Imobiliseeritud ensüümide mõiste ilmus esmakordselt 20. sajandi teisel poolel. Samal ajal, 1916. aastal, leiti, et süsinikule sorbeeritud sahharoos säilitas oma katalüütilise aktiivsuse. 1953. aastal viisid D. Schleit ja N. Grubhofer läbi pepsiini, amülaasi, karboksüpeptidaasi ja RNaasi esmase sidumise lahustumatu kandjaga. Immobiliseeritud ensüümide kontseptsioon legaliseeriti 1971. aastal. See juhtus esimesel inseneriensümoloogia konverentsil. Praegu käsitletakse immobiliseeritud ensüümide mõistet laiemas tähenduses kui 20. sajandi lõpus. Vaatame seda kategooriat lähem alt.
Üldine teave
Imobiliseeritud ensüümid on ühendid, mis on kunstlikult seotud lahustumatu kandjaga. Siiski säilitavad nad oma katalüütilised omadused. Praegu käsitletakse seda protsessi kahes aspektis – valgumolekulide liikumisvabaduse osalise ja täieliku piiramise raames.
Väärikus
Teadlased on kindlaks teinud immobiliseeritud ensüümide teatud eelised. Toimides heterogeensete katalüsaatoritena, saab neid reaktsioonikeskkonnast kergesti eraldada. Uuringu raames leiti, et immobiliseeritud ensüümide kasutamist saab korrata. Köitmisprotsessi käigus muudavad ühendused oma omadusi. Nad omandavad substraadi spetsiifilisuse ja stabiilsuse. Samal ajal hakkab nende tegevus sõltuma keskkonnatingimustest. Immobiliseeritud ensüümid on vastupidavad ja neil on kõrge stabiilsus. See on näiteks vabade ensüümide omast tuhandeid, kümneid tuhandeid kordi suurem. Kõik see tagab immobiliseeritud ensüüme sisaldavate tehnoloogiate kõrge efektiivsuse, konkurentsivõime ja ökonoomsuse.
Meedia
J. Poratu tuvastas immobiliseerimiseks kasutatavate ideaalsete materjalide peamised omadused. Kandjatel peab olema:
- Lahustamatus.
- Kõrge bioloogiline ja keemiline vastupidavus.
- Võimalus kiirelt aktiveerida. Kandjad peaksid kergesti reageerima.
- Märkimisväärne hüdrofiilsus.
- Vajalik läbilaskvus. Selle indikaator peaks olema võrdselt vastuvõetav nii ensüümide kui ka koensüümide, reaktsioonisaaduste ja substraatide jaoks.
Praegu puudub materjal, mis nendele nõuetele täielikult vastaks. Sellest hoolimata kasutatakse praktikas immobiliseerimiseks sobivaid kandjaid.teatud kategooria ensüümid teatud tingimustel.
Klassifikatsioon
Sõltuv alt oma olemusest jaotatakse materjalid, millega seoses ühendid muudetakse immobiliseeritud ensüümideks, anorgaanilisteks ja orgaanilisteks. Paljude ühendite sidumine toimub polümeersete kandjatega. Need orgaanilised materjalid jagunevad kahte klassi: sünteetilised ja looduslikud. Igas neist eristatakse omakorda rühmi sõltuv alt struktuurist. Anorgaanilisi kandjaid esindavad peamiselt klaasist, keraamikast, savist, silikageelist ja grafiitmustast valmistatud materjalid. Materjalidega töötamisel on populaarsed kuivkeemia meetodid. Immobiliseeritud ensüümid saadakse kandjate katmisel titaani, alumiiniumi, tsirkooniumi, hafniumoksiidide kilega või töötlemisel orgaaniliste polümeeridega. Materjalide oluline eelis on regenereerimise lihtsus.
Valgukandjad
Kõige populaarsemad on lipiid-, polüsahhariid- ja valgumaterjalid. Viimaste hulgas tasub esile tõsta struktuurseid polümeere. Nende hulka kuuluvad peamiselt kollageen, fibriin, keratiin ja želatiin. Sellised valgud on looduskeskkonnas lai alt levinud. Need on taskukohased ja ökonoomsed. Lisaks on neil sidumiseks palju funktsionaalrühmi. Valgud on biolagunevad. See võimaldab laiendada immobiliseeritud ensüümide kasutamist meditsiinis. Samal ajal on valkudel ka negatiivseid omadusi. Valgukandjatel immobiliseeritud ensüümide kasutamise puuduseks on viimaste kõrge immunogeensus, samutivõimalus lisada reaktsioonidesse ainult teatud rühmi neist.
