იმობილიზებული ფერმენტების ცნება პირველად გაჩნდა მე-20 საუკუნის მეორე ნახევარში. იმავდროულად, ჯერ კიდევ 1916 წელს დადგინდა, რომ ნახშირბადზე სორბირებული საქაროზა ინარჩუნებდა თავის კატალიზურ აქტივობას. 1953 წელს D. Schleit-მა და N. Grubhofer-მა ჩაატარეს პეპსინის, ამილაზას, კარბოქსიპეპტიდაზას და RNase-ის პირველი შეკავშირება უხსნად გადამზიდავთან. იმობილიზებული ფერმენტების კონცეფცია დაკანონდა 1971 წელს. ეს მოხდა საინჟინრო ფერმენტოლოგიის პირველ კონფერენციაზე. ამჟამად, იმობილიზებული ფერმენტების ცნება განიხილება უფრო ფართო გაგებით, ვიდრე ეს იყო მე-20 საუკუნის ბოლოს. მოდით უფრო ახლოს მივხედოთ ამ კატეგორიას.
ზოგადი ინფორმაცია
იმობილიზებული ფერმენტები არის ნაერთები, რომლებიც ხელოვნურად არის დაკავშირებული უხსნად მატარებელთან. თუმცა, ისინი ინარჩუნებენ კატალიზურ თვისებებს. ამჟამად ეს პროცესი განიხილება ორ ასპექტში - ცილის მოლეკულების გადაადგილების თავისუფლების ნაწილობრივი და სრული შეზღუდვის ფარგლებში.
ღირსება
მეცნიერებმა დაადგინეს იმობილიზებული ფერმენტების გარკვეული სარგებელი. მოქმედებენ როგორც ჰეტეროგენული კატალიზატორები, ისინი ადვილად შეიძლება განცალკევდეს რეაქციის გარემოდან. კვლევის ფარგლებში დადგინდა, რომ იმობილიზებული ფერმენტების გამოყენება შეიძლება განმეორდეს. შეკვრის პროცესის დროს კავშირები ცვლის თავის თვისებებს. ისინი იძენენ სუბსტრატის სპეციფიკურობას და სტაბილურობას. ამავდროულად, მათი საქმიანობა იწყება გარემო პირობებზე დამოკიდებული. იმობილიზებული ფერმენტები გამძლეა და აქვთ სტაბილურობის მაღალი ხარისხი. ის აღემატება, მაგალითად, თავისუფალ ფერმენტებს ათასობით, ათიათასჯერ. ეს ყველაფერი უზრუნველყოფს ტექნოლოგიების მაღალ ეფექტურობას, კონკურენტუნარიანობას და ეკონომიურობას, რომლებშიც იმობილიზებული ფერმენტებია წარმოდგენილი.
მედია
ჯ. პორატუმ დაადგინა იდეალური მასალების ძირითადი თვისებები, რომლებიც გამოიყენება იმობილიზაციაში. მატარებლებს უნდა ჰქონდეთ:
- უხსნადობა.
- მაღალი ბიოლოგიური და ქიმიური წინააღმდეგობა.
- სწრაფი გააქტიურების შესაძლებლობა. მატარებლები ადვილად უნდა გახდნენ რეაქტიული.
- მნიშვნელოვანი ჰიდროფილურობა.
- აუცილებელი გამტარიანობა. მისი მაჩვენებელი თანაბრად მისაღები უნდა იყოს როგორც ფერმენტებისთვის, ასევე კოენზიმებისთვის, რეაქციის პროდუქტებისთვის და სუბსტრატებისთვის.
ამჟამად არ არსებობს მასალა, რომელიც სრულად აკმაყოფილებს ამ მოთხოვნებს. მიუხედავად ამისა, პრაქტიკაში გამოიყენება მატარებლები, რომლებიც შესაფერისია იმობილიზაციისთვის.გარკვეული კატეგორიის ფერმენტები სპეციფიკურ პირობებში.
