Концепцията за имобилизирани ензими се появява за първи път през втората половина на 20-ти век. Междувременно през далечната 1916 г. беше установено, че захарозата, сорбирана върху въглерода, запазва каталитичната си активност. През 1953 г. D. Schleit и N. Grubhofer извършват първото свързване на пепсин, амилаза, карбоксипептидаза и РНКаза с неразтворим носител. Концепцията за имобилизирани ензими е легализирана през 1971 г. Това се случи на първата конференция по инженерна ензимология. Понастоящем концепцията за имобилизирани ензими се разглежда в по-широк смисъл, отколкото в края на 20-ти век. Нека разгледаме по-отблизо тази категория.
Обща информация
Имобилизираните ензими са съединения, които са изкуствено свързани с неразтворим носител. Въпреки това, те запазват своите каталитични свойства. В момента този процес се разглежда в два аспекта - в рамките на частично и пълно ограничаване на свободата на движение на протеиновите молекули.
Достойнство
Учените са установили определени ползи от имобилизираните ензими. Действайки като хетерогенни катализатори, те могат лесно да бъдат отделени от реакционната среда. Като част от изследването е установено, че използването на имобилизирани ензими може да се повтори. По време на процеса на свързване връзките променят свойствата си. Те придобиват субстратна специфичност и стабилност. В същото време тяхната дейност започва да зависи от условията на околната среда. Имобилизираните ензими са издръжливи и имат висока степен на стабилност. Той е по-голям от, например, този на свободните ензими с хиляди, десетки хиляди пъти. Всичко това гарантира висока ефективност, конкурентоспособност и икономичност на технологиите, в които присъстват имобилизирани ензими.
Медия
J. Порату идентифицира ключовите свойства на идеалните материали, които да се използват при обездвижване. Носителите трябва да имат:
- Неразтворимост.
- Висока биологична и химическа устойчивост.
- Възможност за бързо активиране. Носителите трябва лесно да реагират.
- Значителна хидрофилност.
- Необходима пропускливост. Неговият индикатор трябва да бъде еднакво приемлив както за ензими, така и за коензими, реакционни продукти и субстрати.
В момента няма материал, който да отговаря напълно на тези изисквания. Въпреки това на практика се използват носители, които са подходящи за обездвижване.определена категория ензими при специфични условия.
Класификация
В зависимост от естеството си материалите, във връзка с които съединенията се превръщат в имобилизирани ензими, се делят на неорганични и органични. Свързването на много съединения се извършва с полимерни носители. Тези органични материали са разделени на 2 класа: синтетични и естествени. Във всеки от тях от своя страна се разграничават групи в зависимост от структурата. Неорганичните носители са представени главно от материали от стъкло, керамика, глина, силикагел и графитно черно. При работа с материали, методите на суха химия са популярни. Имобилизираните ензими се получават чрез покриване на носителите с филм от титаниев, алуминиев, циркониеви, хафниеви оксиди или чрез обработка с органични полимери. Важно предимство на материалите е лекотата на регенериране.
Протеинови носители
Най-популярните са липидните, полизахаридните и протеиновите материали. Сред последните си струва да се подчертаят структурните полимери. Те включват предимно колаген, фибрин, кератин и желатин. Такива протеини са широко разпространени в естествената среда. Те са достъпни и икономични. Освен това те имат голям брой функционални групи за свързване. Протеините са биоразградими. Това позволява разширяване на използването на имобилизирани ензими в медицината. Междувременно протеините също имат отрицателни свойства. Недостатъците на използването на имобилизирани ензими върху протеинови носители са високата имуногенност на последните, както испособността да се въвеждат само определени групи от тях в реакциите.