Polüsahhariidid, aminosahhariidid
Nendest materjalidest kasutatakse kõige sagedamini kitiini, dekstraani, tselluloosi, agaroosi ja nende derivaate. Et muuta polüsahhariidid reaktsioonidele vastupidavamaks, on nende lineaarsed ahelad ristseotud epiklorohüdriiniga. Võrgustruktuuridesse sisestatakse vab alt mitmesuguseid ionogeenseid rühmi. Kitiini koguneb suurtes kogustes jäätmetena krevettide ja krabide tööstuslikul töötlemisel. See aine on kemikaalidele vastupidav ja sellel on täpselt määratletud poorne struktuur.
Sünteetilised polümeerid
See materjalide rühm on väga mitmekesine ja juurdepääsetav. See sisaldab akrüülhappel, stüreenil, polüvinüülalkoholil, polüuretaanil ja polüamiidpolümeeridel põhinevaid polümeere. Enamik neist on mehaaniliselt tugevad. Transformatsiooni käigus annavad need võimaluse muuta pooride suurust üsna laias vahemikus, tutvustades erinevaid funktsionaalseid rühmi.
Sidumismeetodid
Praegu on immobiliseerimiseks kaks põhimõtteliselt erinevat võimalust. Esimene on saada ühendeid ilma kovalentsete sidemeteta kandjaga. See meetod on füüsiline. Teine võimalus hõlmab kovalentse sideme tekkimist materjaliga. See on keemiline meetod.
Adsorptsioon
Selle abil saadakse immobiliseeritud ensüümid, hoides ravimit kandja pinnal, kunadispersioon, hüdrofoobsed, elektrostaatilised vastasmõjud ja vesiniksidemed. Adsorptsioon oli esimene viis elementide liikuvuse piiramiseks. Kuid isegi praegu pole see valik oma tähtsust kaotanud. Veelgi enam, adsorptsiooni peetakse tööstuses kõige levinumaks immobiliseerimismeetodiks.
Meetodi omadused
Teaduslikud väljaanded kirjeldavad enam kui 70 adsorptsioonimeetodil saadud ensüümi. Kandjateks olid peamiselt poorne klaas, erinevad savid, polüsahhariidid, alumiiniumoksiidid, sünteetilised polümeerid, titaan ja muud metallid. Viimaseid kasutatakse kõige sagedamini. Ravimi kandjale adsorptsiooni efektiivsuse määrab materjali poorsus ja eripind.
Toimemehhanism
Ensüümide adsorptsioon lahustumatutel materjalidel on lihtne. See saavutatakse ravimi vesilahuse kokkupuutel kandjaga. See võib läbida staatilisel või dünaamilisel viisil. Ensüümilahus segatakse värske settega, näiteks titaanhüdroksiidiga. Seejärel ühend kuivatatakse pehmetes tingimustes. Ensüümi aktiivsus sellise immobiliseerimise ajal säilib peaaegu 100%. Samal ajal jõuab spetsiifiline kontsentratsioon 64 mg-ni kandja grammi kohta.
Negatiivsed hetked
Adsorptsiooni puudusteks on madal tugevus ensüümi ja kandja sidumisel. Reaktsioonitingimuste muutmise protsessis võib täheldada elementide kadu, toodete saastumist ja valkude desorptsiooni. Tugevuse parandamisekssiduvad kandjad on eelnev alt modifitseeritud. Eelkõige töödeldakse materjale metalliioonide, polümeeride, hüdrofoobsete ühendite ja muude polüfunktsionaalsete ainetega. Mõnel juhul muudetakse ravimit ennast. Kuid üsna sageli viib see selle aktiivsuse vähenemiseni.
Kaasamine geelisse
See valik on oma ainulaadsuse ja lihtsuse tõttu üsna levinud. See meetod sobib mitte ainult üksikute elementide, vaid ka mitme ensüümi komplekside jaoks. Geeli sisseviimist saab teha kahel viisil. Esimesel juhul kombineeritakse ravim monomeeri vesilahusega, mille järel viiakse läbi polümerisatsioon. Selle tulemusena ilmub ruumiline geelstruktuur, mis sisaldab rakkudes ensüümi molekule. Teisel juhul viiakse ravim valmis polümeeri lahusesse. Seejärel viiakse see geeli olekusse.
Sissetungimine poolläbipaistvatesse struktuuridesse
Selle immobiliseerimismeetodi põhiolemus on ensüümi vesilahuse eraldamine substraadist. Selleks kasutatakse poolläbilaskvat membraani. See võimaldab kofaktorite ja substraatide madala molekulmassiga elementidel läbida ja säilitada suuri ensüümide molekule.
Mikrokapseldamine
Läbipaistvatesse struktuuridesse manustamiseks on mitu võimalust. Neist pakub suurimat huvi valkude mikrokapseldamine ja liposoomidesse viimine. Esimese variandi pakkus välja 1964. aastal T. Chang. See seisneb selles, et ensüümi lahus viiakse suletud kapslisse, mille seinad on valmistatud poolläbilaskvast materjalist.polümeer. Membraani välimus pinnale on põhjustatud ühendite pindadevahelise polükondensatsiooni reaktsioonist. Üks neist lahustatakse orgaanilises ja teine vesifaasis. Näiteks on mikrokapsli moodustamine, mis saadakse sebatsiinhappe halogeniidi (orgaaniline faas) ja heksametüleendiamiin-1, 6 (vastav alt vesifaas) polükondensatsioonil. Membraani paksus arvutatakse sajandikmikromeetrites. Kapslite suurus on sadu või kümneid mikromeetreid.
