Անշարժացված ֆերմենտների հասկացությունն առաջին անգամ ի հայտ եկավ 20-րդ դարի երկրորդ կեսին։ Մինչդեռ դեռ 1916 թվականին պարզվեց, որ ածխածնի վրա ներծծված սախարոզը պահպանում է իր կատալիտիկ ակտիվությունը։ 1953 թվականին Դ. Շլեյտը և Ն. Գրուբհոֆերը իրականացրել են պեպսինի, ամիլազի, կարբոքսիպեպտիդազի և RNase-ի առաջին կապը չլուծվող կրիչով։ Անշարժացված ֆերմենտների հայեցակարգը օրինականացվել է 1971 թվականին: Դա տեղի է ունեցել ինժեներական ֆերմենտաբանության առաջին համաժողովում: Ներկայումս անշարժացված ֆերմենտների հասկացությունը դիտարկվում է ավելի լայն իմաստով, քան 20-րդ դարի վերջում։ Եկեք մանրամասն նայենք այս կատեգորիային։
Ընդհանուր տեղեկություններ
Անշարժացված ֆերմենտները միացություններ են, որոնք արհեստականորեն կապված են չլուծվող կրիչի հետ: Այնուամենայնիվ, նրանք պահպանում են իրենց կատալիտիկ հատկությունները: Ներկայումս այս գործընթացը դիտարկվում է երկու տեսանկյունից՝ սպիտակուցի մոլեկուլների տեղաշարժի ազատության մասնակի և ամբողջական սահմանափակման շրջանակներում։
Արժանապատվություն
Գիտնականները հաստատել են անշարժացված ֆերմենտների որոշակի առավելություններ: Գործելով որպես տարասեռ կատալիզատորներ՝ դրանք հեշտությամբ կարելի է առանձնացնել ռեակցիայի միջավայրից։ Հետազոտության շրջանակներում պարզվել է, որ անշարժացված ֆերմենտների օգտագործումը կարող է կրկնվել։ Միացման գործընթացում կապերը փոխում են իրենց հատկությունները: Նրանք ձեռք են բերում սուբստրատի առանձնահատկություն և կայունություն: Միեւնույն ժամանակ, նրանց գործունեությունը սկսում է կախված լինել շրջակա միջավայրի պայմաններից: Անշարժացված ֆերմենտները դիմացկուն են և ունեն կայունության բարձր աստիճան։ Այն ավելի մեծ է, քան, օրինակ, ազատ ֆերմենտները հազարավոր, տասնյակ հազարավոր անգամներով: Այս ամենը ապահովում է տեխնոլոգիաների բարձր արդյունավետություն, մրցունակություն և տնտեսություն, որոնցում առկա են անշարժացված ֆերմենտներ։
Մեդիա
J. Պորատուն բացահայտել է իդեալական նյութերի հիմնական հատկությունները, որոնք պետք է օգտագործվեն անշարժացման համար: Կրողները պետք է ունենան՝
- Անլուծելիություն.
- Բարձր կենսաբանական և քիմիական դիմադրություն.
- Արագ ակտիվացնելու ունակություն: Փոխադրողները պետք է հեշտությամբ դառնան ռեակտիվ:
- Զգալի հիդրոֆիլություն.