კლასიფიკაცია
ბუნებიდან გამომდინარე, მასალები, რომლებთან დაკავშირებითაც ნაერთები გარდაიქმნება იმობილიზებულ ფერმენტებად, იყოფა არაორგანულ და ორგანულებად. მრავალი ნაერთის შეკვრა ხორციელდება პოლიმერული მატარებლებით. ეს ორგანული მასალები იყოფა 2 კლასად: სინთეზური და ბუნებრივი. თითოეულ მათგანში, თავის მხრივ, სტრუქტურის მიხედვით გამოიყოფა ჯგუფები. არაორგანული მატარებლები ძირითადად წარმოდგენილია მინის, კერამიკის, თიხისგან, სილიკა გელისა და შავი გრაფიტისგან დამზადებული მასალებით. მასალებთან მუშაობისას პოპულარულია მშრალი ქიმიის მეთოდები. იმობილიზებული ფერმენტები მიიღება მატარებლების ტიტანის, ალუმინის, ცირკონიუმის, ჰაფნიუმის ოქსიდების ფირით დაფარვით ან ორგანული პოლიმერებით დამუშავებით. მასალების მნიშვნელოვანი უპირატესობა არის რეგენერაციის სიმარტივე.
პროტეინის მატარებლები
ყველაზე პოპულარულია ლიპიდური, პოლისაქარიდური და ცილოვანი მასალები. ამ უკანასკნელთა შორის, აღსანიშნავია სტრუქტურული პოლიმერები. ეს ძირითადად მოიცავს კოლაგინს, ფიბრინს, კერატინს და ჟელატინს. ასეთი ცილები ფართოდ არის გავრცელებული ბუნებრივ გარემოში. ისინი ხელმისაწვდომი და ეკონომიურია. გარდა ამისა, მათ აქვთ დიდი რაოდენობით ფუნქციური ჯგუფები სავალდებულო. ცილები ბიოდეგრადირებადია. ეს საშუალებას იძლევა გაფართოვდეს იმობილიზებული ფერმენტების გამოყენება მედიცინაში. იმავდროულად, ცილებს ასევე აქვთ უარყოფითი თვისებები. ცილის მატარებლებზე იმობილიზებული ფერმენტების გამოყენების უარყოფითი მხარეა ამ უკანასკნელის მაღალი იმუნოგენურობა, ასევემათი მხოლოდ გარკვეული ჯგუფების რეაქციებში შეყვანის უნარი.
პოლისაქარიდები, ამინოსაქარიდები
ამ მასალებიდან ყველაზე ხშირად გამოიყენება ქიტინი, დექსტრანი, ცელულოზა, აგაროზა და მათი წარმოებულები. იმისთვის, რომ პოლისაქარიდები უფრო მდგრადი იყოს რეაქციების მიმართ, მათი ხაზოვანი ჯაჭვები ჯვარედინად არის დაკავშირებული ეპიქლოროჰიდრინთან. ქსელის სტრუქტურებში თავისუფლად არის შეყვანილი სხვადასხვა იონოგენური ჯგუფი. ქიტინი დიდი რაოდენობით გროვდება ნარჩენების სახით კრევეტებისა და კიბორჩხალების სამრეწველო გადამუშავების დროს. ეს ნივთიერება ქიმიურად მდგრადია და აქვს კარგად გამოხატული ფოროვანი სტრუქტურა.
სინთეზური პოლიმერები
მასალების ეს ჯგუფი ძალიან მრავალფეროვანი და ხელმისაწვდომია. მასში შედის აკრილის მჟავას, სტიროლის, პოლივინილის სპირტის, პოლიურეთანის და პოლიამიდის პოლიმერების საფუძველზე დაფუძნებული პოლიმერები. მათი უმეტესობა მექანიკურად ძლიერია. ტრანსფორმაციის პროცესში ისინი იძლევა ფორების ზომის ცვალებადობის შესაძლებლობას საკმაოდ ფართო დიაპაზონში, სხვადასხვა ფუნქციური ჯგუფების შემოღებით.
შეკავშირების მეთოდები
ამჟამად, იმობილიზაციის ორი ფუნდამენტურად განსხვავებული ვარიანტი არსებობს. პირველი არის ნაერთების მიღება მატარებელთან კოვალენტური ბმის გარეშე. ეს მეთოდი ფიზიკურია. კიდევ ერთი ვარიანტი მოიცავს მასალასთან კოვალენტური კავშირის გაჩენას. ეს ქიმიური მეთოდია.
