Begreppet immobiliserade enzymer dök upp först under andra hälften av 1900-talet. Under tiden, redan 1916, fann man att sackaros sorberat på kol behöll sin katalytiska aktivitet. År 1953 utförde D. Schleit och N. Grubhofer den första bindningen av pepsin, amylas, karboxipeptidas och RNas med en olöslig bärare. Konceptet med immobiliserade enzymer legaliserades 1971. Detta hände vid den första konferensen om ingenjörsenzymologi. För närvarande betraktas begreppet immobiliserade enzymer i en vidare mening än vad det var i slutet av 1900-talet. Låt oss titta närmare på den här kategorin.
Allmän information
Immobiliserade enzymer är föreningar som är artificiellt bundna till en olöslig bärare. De behåller dock sina katalytiska egenskaper. För närvarande betraktas denna process i två aspekter - inom ramen för en partiell och fullständig begränsning av rörelsefriheten för proteinmolekyler.
Dignity
Forskare har fastställt vissa fördelar med immobiliserade enzymer. De fungerar som heterogena katalysatorer och kan lätt separeras från reaktionsmediet. Som en del av forskningen fann man att användningen av immobiliserade enzymer kan upprepas. Under bindningsprocessen ändrar anslutningar sina egenskaper. De förvärvar substratspecificitet och stabilitet. Samtidigt börjar deras aktivitet bero på miljöförhållanden. Immobiliserade enzymer är hållbara och har en hög grad av stabilitet. Den är större än till exempel den för fria enzymer tusentals, tiotusentals gånger. Allt detta säkerställer hög effektivitet, konkurrenskraft och ekonomi för teknologier där immobiliserade enzymer finns.
Media
J. Poratu identifierade nyckelegenskaperna hos ideala material som ska användas vid immobilisering. Bärare måste ha:
- Olöslighet.
- Hög biologisk och kemisk resistens.
- Förmågan att snabbt aktivera. Transportörerna bör lätt bli reaktiva.
- Betydande hydrofilicitet.
- Nödvändig permeabilitet. Dess indikator bör vara lika godtagbar för både enzymer och koenzymer, reaktionsprodukter och substrat.
För närvarande finns det inget material som helt uppfyller dessa krav. Ändå används i praktiken bärare som är lämpliga för immobilisering.viss kategori av enzymer under specifika förhållanden.
Klassificering
Beroende på deras natur delas materialen, i samband med vilka föreningar omvandlas till immobiliserade enzymer, in i oorganiska och organiska. Bindningen av många föreningar utförs med polymera bärare. Dessa organiska material är indelade i 2 klasser: syntetiska och naturliga. I var och en av dem särskiljs i sin tur grupper beroende på strukturen. Oorganiska bärare representeras huvudsakligen av material gjorda av glas, keramik, lera, silikagel och grafitsvart. När man arbetar med material är torrkemimetoder populära. Immobiliserade enzymer erhålls genom att belägga bärare med en film av titan, aluminium, zirkonium, hafniumoxider eller genom bearbetning med organiska polymerer. En viktig fördel med material är att det är lätt att regenerera.
Proteinbärare
De mest populära är lipid-, polysackarid- och proteinmaterial. Bland de senare är det värt att lyfta fram strukturella polymerer. Dessa inkluderar främst kollagen, fibrin, keratin och gelatin. Sådana proteiner är utbredda i den naturliga miljön. De är prisvärda och ekonomiska. Dessutom har de ett stort antal funktionella grupper för bindning. Proteiner är biologiskt nedbrytbara. Detta gör det möjligt att utöka användningen av immobiliserade enzymer inom medicinen. Samtidigt har proteiner också negativa egenskaper. Nackdelarna med att använda immobiliserade enzymer på proteinbärare är den höga immunogeniciteten hos de senare, liksomförmågan att bara introducera vissa grupper av dem i reaktioner.
Polysackarider, aminosackarider
Av dessa material används oftast kitin, dextran, cellulosa, agaros och deras derivat. För att göra polysackarider mer motståndskraftiga mot reaktioner är deras linjära kedjor tvärbundna med epiklorhydrin. Olika jonogena grupper införs fritt i nätverksstrukturerna. Kitin ackumuleras i stora mängder som avfall vid industriell bearbetning av räkor och krabbor. Detta ämne är kemiskt resistent och har en väldefinierad porös struktur.