Полизахариди, аминозахариди
От тези материали най-често се използват хитин, декстран, целулоза, агароза и техните производни. За да направят полизахаридите по-устойчиви на реакции, техните линейни вериги са омрежени с епихлорхидрин. Различни йоногенни групи се въвеждат свободно в мрежовите структури. Хитинът се натрупва в големи количества като отпадък по време на промишлената преработка на скариди и раци. Това вещество е устойчиво на химикали и има добре дефинирана пореста структура.
Синтетични полимери
Тази група материали е много разнообразна и достъпна. Включва полимери на базата на акрилова киселина, стирен, поливинил алкохол, полиуретан и полиамидни полимери. Повечето от тях са механично здрави. В процеса на трансформация те предоставят възможност за промяна на размера на порите в доста широк диапазон, въвеждайки различни функционални групи.
Методи на обвързване
В момента има две коренно различни опции за обездвижване. Първият е да се получат съединения без ковалентни връзки с носителя. Този метод е физически. Друг вариант включва появата на ковалентна връзка с материала. Това е химичен метод.
Адсорбция
С него се получават имобилизирани ензими чрез задържане на лекарството върху повърхността на носителя порадидисперсия, хидрофобни, електростатични взаимодействия и водородни връзки. Адсорбцията беше първият начин за ограничаване на подвижността на елементите. Въпреки това, дори сега тази опция не е загубила своята актуалност. Освен това адсорбцията се счита за най-разпространения метод за обездвижване в индустрията.
Характеристики на метода
Научни публикации описват повече от 70 ензима, получени чрез адсорбционния метод. Носителите бяха предимно поресто стъкло, различни глини, полизахариди, алуминиеви оксиди, синтетични полимери, титан и други метали. Последните са най-често използваните. Ефективността на адсорбцията на лекарството върху носителя се определя от порьозността на материала и специфичната повърхност.
Механизъм на действие
Ензимната адсорбция върху неразтворими материали е проста. Постига се чрез контакт на воден разтвор на лекарството с носителя. Може да преминава по статичен или динамичен начин. Ензимният разтвор се смесва с прясна утайка, например титанов хидроксид. След това съединението се суши при меки условия. Ензимната активност по време на такова обездвижване се запазва почти 100%. В същото време специфичната концентрация достига 64 mg на грам носител.
Отрицателни моменти
Недостатъците на адсорбцията включват ниска якост при свързване на ензима и носителя. В процеса на промяна на условията на реакцията може да се отбележи загуба на елементи, замърсяване на продуктите и десорбция на протеини. За подобряване на силатасвързващите носители са предварително модифицирани. По-специално, материалите се обработват с метални йони, полимери, хидрофобни съединения и други полифункционални агенти. В някои случаи самото лекарство се модифицира. Но доста често това води до намаляване на неговата активност.
Включване в гела
Тази опция е доста често срещана поради своята уникалност и простота. Този метод е подходящ не само за отделни елементи, но и за мултиензимни комплекси. Включването в гела може да се извърши по два начина. В първия случай лекарството се комбинира с воден разтвор на мономера, след което се извършва полимеризация. В резултат на това се появява пространствена гелна структура, съдържаща ензимни молекули в клетките. Във втория случай лекарството се въвежда в разтвора на готовия полимер. След това се поставя в гелово състояние.
Нахлуване в полупрозрачни структури
Същността на този метод на имобилизация е отделянето на воден ензимен разтвор от субстрата. За това се използва полупропусклива мембрана. Той позволява на елементите с ниско молекулно тегло на кофактори и субстрати да преминават през и задържа големи молекули на ензими.
Микрокапсулиране
Има няколко опции за вграждане в полупрозрачни структури. От тях най-голям интерес представляват микрокапсулирането и включването на протеини в липозомите. Първият вариант е предложен през 1964 г. от Т. Чанг. Състои се във факта, че ензимният разтвор се въвежда в затворена капсула, чиито стени са направени от полупропускливиполимер. Появата на мембрана на повърхността се причинява от реакцията на междуфазна поликондензация на съединения. Единият от тях се разтваря в органичната, а другият - във водната фаза. Пример е образуването на микрокапсула, получена чрез поликондензация на халид на себацинова киселина (органична фаза) и хексаметилендиамин-1, 6 (съответно водна фаза). Дебелината на мембраната се изчислява в стотни от микрометъра. Размерът на капсулите е стотици или десетки микрометри.