- Անհրաժեշտ թափանցելիություն. Դրա ցուցանիշը պետք է հավասարապես ընդունելի լինի ինչպես ֆերմենտների, այնպես էլ կոֆերմենտների, ռեակցիայի արտադրանքների և սուբստրատների համար:
Ներկայումս չկա որևէ նյութ, որը լիովին համապատասխանում է այս պահանջներին: Այնուամենայնիվ, գործնականում օգտագործվում են կրիչներ, որոնք հարմար են անշարժացման համար։որոշակի կատեգորիայի ֆերմենտներ հատուկ պայմաններում։
Դասակարգում
Կախված իրենց բնույթից՝ նյութերը, որոնց հետ կապված միացությունները վերածվում են անշարժացված ֆերմենտների, բաժանվում են անօրգանական և օրգանականի։ Շատ միացությունների միացումն իրականացվում է պոլիմերային կրիչներով։ Այս օրգանական նյութերը բաժանվում են 2 դասի՝ սինթետիկ և բնական։ Դրանցից յուրաքանչյուրում իր հերթին խմբերն առանձնանում են՝ կախված կառուցվածքից։ Անօրգանական կրիչները հիմնականում ներկայացված են ապակուց, կերամիկայից, կավից, սիլիկա գելից, սև գրաֆիտից պատրաստված նյութերով։ Նյութերի հետ աշխատելիս հայտնի են չոր քիմիայի մեթոդները։ Անշարժացված ֆերմենտները ստացվում են կրիչներին պատելով տիտանի, ալյումինի, ցիրկոնիումի, հաֆնիումի օքսիդների թաղանթով կամ օրգանական պոլիմերներով մշակելով։ Նյութերի կարևոր առավելությունը վերականգնման հեշտությունն է։
Սպիտակուցի կրիչներ
Ամենատարածվածը լիպիդային, պոլիսախարիդային և սպիտակուցային նյութերն են: Վերջիններիս թվում արժե առանձնացնել կառուցվածքային պոլիմերները։ Դրանք հիմնականում ներառում են կոլագեն, ֆիբրին, կերատին և ժելատին: Նման սպիտակուցները լայնորեն տարածված են բնական միջավայրում։ Դրանք մատչելի են և խնայողաբար։ Բացի այդ, նրանք ունեն մեծ թվով ֆունկցիոնալ խմբեր `կապելու համար: Սպիտակուցները կենսաքայքայվող են: Սա թույլ է տալիս ընդլայնել անշարժացված ֆերմենտների օգտագործումը բժշկության մեջ։ Մինչդեռ սպիտակուցներն ունեն նաև բացասական հատկություններ։ Սպիտակուցային կրիչների վրա անշարժացված ֆերմենտների օգտագործման թերությունները վերջիններիս բարձր իմունոգենությունն է, ինչպես նաև.դրանց միայն որոշակի խմբերի ռեակցիաների մեջ ներդնելու ունակություն:
Պոլիսաքարիդներ, ամինաշաքարիդներ
Այս նյութերից առավել հաճախ օգտագործվում են քիտինը, դեքստրանը, ցելյուլոզը, ագարոզը և դրանց ածանցյալները: Պոլիսաքարիդները ռեակցիաների նկատմամբ ավելի դիմացկուն դարձնելու համար նրանց գծային շղթաները խաչաձեւ կապակցված են էպիքլորոհիդրինի հետ։ Տարբեր իոնոգեն խմբեր ազատորեն ներմուծվում են ցանցային կառուցվածքներ։ Խիտինը մեծ քանակությամբ կուտակվում է որպես թափոն ծովախեցգետնի և խեցգետնի արդյունաբերական վերամշակման ժամանակ։ Այս նյութը քիմիական դիմացկուն է և ունի հստակ արտահայտված ծակոտկեն կառուցվածք։
Սինթետիկ պոլիմերներ
