Akceleratory biologiczne

Jak świadczą legendy i opowieści ludowe starożytności, ludzie od niepamiętnych czasów przygotowywali wino z soku winogronowego, robili ser z kwaśnego mleka, bili wrogów i dzikie zwierzęta strzałami, których czubki były nasycone śmiercionośną trucizną. Człowiek zaobserwował i wykorzystał wiele niesamowitych przemian zachodzących w organizmach żywych i materiałach z nich pobieranych, takich jak krzepnięcie krwi, dojrzewanie (i rozkład) mięsa, ryb i produktów roślinnych. Ale dlaczego to wszystko się dzieje, długo nie potrafił wyjaśnić. Dopiero na początku XIX wieku odkryto w obiektach biologicznych substancje czynne, które powodują takie przemiany.

Nazywa się je enzymami. Pierwsze czyste enzymy wyizolowane w latach 30-tych XX wieku w postaci kryształów okazały się białkami, a wszystkie otrzymane później (obecnie jest ich około dwa tysiące) to także specjalne rodzaje białek.

Teraz wiemy, że enzymy pod wieloma względami są niezmiernie lepsze od sztucznych katalizatorów. Przede wszystkim siłą działania. Tysiące reakcji chemicznych zachodzą w organizmach żywych z udziałem enzymów bez wysokich temperatur i ciśnień miliony i miliardy razy szybciej niż w obecności najlepszych katalizatorów chemicznych.

Enzymy mają jeszcze jedną zaletę - najważniejszą. Od sztucznych katalizatorów różnią się uderzającą racjonalnością swoich działań, ściśle ukierunkowanymi i najbardziej skutecznymi. Każdy enzym działa optymalnie, nie szukając „optymalnych rozwiązań technologicznych”, przekształcając tylko jeden lub grupę blisko spokrewnionych związków. Ponadto przekształca się w ściśle określonym kierunku.

To są niesamowite zdolności, które odkryły enzymy. Jednak wiedząc dużo o ich właściwościach, badacze, nawet u progu naszego stulecia, nie potrafili odpowiedzieć na pytanie, czym one są. Prawdą jest, że nawet wtedy tak wybitni naukowcy jak I.Pavlov, A. Bach, E. Fischer, F. Hopkins byli przekonani, że żywotna aktywność każdego organizmu, metabolizm to nic innego jak zbiór niezliczonych reakcji chemicznych zachodzących w ściśle uporządkowanych żywych komórkach. . A enzymy to rodzaj „funkcjonariuszy organów ścigania” (a raczej ich organizatorów). Stąd jasne jest, jak ważną rolę odgrywają w metabolizmie. A on z kolei jest podstawą wszystkich funkcji biologicznych: odżywiania, rozmnażania, rozwoju, dziedziczności, drażliwości, mobilności.

W końcu do czego służą ci „tajemniczy nieznajomi” - enzymy? Zajęło wiele lat pracy, refleksji i eksperymentów, zanim stało się jasne, że w organizmach nie tylko przyspieszają one reakcje metaboliczne, ale służą również jako ważne narzędzia dla „pracujących” części komórek. Po raz pierwszy pokazali to w latach 30. ubiegłego wieku V. Engelhardt i M. Lyubimova. Okazało się, że białko kurczliwe mięśni i enzym uwalniający energię do skurczu są identyczne. Engelhardt zasugerował, że enzymy stanowią istotną część całej masy białek komórkowych.

Ten pomysł został w pełni potwierdzony. Ponadto okazało się, że niezwykle ważne narządy komórek, związane z syntezą białek, transportem substancji, oddychaniem komórkowym, zbudowane są głównie ze specjalnych białek enzymatycznych. Innymi słowy, enzymy są umieszczane dokładnie tam, gdzie są potrzebne, jako subtelny instrument transformacji chemicznej.

Czytelnik może zapytać: czy to takie ważne, gdzie jest, który enzym jest „zarejestrowany”? Najważniejsze, żeby wiedzieć, jak to działa. Okazuje się, że „topografia” w tym przypadku jest niezwykle ważna nie tylko dla nauki, ale także dla praktyki. W końcu enzymy nie tylko przyspieszają reakcje.Sami z kolei kieruje się działanie większości związków biologicznie czynnych - witamin, hormonów, antybiotyków, substancji leczniczych i trucizn.

Czy muszę wyjaśniać, jakie perspektywy są najeżone precyzyjnym określeniem „współrzędnych” pewnych enzymów i możliwością wpływania na ich działanie. Na przykład złożone związki organiczne, które atakują jeden z enzymów niezbędnych do funkcjonowania ośrodków nerwowych, okazały się skutecznym sposobem leczenia wielu poważnych chorób oczu i układu nerwowego. Objaśniając strukturę i funkcje enzymów, nauka poszukuje sposobów praktycznej kontroli procesów fizjologicznych oraz nowych sposobów ochrony organizmów żywych przed szkodliwymi skutkami.