ადსორბცია
მისი დახმარებით მიიღება იმობილიზებული ფერმენტები წამლის დაჭერით მატარებლის ზედაპირზე.დისპერსიული, ჰიდროფობიური, ელექტროსტატიკური ურთიერთქმედება და წყალბადის ბმები. ადსორბცია იყო ელემენტების მობილობის შეზღუდვის პირველი გზა. თუმცა, ახლაც ამ ვარიანტს არ დაუკარგავს აქტუალობა. უფრო მეტიც, ადსორბცია ითვლება ყველაზე გავრცელებულ იმობილიზაციის მეთოდად ინდუსტრიაში.
მეთოდის თავისებურებები
სამეცნიერო პუბლიკაციებში აღწერილია ადსორბციის მეთოდით მიღებული 70-ზე მეტი ფერმენტი. მატარებლები ძირითადად იყო ფოროვანი მინა, სხვადასხვა თიხა, პოლისაქარიდები, ალუმინის ოქსიდები, სინთეზური პოლიმერები, ტიტანი და სხვა ლითონები. ეს უკანასკნელი ყველაზე ხშირად გამოიყენება. წამლის ადსორბციის ეფექტურობა გადამზიდავზე განისაზღვრება მასალის ფორიანობით და ზედაპირის სპეციფიკური ფართობით.
მოქმედების მექანიზმი
ფერმენტის ადსორბცია უხსნად მასალებზე მარტივია. იგი მიიღწევა პრეპარატის წყალხსნარის გადამზიდავთან კონტაქტით. მას შეუძლია გაიაროს სტატიკური ან დინამიური გზით. ფერმენტის ხსნარს ურევენ სუფთა ნალექს, მაგალითად, ტიტანის ჰიდროქსიდს. შემდეგ ნაერთს აშრობენ რბილ პირობებში. ასეთი იმობილიზაციის დროს ფერმენტის აქტივობა შენარჩუნებულია თითქმის 100%-ით. ამავდროულად, სპეციფიკური კონცენტრაცია აღწევს 64 მგ გრამ გადამზიდავზე.
უარყოფითი მომენტები
ადსორბციის უარყოფითი მხარე მოიცავს დაბალ სიძლიერეს ფერმენტისა და მატარებლის შეკავშირებისას. რეაქციის პირობების შეცვლის პროცესში შეიძლება აღინიშნოს ელემენტების დაკარგვა, პროდუქტების დაბინძურება და ცილების დეზორბცია. სიძლიერის გასაუმჯობესებლადსავალდებულო მატარებლები წინასწარ შეცვლილია. კერძოდ, მასალები მუშავდება ლითონის იონებით, პოლიმერებით, ჰიდროფობიური ნაერთებით და სხვა მრავალფუნქციური აგენტებით. ზოგიერთ შემთხვევაში, თავად პრეპარატი მოდიფიცირებულია. მაგრამ საკმაოდ ხშირად ეს იწვევს მისი აქტივობის შემცირებას.
ჩართვა გელში
ეს ვარიანტი საკმაოდ გავრცელებულია თავისი უნიკალურობისა და სიმარტივის გამო. ეს მეთოდი შესაფერისია არა მხოლოდ ცალკეული ელემენტებისთვის, არამედ მრავალფერმენტული კომპლექსებისთვის. გელში შეყვანა შესაძლებელია ორი გზით. პირველ შემთხვევაში, პრეპარატი შერწყმულია მონომერის წყალხსნართან, რის შემდეგაც ხდება პოლიმერიზაცია. შედეგად, ჩნდება სივრცითი გელის სტრუქტურა, რომელიც შეიცავს უჯრედებში ფერმენტის მოლეკულებს. მეორე შემთხვევაში, პრეპარატი შეჰყავთ მზა პოლიმერის ხსნარში. შემდეგ იგი შეჰყავთ გელის მდგომარეობაში.