Syntetiska polymerer
Denna materialgrupp är väldigt mångsidig och tillgänglig. Det inkluderar polymerer baserade på akrylsyra, styren, polyvinylalkohol, polyuretan och polyamidpolymerer. De flesta av dem är mekaniskt starka. Under transformationsprocessen ger de möjligheten att variera porstorleken inom ett ganska brett intervall, vilket introducerar olika funktionella grupper.
Bindningsmetoder
För närvarande finns det två fundament alt olika alternativ för immobilisering. Det första är att erhålla föreningar utan kovalenta bindningar med bäraren. Denna metod är fysisk. Ett annat alternativ innebär uppkomsten av en kovalent bindning med materialet. Detta är en kemisk metod.
Adsorption
Med hjälp av den erhålls immobiliserade enzymer genom att hålla läkemedlet på bärarens yta p.g.a.dispersion, hydrofoba, elektrostatiska interaktioner och vätebindningar. Adsorption var det första sättet att begränsa rörligheten av element. Men även nu har detta alternativ inte förlorat sin relevans. Dessutom anses adsorption vara den vanligaste immobiliseringsmetoden i branschen.
Funktioner i metoden
Vetenskapliga publikationer beskriver mer än 70 enzymer erhållna med adsorptionsmetoden. Bärarna var huvudsakligen poröst glas, olika leror, polysackarider, aluminiumoxider, syntetiska polymerer, titan och andra metaller. De senare är de vanligaste. Effektiviteten av adsorptionen av läkemedlet på bäraren bestäms av materialets porositet och den specifika ytan.
verkansmekanism
Enzymadsorption på olösliga material är enkel. Det uppnås genom kontakt av en vattenlösning av läkemedlet med bäraren. Det kan passera på ett statiskt eller dynamiskt sätt. Enzymlösningen blandas med färskt sediment, till exempel titanhydroxid. Föreningen torkas sedan under milda betingelser. Enzymaktivitet under sådan immobilisering bibehålls med nästan 100 %. Samtidigt når den specifika koncentrationen 64 mg per gram bärare.
Negativa ögonblick
Nackdelarna med adsorption inkluderar låg styrka vid bindning av enzymet och bäraren. I processen att ändra reaktionsförhållandena kan förlust av element, förorening av produkter och proteindesorption noteras. För att förbättra styrkanbindningsbärare är förmodifierade. I synnerhet behandlas material med metalljoner, polymerer, hydrofoba föreningar och andra polyfunktionella medel. I vissa fall modifieras själva läkemedlet. Men ganska ofta leder detta till att dess aktivitet minskar.
Inkludering i gelen
Det här alternativet är ganska vanligt på grund av dess unika och enkelhet. Denna metod är lämplig inte bara för enskilda element, utan också för multienzymkomplex. Inkorporering i gelén kan göras på två sätt. I det första fallet kombineras läkemedlet med en vattenlösning av monomeren, varefter polymerisation utförs. Som ett resultat uppstår en rumslig gelstruktur som innehåller enzymmolekyler i cellerna. I det andra fallet införs läkemedlet i lösningen av den färdiga polymeren. Den sätts sedan i ett geltillstånd.
Intrång i genomskinliga strukturer
Kärnan i denna immobiliseringsmetod är separationen av en vattenh altig enzymlösning från substratet. För detta används ett semipermeabelt membran. Den tillåter lågmolekylära element av kofaktorer och substrat att passera igenom och håller kvar stora molekyler av enzymer.
Microencapsulation
Det finns flera alternativ för inbäddning i genomskinliga strukturer. Av dessa är mikroinkapsling och inkorporering av proteiner i liposomer av största intresse. Det första alternativet föreslogs 1964 av T. Chang. Det består i det faktum att enzymlösningen införs i en sluten kapsel, vars väggar är gjorda av semipermeablapolymer. Utseendet av ett membran på ytan orsakas av reaktionen av gränssnittspolykondensation av föreningar. En av dem löses i den organiska och den andra - i vattenfasen. Ett exempel är bildandet av en mikrokapsel erhållen genom polykondensation av sebacinsyrahalogenid (organisk fas) och hexametylendiamin-1, 6 (respektive vattenfas). Membranets tjocklek beräknas i hundradelar av en mikrometer. Kapslarnas storlek är hundratals eller tiotals mikrometer.