Liposoomidesse liitmine
See immobiliseerimismeetod on lähedane mikrokapseldamisele. Liposoomid on esitatud lipiidide kaksikkihtide lamell- või sfäärilistes süsteemides. Seda meetodit kasutati esmakordselt 1970. aastal. Liposoomide eraldamiseks lipiidilahusest orgaaniline lahusti aurustatakse. Ülejäänud õhuke kile dispergeeritakse vesilahuses, milles on ensüüm. Selle protsessi käigus toimub lipiidide kahekihiliste struktuuride iseseisev kokkupanek. Sellised immobiliseeritud ensüümid on meditsiinis üsna populaarsed. See on tingitud asjaolust, et enamik molekule paikneb bioloogiliste membraanide lipiidmaatriksis. Liposoomides sisalduvad immobiliseeritud ensüümid on meditsiinis kõige olulisem uurimismaterjal, mis võimaldab uurida ja kirjeldada elutähtsate protsesside mustreid.
Uute võlakirjade moodustamine
Immobiliseerimist uute kovalentsete ahelate moodustamise teel ensüümide ja kandjate vahel peetakse tööstuslike biokatalüsaatorite saamise kõige levinumaks meetodiks.sihtkoht. Erinev alt füüsikalistest meetoditest tagab see valik pöördumatu ja tugeva sideme molekuli ja materjali vahel. Selle moodustumisega kaasneb sageli ravimi stabiliseerumine. Samal ajal tekitab ensüümi paiknemine 1. kovalentse sideme kaugusel kandja suhtes teatud raskusi katalüütilise protsessi rakendamisel. Molekul eraldatakse materjalist inserdi abil. Seda kasutatakse sageli polü- ja bifunktsionaalsete ainetena. Eelkõige on need hüdrasiin, tsüaanbromiid, glutaardialhedriid, sulfurüülkloriid jne. Näiteks galaktosüültransferaasi eemaldamiseks sisestatakse kandja ja ensüümi vahele järgmine järjestus -CH2- NH-(CH 2)5-CO-. Sellises olukorras on struktuuris sisestus, molekul ja kandja. Kõik need on omavahel ühendatud kovalentsete sidemetega. Põhimõttelise tähtsusega on vajadus lisada reaktsiooni funktsionaalseid rühmi, mis ei ole elemendi katalüütilise funktsiooni jaoks olulised. Nii et reeglina kinnituvad glükoproteiinid kandja külge mitte valgu, vaid süsivesikute osa kaudu. Selle tulemusena saadakse stabiilsemad ja aktiivsemad immobiliseeritud ensüümid.
Cells
Ülalkirjeldatud meetodeid peetakse universaalseteks igat tüüpi biokatalüsaatorite jaoks. Nende hulka kuuluvad muu hulgas rakud, subtsellulaarsed struktuurid, mille immobiliseerimine on viimasel ajal lai alt levinud. Selle põhjuseks on järgmine. Kui rakud on immobiliseeritud, ei ole vaja ensüümpreparaate eraldada ja puhastada ega lisada reaktsioonidesse kofaktoreid. Selle tulemusena muutub võimalikukssüsteemid, mis viivad läbi mitmeastmelisi pidevaid protsesse.
Imobiliseeritud ensüümide kasutamine
Veterinaarmeditsiinis, tööstuses ja teistes majandussektorites on ül altoodud meetoditega saadud ravimid üsna populaarsed. Praktikas välja töötatud lähenemisviisid pakuvad lahenduse ravimite sihipärase kohaletoimetamise probleemidele organismi. Immobiliseeritud ensüümid võimaldasid saada pikaajalise toimega ravimeid minimaalse allergeensuse ja toksilisusega. Praegu lahendavad teadlased massi ja energia biokonversiooniga seotud probleeme mikrobioloogiliste lähenemisviiside abil. Samal ajal annab töösse olulise panuse ka immobiliseeritud ensüümide tehnoloogia. Arenguväljavaated tunduvad üsna laiad. Seega peaks edaspidi üks võtmerollidest keskkonnaseisundi jälgimise protsessis kuuluma uut tüüpi analüüsidele. Eelkõige räägime bioluminestsents- ja ensüümimmunoanalüüsi meetoditest. Täiustatud lähenemisviisid on lignotselluloosse tooraine töötlemisel eriti olulised. Immobiliseeritud ensüüme saab kasutada nõrkade signaalivõimenditena. Aktiivne keskus võib olla kandja mõju all, mis on ultraheli, mehaanilise stressi või fütokeemiliste muutuste all.