Նյութերի այս խումբը շատ բազմազան է և հասանելի: Այն ներառում է պոլիմերներ, որոնք հիմնված են ակրիլաթթվի, ստիրոլի, պոլիվինիլային ալկոհոլի, պոլիուրեթանային և պոլիամիդային պոլիմերների վրա: Նրանցից շատերը մեխանիկորեն ամուր են: Փոխակերպման գործընթացում նրանք հնարավորություն են տալիս փոփոխել ծակոտիների չափերը բավականին լայն շրջանակում՝ ներդնելով տարբեր ֆունկցիոնալ խմբեր:
կապման մեթոդներ
Ներկայումս անշարժացման երկու սկզբունքորեն տարբեր տարբերակ կա: Առաջինը կրիչի հետ առանց կովալենտային կապերի միացություններ ստանալն է։ Այս մեթոդը ֆիզիկական է: Մեկ այլ տարբերակ ներառում է նյութի հետ կովալենտային կապի առաջացումը: Սա քիմիական մեթոդ է։
Ադսորբցիա
Դրա օգնությամբ ստացվում են անշարժացած ֆերմենտներ՝ դեղը կրիչի մակերեսին պահելով՝ շնորհիվ.դիսպերսիա, հիդրոֆոբ, էլեկտրաստատիկ փոխազդեցություններ և ջրածնային կապեր։ Ադսորբցիան տարրերի շարժունակությունը սահմանափակելու առաջին միջոցն էր: Սակայն այժմ էլ այս տարբերակը չի կորցրել իր արդիականությունը։ Ավելին, ադսորբցիան համարվում է արդյունաբերության մեջ անշարժացման ամենատարածված մեթոդը:
Մեթոդի առանձնահատկությունները
Գիտական հրապարակումները նկարագրում են ադսորբցիոն մեթոդով ստացված ավելի քան 70 ֆերմենտներ։ Կրողներն էին հիմնականում ծակոտկեն ապակիները, տարբեր կավերը, պոլիսախարիդները, ալյումինի օքսիդները, սինթետիկ պոլիմերները, տիտանը և այլ մետաղներ։ Վերջիններս ամենատարածվածն են։ Դեղամիջոցի կլանման արդյունավետությունը կրիչի վրա որոշվում է նյութի ծակոտկենությամբ և հատուկ մակերեսով:
Գործողության մեխանիզմ
Ֆերմենտների կլանումը չլուծվող նյութերի վրա պարզ է: Այն ձեռք է բերվում դեղամիջոցի ջրային լուծույթի շփման միջոցով կրիչի հետ: Այն կարող է անցնել ստատիկ կամ դինամիկ եղանակով: Ֆերմենտի լուծույթը խառնվում է թարմ նստվածքի, օրինակ՝ տիտանի հիդրօքսիդի հետ։ Հետո միացությունը չորանում է մեղմ պայմաններում: Նման անշարժացման ժամանակ ֆերմենտային ակտիվությունը պահպանվում է գրեթե 100%-ով: Միևնույն ժամանակ, հատուկ կոնցենտրացիան հասնում է 64 մգ մեկ գրամի կրիչի համար։
Բացասական պահեր
Ադսորբցիայի թերությունները ներառում են ցածր ուժգնությունը, երբ կապում են ֆերմենտը և կրիչը: Ռեակցիայի պայմանների փոփոխման գործընթացում կարելի է նշել տարրերի կորուստ, արտադրանքի աղտոտում և սպիտակուցի կլանում։ Ուժը բարելավելու համարպարտադիր կրիչները նախապես փոփոխված են: Մասնավորապես, նյութերը մշակվում են մետաղական իոններով, պոլիմերներով, հիդրոֆոբ միացություններով և այլ բազմաֆունկցիոնալ նյութերով: Որոշ դեպքերում դեղը ինքնին փոփոխվում է: Բայց շատ հաճախ դա հանգեցնում է նրա ակտիվության նվազմանը։
Ներառումը գելի մեջ
Այս տարբերակը բավականին տարածված է իր յուրահատկության և պարզության պատճառով: Այս մեթոդը հարմար է ոչ միայն առանձին տարրերի, այլև բազմաֆերմենտային համալիրների համար։ Գելի մեջ ներառելը կարող է կատարվել երկու եղանակով. Առաջին դեպքում դեղը զուգակցվում է մոնոմերի ջրային լուծույթի հետ, որից հետո կատարվում է պոլիմերացում։ Արդյունքում առաջանում է տարածական գելային կառուցվածք՝ բջիջներում պարունակող ֆերմենտային մոլեկուլներ։ Երկրորդ դեպքում դեղը ներմուծվում է պատրաստի պոլիմերի լուծույթի մեջ: Այնուհետև այն դրվում է գելային վիճակի մեջ։