Inkorporering i liposomer
Denna immobiliseringsmetod är nära mikroinkapsling. Liposomer presenteras i lamellära eller sfäriska system av lipiddubbelskikt. Denna metod användes första gången 1970. För att isolera liposomer från en lipidlösning förångas det organiska lösningsmedlet. Den återstående tunna filmen dispergeras i en vattenlösning i vilken enzymet är närvarande. Under denna process sker självmontering av lipidbilagerstrukturer. Sådana immobiliserade enzymer är ganska populära inom medicin. Detta beror på det faktum att de flesta av molekylerna är lokaliserade i lipidmatrisen av biologiska membran. De immobiliserade enzymerna som ingår i liposomerna är det viktigaste forskningsmaterialet inom medicinen, vilket gör det möjligt att studera och beskriva mönster av vitala processer.
bildning av nya obligationer
Immobilisering genom att bilda nya kovalenta kedjor mellan enzymer och bärare anses vara den mest utbredda metoden för att erhålla industriella biokatalysatorer.destination. Till skillnad från fysikaliska metoder ger detta alternativ en irreversibel och stark bindning mellan molekylen och materialet. Dess bildande åtföljs ofta av läkemedelsstabilisering. Samtidigt skapar enzymets placering på ett avstånd från den första kovalenta bindningen i förhållande till bäraren vissa svårigheter vid implementeringen av den katalytiska processen. Molekylen separeras från materialet med hjälp av en insats. Det används ofta som poly- och bifunktionella medel. I synnerhet är de hydrazin, cyanbromid, glutarsyradialhedrid, sulfurylklorid, etc. För att till exempel ta bort galaktosyltransferas, infogas följande sekvens mellan bäraren och enzymet -CH2- NH-(CH 2)5-CO-. I en sådan situation finns ett inlägg, en molekyl och en bärare i strukturen. Alla är förbundna med kovalenta bindningar. Av grundläggande betydelse är behovet av att i reaktionen införa funktionella grupper som inte är väsentliga för elementets katalytiska funktion. Så, som regel, är glykoproteiner fästa till bäraren inte genom proteinet, utan genom kolhydratdelen. Som ett resultat erhålls mer stabila och aktiva immobiliserade enzymer.
Cells
Metoderna som beskrivs ovan anses vara universella för alla typer av biokatalysatorer. Dessa inkluderar bland annat celler, subcellulära strukturer, vars immobilisering nyligen har blivit utbredd. Detta beror på följande. När celler immobiliseras finns det inget behov av att isolera och rena enzympreparat eller introducera kofaktorer i reaktioner. Som ett resultat blir det möjligt attsystem som utför kontinuerliga processer i flera steg.
Användning av immobiliserade enzymer
Inom veterinärmedicin, industri och andra ekonomiska sektorer är läkemedel erhållna med ovanstående metoder ganska populära. Tillvägagångssätt som utvecklats i praktiken ger en lösning på problemen med riktad läkemedelstillförsel i kroppen. Immobiliserade enzymer gjorde det möjligt att erhålla läkemedel med långvarig verkan med minimal allergenicitet och toxicitet. För närvarande löser forskare problemen i samband med bioomvandling av massa och energi med hjälp av mikrobiologiska metoder. Samtidigt ger tekniken med immobiliserade enzymer också ett betydande bidrag till arbetet. Utsikterna för utveckling verkar vara ganska breda. Så i framtiden bör en av nyckelrollerna i processen att övervaka miljöns tillstånd tillhöra nya typer av analyser. I synnerhet talar vi om bioluminiscenta och enzymimmunoanalysmetoder. Avancerade tillvägagångssätt är av särskild betydelse vid bearbetning av lignocellulosaråmaterial. Immobiliserade enzymer kan användas som svaga signalförstärkare. Det aktiva centret kan vara påverkat av en bärare som är under ultraljud, mekanisk stress eller utsatt för fytokemiska transformationer.