შეჭრა გამჭვირვალე სტრუქტურებში
იმობილიზაციის ამ მეთოდის არსი არის ფერმენტის წყალხსნარის გამოყოფა სუბსტრატიდან. ამისთვის გამოიყენება ნახევრად გამტარი მემბრანა. ის საშუალებას აძლევს კოფაქტორებისა და სუბსტრატების დაბალი მოლეკულური წონის ელემენტებს გაიარონ და ინარჩუნებენ ფერმენტების დიდ მოლეკულებს.
მიკროინკაფსულაცია
გამჭვირვალე სტრუქტურებში ჩასმის რამდენიმე ვარიანტი არსებობს. მათგან ყველაზე დიდი ინტერესია მიკროინკაფსულაცია და ცილების ლიპოსომებში შეყვანა. პირველი ვარიანტი 1964 წელს შემოგვთავაზა ტ. ჩანგმა. იგი მდგომარეობს იმაში, რომ ფერმენტის ხსნარი შეჰყავთ დახურულ კაფსულაში, რომლის კედლები დამზადებულია ნახევრად გამტარისგან.პოლიმერი. ზედაპირზე მემბრანის გამოჩენა გამოწვეულია ნაერთების ინტერფეისული პოლიკონდენსაციის რეაქციით. ერთი მათგანი იხსნება ორგანულ, ხოლო მეორე - წყალში. ამის მაგალითია მიკროკაფსულის წარმოქმნა, რომელიც მიღებულია სებაცინის მჟავას ჰალოიდის (ორგანული ფაზა) და ჰექსამეთილენდიამინის-1, 6 (შესაბამისად, წყლის ფაზა) პოლიკონდენსაციის შედეგად. მემბრანის სისქე გამოითვლება მიკრომეტრის მეასედში. კაფსულების ზომა ასობით ან ათობით მიკრომეტრია.
ინკორპორაცია ლიპოსომებში
ეს იმობილიზაციის მეთოდი ახლოსაა მიკროკაფსულაციასთან. ლიპოსომები წარმოდგენილია ლიპიდური ორშრიანი ლამელარული ან სფერული სისტემებში. ეს მეთოდი პირველად გამოიყენეს 1970 წელს. ლიპოსომების იზოლირებისთვის ლიპიდური ხსნარიდან ორგანული გამხსნელი აორთქლდება. დარჩენილი თხელი ფილმი ნაწილდება წყალხსნარში, რომელშიც ფერმენტი იმყოფება. ამ პროცესის დროს ხდება ლიპიდური ორშრიანი სტრუქტურების თვითშეკრება. ასეთი იმობილიზებული ფერმენტები საკმაოდ პოპულარულია მედიცინაში. ეს გამოწვეულია იმით, რომ მოლეკულების უმეტესობა ლოკალიზებულია ბიოლოგიური მემბრანების ლიპიდურ მატრიცაში. ლიპოსომებში შემავალი იმობილიზებული ფერმენტები მედიცინაში ყველაზე მნიშვნელოვანი კვლევის მასალაა, რაც შესაძლებელს ხდის სასიცოცხლო პროცესების შაბლონების შესწავლას და აღწერას.
