetodit rakendati esmakordselt 1970. aastal. Orgaanilise lahusti aurustamine viiakse läbi lipiidide lahusest liposoomide eraldamiseks. Ülejäänud õhuke kile hajutatakse vesilahusesse, milles on ensüüm olemas. Selle protsessi käigus toimub lipiidide kahekihiliste struktuuride isekomplekt. . Sellised immobiliseeritud ensüümid on üsna populaarsed. See on tingitud asjaolust, et enamus molekulidest on lokaliseeritud bioloogiliste membraanide lipiidmaatriksis. являются важнейшим исследовательским материалом, позволяющим изучать и описывать закономерности процессов жизнедеятельности. Liposoomi immobiliseeritud ensüümide hulka kuuluvad ravimid on kõige olulisemad uuringute materjalid, mis võimaldavad uurida ja kirjeldada elusprotsesside mudeleid.

Uute linkide moodustamine

Immobiliseerimist uute kovalentsete ahelate moodustamisega ensüümide ja kandjate vahel peetakse kõige tööstuslike biokatalüsaatorite saamise meetodiks. Erinevalt füüsilistest meetoditest pakub see valik molekuli ja materjali vahel pöördumatuid ja tugevaid sidemeid. Tema haridust kaasneb tihti ravimi stabiliseerumine. Samal ajal põhjustab ensüümi paiknemine esimese kovalentse sideme vahele kanduri suhtes katalüütilise protsessi teostamisel teatud raskusi. Molekul eraldatakse materjalist sisestusega. Tavaliselt toimivad sellised polü- ja bifunktsionaalsed ained. Need on eelkõige hüdrasiin, bromotsüan, glutaarhappe dialdriid, sulfurüülkloriid jne. Näiteks galaktosüültransferaasi eemaldamiseks sisestatakse kandja ja ensüümi vahel järgnev järjestus -CH2-NH- (CH2) _5- CO-. Sellises olukorras on sisestatud struktuur molekuli ja kandjat. Kõik need on seotud kovalentsete sidemetega. Olulise tähtsusega on vajadus reageerida funktsionaalrühmadele, mis ei ole elemendi katalüütilise funktsiooni jaoks olulised. Niisiis, reeglina on glükoproteiinid kinnitatud kandjale mitte läbi valgu, vaid süsivesikute osa. Selle tulemusena saadakse stabiilsemad ja aktiivsemad immobiliseeritud ensüümid.

Rakud

Eespool kirjeldatud meetodeid peetakse universaalseteks kõigi tüüpi biokatalüsaatorite jaoks. Nende hulka kuuluvad muu hulgas rakud, rakusisene struktuur, mille immobilisatsioon on hiljuti laialt levinud. Selle põhjuseks on järgmine. Rakkude immobiliseerimisel ei ole vajadust ensüümi preparaatide eraldamiseks ja puhastamiseks, et reageerida kofaktoridesse. Selle tulemusena on võimalik saada süsteeme, mis viivad läbi mitmesuunalised pidevad protsessid.

Immobiliseeritud ensüümide kasutamine

, промышленности, других хозяйственных отраслях достаточно популярны препараты, полученные указанными выше способами. Veterinaarmeditsiinis , tööstuses, teistes majandusharudes on ülalnimetatud meetoditega saadud preparaadid üsna populaarsed. Praktika väljatöötatud lähenemisviisid pakuvad lahendust probleemidele, mis on seotud sihtuva ravimi tarnimisega organismis. Immobiliseeritud ensüümid võimaldasid saada pikaajaliselt toimivaid ravimeid, millel on minimaalne allergia ja toksilisus. Praegu tegelevad teadlased probleemidega, mis on seotud massi ja energia biokonversiooniga, kasutades mikrobioloogilisi lähenemisviise. Vahepeal aitab märkimisväärselt kaasa ka immobiliseeritud ensüümide tehnoloogia. Arengu väljavaated tunduvad olevat üsna lai. Niisiis peaks tulevikus olema üks peamisi ülesandeid keskkonnaseisundi kontrollimise protsessis, mis peaks kuuluma uut tüüpi analüüsi. Eelkõige räägime bioluminestsents- ja immunoensüümimeetoditest. Eriti oluline on lignotselluloossete toormaterjalide töötlemisel laialdased lähenemisviisid. Imobiliseeritud ensüüme on võimalik kasutada nõrkade signaalide võimendajatena. Aktiivne keskus võib olla vedaja mõjul ultraheli, mehaanilise stressi või fütokemikaalsete transformatsioonide suhtes vastuvõtlik.