Ներխուժում կիսաթափանցիկ կառույցներ
Անշարժացման այս մեթոդի էությունը սուբստրատից ջրային ֆերմենտային լուծույթի անջատումն է: Դրա համար օգտագործվում է կիսաթափանցիկ թաղանթ։ Այն թույլ է տալիս կոֆակտորների և սուբստրատների ցածր մոլեկուլային քաշի տարրերին անցնել և պահպանել ֆերմենտների մեծ մոլեկուլներ:
Միկրոէկապսուլյացիա
Կա մի քանի տարբերակ կիսաթափանցիկ կառույցներում տեղադրելու համար: Դրանցից ամենամեծ հետաքրքրությունը ներկայացնում է միկրոէկապսուլյացիան և սպիտակուցների լիպոսոմների մեջ ներգրավումը: Առաջին տարբերակը առաջարկվել է 1964 թվականին Տ. Չանգի կողմից։ Այն բաղկացած է նրանից, որ ֆերմենտային լուծույթը մտցվում է փակ պարկուճի մեջ, որի պատերը պատրաստված են կիսաթափանցիկ.պոլիմերային. Մակերեւույթի վրա թաղանթի հայտնվելը պայմանավորված է միացությունների միջերեսային պոլիկոնդենսացիայի ռեակցիայով։ Նրանցից մեկը լուծվում է օրգանական, իսկ մյուսը՝ ջրային փուլում։ Օրինակ՝ միկրոկապսուլայի ձևավորումը, որը ստացվել է սեբասաթթվի հալոգենի (օրգանական փուլ) և հեքսամեթիլենդիամին-1, 6 (համապատասխանաբար, ջրային փուլ) պոլիկոնդենսացիայի արդյունքում։ Մեմբրանի հաստությունը հաշվարկվում է միկրոմետրի հարյուրերորդականներով: Պարկուճների չափը հարյուրավոր կամ տասնյակ միկրոմետր է։
Միացում լիպոսոմներում
Անշարժացման այս մեթոդը մոտ է միկրոէկապսուլյացիայի: Լիպոսոմները ներկայացված են լիպիդային երկշերտների շերտավոր կամ գնդաձև համակարգերում։ Այս մեթոդն առաջին անգամ կիրառվել է 1970 թվականին։ Լիպիդային լուծույթից լիպոսոմները մեկուսացնելու համար օրգանական լուծիչը գոլորշիացվում է։ Մնացած բարակ թաղանթը ցրվում է ջրային լուծույթում, որի մեջ առկա է ֆերմենտը: Այս գործընթացի ընթացքում տեղի է ունենում լիպիդային երկշերտ կառուցվածքների ինքնահավաքում: Նման անշարժացված ֆերմենտները բավականին տարածված են բժշկության մեջ։ Դա պայմանավորված է նրանով, որ մոլեկուլների մեծ մասը տեղայնացված է կենսաբանական թաղանթների լիպիդային մատրիցայում։ Լիպոսոմներում ընդգրկված անշարժացված ֆերմենտները բժշկության մեջ ամենակարեւոր հետազոտական նյութն են, ինչը հնարավորություն է տալիս ուսումնասիրել և նկարագրել կենսական գործընթացների օրինաչափությունները։
Նոր պարտատոմսերի ձևավորում
Անշարժացումը ֆերմենտների և կրիչների միջև նոր կովալենտային շղթաների ձևավորմամբ համարվում է արդյունաբերական կենսակատալիզատորների ստացման ամենատարածված մեթոդը:նպատակակետ. Ի տարբերություն ֆիզիկական մեթոդների, այս տարբերակը ապահովում է անդառնալի և ամուր կապ մոլեկուլի և նյութի միջև: Դրա ձեւավորումը հաճախ ուղեկցվում է թմրամիջոցների կայունացմամբ: Միևնույն ժամանակ, ֆերմենտի գտնվելու վայրը կրիչի նկատմամբ 1-ին