ახალი ობლიგაციების ფორმირება
იმობილიზაცია ფერმენტებსა და მატარებლებს შორის ახალი კოვალენტური ჯაჭვების წარმოქმნით ითვლება ყველაზე ფართოდ გავრცელებულ მეთოდად სამრეწველო ბიოკატალიზატორების მისაღებად.დანიშნულების ადგილი. ფიზიკური მეთოდებისგან განსხვავებით, ეს ვარიანტი უზრუნველყოფს შეუქცევად და ძლიერ კავშირს მოლეკულასა და მასალას შორის. მის ფორმირებას ხშირად თან ახლავს წამლის სტაბილიზაცია. ამავდროულად, ფერმენტის მდებარეობა 1-ლი კოვალენტური ბმის მანძილზე გადამზიდავთან შედარებით, ქმნის გარკვეულ სირთულეებს კატალიზური პროცესის განხორციელებაში. მოლეკულა მასალისგან გამოყოფილია ჩანართის საშუალებით. ხშირად გამოიყენება როგორც პოლი- და ორფუნქციური აგენტი. კერძოდ, ეს არის ჰიდრაზინი, ციანოგენის ბრომიდი, გლუტარის დიალედრიდი, გოგირდის ქლორიდი და ა.შ. მაგალითად, გალაქტოზილტრანსფერაზას მოსაშორებლად, შემდეგი თანმიმდევრობა ჩასმულია მატარებელსა და ფერმენტს შორის -CH2- NH-(CH 2)5-CO-. ასეთ სიტუაციაში სტრუქტურაში არის ჩანართი, მოლეკულა და გადამზიდავი. ყველა მათგანი დაკავშირებულია კოვალენტური ბმებით. ფუნდამენტური მნიშვნელობა აქვს რეაქციაში ფუნქციური ჯგუფების შეყვანის აუცილებლობას, რომლებიც არ არის აუცილებელი ელემენტის კატალიზური ფუნქციისთვის. ასე რომ, როგორც წესი, გლიკოპროტეინები მიმაგრებულია მატარებელზე არა ცილის, არამედ ნახშირწყლების ნაწილის მეშვეობით. შედეგად მიიღება უფრო სტაბილური და აქტიური იმობილიზებული ფერმენტები.
უჯრედები
ზემოთ აღწერილი მეთოდები განიხილება უნივერსალური ყველა ტიპის ბიოკატალიზატორისთვის. ეს მოიცავს, სხვა საკითხებთან ერთად, უჯრედებს, უჯრედულ სტრუქტურებს, რომელთა იმობილიზაცია ბოლო დროს ფართოდ გავრცელდა. ეს გამოწვეულია შემდეგით. უჯრედების იმობილიზაციისას არ არის საჭირო ფერმენტული პრეპარატების იზოლირება და გაწმენდა ან რეაქციებში კოფაქტორების შეყვანა. შედეგად შესაძლებელი ხდებასისტემები, რომლებიც ახორციელებენ მრავალსაფეხურიან უწყვეტ პროცესებს.
იმობილიზებული ფერმენტების გამოყენება
ვეტერინარულ მედიცინაში, მრეწველობაში და სხვა ეკონომიკურ სექტორებში, ზემოაღნიშნული მეთოდებით მიღებული მედიკამენტები საკმაოდ პოპულარულია. პრაქტიკაში შემუშავებული მიდგომები გადაწყვეტს ორგანიზმში წამლის მიზანმიმართული მიწოდების პრობლემებს. იმობილიზებულმა ფერმენტებმა შესაძლებელი გახადა გახანგრძლივებული მოქმედების წამლების მიღება მინიმალური ალერგიულობითა და ტოქსიკურობით. ამჟამად მეცნიერები მიკრობიოლოგიური მიდგომების გამოყენებით წყვეტენ მასისა და ენერგიის ბიოკონვერტაციასთან დაკავშირებულ პრობლემებს. იმავდროულად, იმობილიზებული ფერმენტების ტექნოლოგიაც მნიშვნელოვან წვლილს შეიტანს მუშაობაში. როგორც ჩანს, განვითარების პერსპექტივები საკმაოდ ფართოა. ასე რომ, მომავალში გარემოს მდგომარეობის მონიტორინგის პროცესში ერთ-ერთი საკვანძო როლი ახალი ტიპის ანალიზს უნდა ეკუთვნოდეს. კერძოდ, საუბარია ბიოლუმინესცენტურ და ფერმენტულ იმუნოანალიზის მეთოდებზე. მოწინავე მიდგომებს განსაკუთრებული მნიშვნელობა აქვს ლიგნოცელულოზური ნედლეულის გადამუშავებაში. იმობილიზებული ფერმენტები შეიძლება გამოყენებულ იქნას სუსტი სიგნალის გამაძლიერებლებად. აქტიური ცენტრი შეიძლება იმყოფებოდეს მატარებლის გავლენის ქვეშ, რომელიც იმყოფება ულტრაბგერითი, მექანიკური სტრესის ქვეშ ან ექვემდებარება ფიტოქიმიურ ტრანსფორმაციას.