Включване в липозоми
Този метод на имобилизация е близък до микрокапсулирането. Липозомите са представени в ламеларни или сферични системи от липидни бислоеве. Този метод е използван за първи път през 1970 г. За изолиране на липозоми от липиден разтвор, органичният разтворител се изпарява. Останалият тънък филм се диспергира във воден разтвор, в който присъства ензимът. По време на този процес се осъществява самосглобяване на липидни двуслойни структури. Такива имобилизирани ензими са доста популярни в медицината. Това се дължи на факта, че повечето от молекулите са локализирани в липидния матрикс на биологичните мембрани. Имобилизираните ензими, включени в липозомите, са най-важният изследователски материал в медицината, който прави възможно изучаването и описването на моделите на жизнените процеси.
Формиране на нови облигации
Имобилизацията чрез образуване на нови ковалентни вериги между ензими и носители се счита за най-разпространения метод за получаване на промишлени биокатализатори.дестинация. За разлика от физическите методи, тази опция осигурява необратима и силна връзка между молекулата и материала. Неговото образуване често е придружено от стабилизиране на лекарството. В същото време разположението на ензима на разстояние от 1-ва ковалентна връзка спрямо носителя създава определени трудности при осъществяването на каталитичния процес. Молекулата се отделя от материала с помощта на вложка. Често се използва като поли- и бифункционални агенти. По-специално, те са хидразин, цианоген бромид, глутаров диалхедрид, сулфурил хлорид и др. Например, за да се отстрани галактозилтрансфераза, следната последователност се вмъква между носителя и ензима -CH2- NH-(CH 2)5-CO-. В такава ситуация в структурата присъстват вложка, молекула и носител. Всички те са свързани с ковалентни връзки. От фундаментално значение е необходимостта от въвеждане в реакцията на функционални групи, които не са съществени за каталитичната функция на елемента. Така че, като правило, гликопротеините са прикрепени към носителя не чрез протеина, а чрез въглехидратната част. В резултат на това се получават по-стабилни и активни имобилизирани ензими.
Клетки
Описаните по-горе методи се считат за универсални за всички видове биокатализатори. Те включват, наред с други неща, клетки, субклетъчни структури, чието имобилизиране напоследък е широко разпространено. Това се дължи на следното. Когато клетките са имобилизирани, няма нужда от изолиране и пречистване на ензимни препарати или въвеждане на кофактори в реакциите. В резултат на това става възможно дасистеми, които извършват многоетапни непрекъснати процеси.
Използване на имобилизирани ензими
Във ветеринарната медицина, индустрията и други икономически сектори, лекарствата, получени по горните методи, са доста популярни. Разработените в практиката подходи дават решение на проблемите с целевото доставяне на лекарства в организма. Имобилизираните ензими направиха възможно получаването на лекарства с удължено действие с минимална алергенност и токсичност. В момента учените решават проблемите, свързани с биоконверсията на маса и енергия, използвайки микробиологични подходи. Междувременно технологията на имобилизираните ензими също има значителен принос за работата. Изгледите за развитие изглеждат доста широки. Така че в бъдеще една от ключовите роли в процеса на наблюдение на състоянието на околната среда трябва да принадлежи на новите видове анализи. По-специално, говорим за биолуминесцентни и ензимни имуноанализови методи. Усъвършенстваните подходи са от особено значение при преработката на лигноцелулозни суровини. Имобилизираните ензими могат да се използват като усилватели на слаб сигнал. Активният център може да бъде под въздействието на носител, който е под ултразвук, механичен стрес или подложен на фитохимични трансформации.