Obecnie znanych jest ponad pięćset wrodzonych wad metabolicznych u ludzi, których przyczyną jest dziedziczne, uwarunkowane genetycznie naruszenie syntezy określonego enzymu. Na przykład wrodzony brak enzymu, który przyspiesza ostatni etap biosyntezy aminokwasu tyrozyny, prowadzi do gwałtownego zakłócenia fizycznego i psychicznego rozwoju dzieci. Wady tworzenia niektórych enzymów metabolizmu cukru powodują niebezpieczne zaburzenia stabilności krwinek.

Niezrównana selektywność działania enzymów czyni je nieocenionymi odczynnikami do analizy biochemicznej - pomiaru zawartości określonego cukru, aminokwasu itp. W złożonej mieszaninie podobnych, pokrewnych związków, a także do drobnej syntezy organicznej. Tak więc zastosowanie w przemyśle preparatów enzymatycznych (lub bogatych w nie komórek drobnoustrojów) wielokrotnie obniżyło koszt tak ważnych preparatów biochemicznych, jak kwas askorbinowy i hormony steroidowe.

Dziś w większości krajów rozwiniętych technicznie powstały wyspecjalizowane przedsiębiorstwa produkujące preparaty enzymatyczne. Leki te są stosowane w wielu dziedzinach przemysłu lekkiego, spożywczego i farmaceutycznego, intensyfikują i obniżają koszty produkcji. Na przykład ich użycie może poprawić wartość odżywczą paszy dla zwierząt.

Wydawałoby się, że możliwości stosowania takich leków są nieograniczone. Ale w rzeczywistości, pomimo niezwykłych właściwości katalitycznych enzymów, ich praktyczne zastosowanie do niedawna było stosunkowo ograniczone. Przyczyna? Niestabilność enzymów i trudność oddzielenia ich od produktów reakcji. Wykluczyło to ponowne użycie enzymów i uczyniło tę metodę w wielu przypadkach nieopłacalną.

Niedawno te niedociągnięcia zostały w dużej mierze przezwyciężone. Pomogła tu metoda tzw. Immobilizacji enzymów. Co się stanie, jeśli niestabilny enzym zostanie przyłączony za pomocą silnych wiązań chemicznych lub w inny sposób do polimerowych nierozpuszczalnych nośników różnej natury - pochodnych celulozy, tworzyw jonowymiennych, szkieł porowatych, żeli krzemianowo-organicznych? Zasada ta przypomina nieco przeszczepianie południowych odmian jabłoni na mrozoodporne północne. Ale oczywiście przypomina mi tylko z daleka. Oto różne skale, różne, znacznie subtelniejsze mechanizmy. I pytanie jest tutaj całkiem naturalne: czy cenne właściwości enzymów w ogóle zachowały się po przeprowadzeniu na nich takich operacji?

I okazało się: tak, są. Ponadto immobilizowane enzymy, zachowując znaczną część aktywności katalitycznej, w wielu przypadkach mają znacznie zwiększoną stabilność.

Rozumiesz, co można zrobić, jeśli miejsce dzisiejszych katalizatorów, raczej grubych, „nieelastycznych” w porównaniu z enzymami, zajmie w przemyśle, rolnictwie, medycynie nowe akceleratory i opóźniacze reakcji, które mają wszystkie najlepsze cechy enzymów, ale w tym samym czasie odporność sztucznych katalizatorów. Jeśli takie „centaury” zostaną odpowiednio „zaprzęgnięte” w gospodarkę, zmuszone do pracy na jej potrzeby z pełnym poświęceniem, może to doprowadzić do poważnego wzrostu wydajności produkcji.

To nie przypadek, że obecnie wielkie nadzieje wiąże się z tą nową gałęzią badań - tak zwaną „inżynierską fermentologią”. Obiecuje znacznie uprościć wiele branż i stworzyć całkowicie nowe. Pomimo dodatkowych kosztów produkcji immobilizowanych enzymów, możliwość ich wielokrotnego użycia sprawia, że ​​nowa technologia jest ekonomicznie uzasadniona.

Naukowcy spodziewają się, że dzięki zastosowaniu immobilizowanych enzymów w przyszłości możliwe będzie rozwiązanie szeregu skomplikowanych problemów nie tylko drobnej syntezy organicznej, ale także energii chemicznej, np. Przy tworzeniu biokatalitycznych układów wiązania azotu atmosferycznego, synteza ciekłego paliwa organicznego z dwutlenku węgla i gazu ziemnego.

Rozumie się samo przez się, że rozwiązanie tych i innych stosowanych problemów związanych z katalizą biologiczną jest możliwe tylko przy wystarczająco wysokim poziomie podstawowych badań nad strukturą i funkcją enzymów. Chemia i biochemia enzymów jest zaangażowana w wiele instytutów badawczych i wyższych uczelni. Krajowi naukowcy wnieśli wiele znaczących, uznanych na całym świecie wkładów w tę dziedzinę nauki.

Człowiek konkurował z przyrodą na obszarach, które dopiero wczoraj wydawały się zasadniczo niedostępne. Opanowując tajniki enzymów, zmuszając je, by służyły sobie, poprawiały ich samopoczucie, chroniły ich zdrowie, pisze nową stronę w wielkiej księdze naszej wiedzy o świecie.

A. Braunstein

Podobne publikacje

Co to jest klatka?

Jak zbudowane są struktury białkowe

Impulsy nerwowe i RNA