կովալենտային կապի հեռավորության վրա որոշակի դժվարություններ է ստեղծում կատալիտիկ գործընթացի իրականացման գործում: Մոլեկուլն անջատվում է նյութից ներդիրի միջոցով։ Այն հաճախ օգտագործվում է որպես բազմաֆունկցիոնալ և երկֆունկցիոնալ նյութեր: Մասնավորապես, դրանք են հիդրազինը, ցիանոգենի բրոմիդը, գլյուտարային դիալեդրիդը, սուլֆուրիլքլորիդը և այլն։ Օրինակ՝ գալակտոզիլտրանսֆերազը հեռացնելու համար կրիչի և ֆերմենտի միջև տեղադրվում է հետևյալ հաջորդականությունը՝ CH2- NH-(CH 2)5-CO-. Նման իրավիճակում կառուցվածքում առկա են ներդիր, մոլեկուլ և կրող։ Դրանք բոլորը կապված են կովալենտային կապերով։ Հիմնարար նշանակություն ունի ռեակցիայի մեջ մտցնելու անհրաժեշտությունը ֆունկցիոնալ խմբեր, որոնք էական չեն տարրի կատալիտիկ ֆունկցիայի համար։ Այսպիսով, որպես կանոն, գլիկոպրոտեինները կրողին կցվում են ոչ թե սպիտակուցի, այլ ածխաջրային մասի միջոցով։ Արդյունքում ստացվում են ավելի կայուն և ակտիվ անշարժացված ֆերմենտներ։
Բջիջներ
Վերը նկարագրված մեթոդները համարվում են ունիվերսալ բոլոր տեսակի կենսակատալիզատորների համար: Դրանց թվում են, ի թիվս այլ բաների, բջիջները, ենթաբջջային կառուցվածքները, որոնց անշարժացումը վերջերս լայն տարածում է գտել։ Սա պայմանավորված է հետեւյալով. Երբ բջիջները անշարժացված են, կարիք չկա մեկուսացնել և մաքրել ֆերմենտային պատրաստուկները կամ կոֆակտորներ ներմուծել ռեակցիաների մեջ: Արդյունքում հնարավոր է դառնումհամակարգեր, որոնք իրականացնում են բազմափուլ շարունակական գործընթացներ։
Անշարժացված ֆերմենտների օգտագործում
Անասնաբուժության, արդյունաբերության և տնտեսական այլ ոլորտներում վերը նշված մեթոդներով ստացված դեղամիջոցները բավականին տարածված են: Գործնականում մշակված մոտեցումները լուծում են տալիս օրգանիզմում դեղերի նպատակային առաքման խնդիրներին։ Անշարժացված ֆերմենտները հնարավորություն են տվել ձեռք բերել երկարատև գործողության դեղամիջոցներ՝ նվազագույն ալերգենիկությամբ և թունավորությամբ: Ներկայումս գիտնականները մանրէաբանական մոտեցումների միջոցով լուծում են զանգվածի և էներգիայի բիովերափոխման հետ կապված խնդիրները։ Մինչդեռ աշխատանքի մեջ զգալի ներդրում ունի նաև անշարժացված ֆերմենտների տեխնոլոգիան։ Զարգացման հեռանկարները բավականին լայն են թվում: Այսպիսով, ապագայում շրջակա միջավայրի վիճակի մոնիտորինգի գործընթացում առանցքային դերերից մեկը պետք է պատկանի վերլուծության նոր տեսակներին։ Խոսքը, մասնավորապես, բիոլյումինեսցենտային և ֆերմենտային իմունային հետազոտության մեթոդների մասին է։ Առաջադեմ մոտեցումները առանձնահատուկ նշանակություն ունեն լիգնոցելյուլոզային հումքի մշակման գործում: Անշարժացված ֆերմենտները կարող են օգտագործվել որպես թույլ ազդանշանի ուժեղացուցիչներ: Ակտիվ կենտրոնը կարող է լինել կրիչի ազդեցության տակ, որը գտնվում է ուլտրաձայնի, մեխանիկական սթրեսի կամ ֆիտոքիմիական փոխակերպումների տակ:
