Konseptet med immobiliserte enzymer dukket først opp i andre halvdel av 1900-tallet. I mellomtiden, tilbake i 1916, ble det funnet at sukrose sorbert på karbon beholdt sin katalytiske aktivitet. I 1953 utførte D. Schleit og N. Grubhofer den første bindingen av pepsin, amylase, karboksypeptidase og RNase med en uløselig bærer. Konseptet med immobiliserte enzymer ble legalisert i 1971. Dette skjedde på den første konferansen om ingeniørenzymologi. For tiden betraktes begrepet immobiliserte enzymer i en bredere forstand enn det var på slutten av 1900-tallet. La oss se nærmere på denne kategorien.
Generell informasjon
Immobiliserte enzymer er forbindelser som er kunstig bundet til en uløselig bærer. Imidlertid beholder de sine katalytiske egenskaper. For tiden vurderes denne prosessen i to aspekter - innenfor rammen av delvis og fullstendig begrensning av bevegelsesfriheten til proteinmolekyler.
Dignity
Forskere har etablert visse fordeler med immobiliserte enzymer. De fungerer som heterogene katalysatorer og kan lett skilles fra reaksjonsmediet. Som en del av forskningen ble det funnet at bruken av immobiliserte enzymer kan gjentas. Under bindingsprosessen endrer forbindelsene egenskapene deres. De får substratspesifisitet og stabilitet. Samtidig begynner aktiviteten deres å avhenge av miljøforhold. Immobiliserte enzymer er holdbare og har høy grad av stabilitet. Den er større enn for eksempel frie enzymer tusenvis, titusenvis av ganger. Alt dette sikrer høy effektivitet, konkurranseevne og økonomi for teknologier der immobiliserte enzymer er tilstede.
Media
J. Poratu identifiserte nøkkelegenskapene til ideelle materialer som skal brukes i immobilisering. Bærere må ha:
- Uløselighet.
- Høy biologisk og kjemisk resistens.
- Muligheten til å aktivere raskt. Transportørene bør lett bli reaktive.
- Betydende hydrofilitet.
- Nødvendig permeabilitet. Dens indikator bør være like akseptabel for både enzymer og koenzymer, reaksjonsprodukter og substrater.
For øyeblikket er det ikke noe materiale som fullt ut oppfyller disse kravene. Likevel brukes i praksis bærere som egner seg for immobilisering.bestemt kategori av enzymer under spesifikke forhold.
klassifisering
Avhengig av deres natur, deles materialene, i forbindelse med hvilke forbindelser omdannes til immobiliserte enzymer, inn i uorganiske og organiske. Bindingen av mange forbindelser utføres med polymere bærere. Disse organiske materialene er delt inn i 2 klasser: syntetiske og naturlige. I hver av dem skilles grupper på sin side avhengig av strukturen. Uorganiske bærere er hovedsakelig representert av materialer laget av glass, keramikk, leire, silikagel og grafittsvart. Når du arbeider med materialer, er tørre kjemimetoder populære. Immobiliserte enzymer oppnås ved å belegge bærere med en film av titan, aluminium, zirkonium, hafniumoksider eller ved bearbeiding med organiske polymerer. En viktig fordel med materialer er den enkle regenerering.
Proteinbærere
De mest populære er lipid-, polysakkarid- og proteinmaterialer. Blant de sistnevnte er det verdt å fremheve strukturelle polymerer. Disse inkluderer først og fremst kollagen, fibrin, keratin og gelatin. Slike proteiner er vidt distribuert i det naturlige miljøet. De er rimelige og økonomiske. I tillegg har de et stort antall funksjonelle grupper for binding. Proteiner er biologisk nedbrytbare. Dette gjør det mulig å utvide bruken av immobiliserte enzymer i medisin. I mellomtiden har proteiner også negative egenskaper. Ulempene med å bruke immobiliserte enzymer på proteinbærere er den høye immunogenisiteten til sistnevnte, samtmuligheten til å introdusere bare visse grupper av dem i reaksjoner.
Polysakkarider, aminosakkarider
Av disse materialene er kitin, dekstran, cellulose, agarose og deres derivater oftest brukt. For å gjøre polysakkarider mer motstandsdyktige mot reaksjoner, er deres lineære kjeder kryssbundet med epiklorhydrin. Ulike ionogene grupper introduseres fritt i nettverksstrukturene. Kitin akkumuleres i store mengder som avfall under industriell behandling av reker og krabber. Dette stoffet er kjemisk motstandsdyktig og har en veldefinert porøs struktur.
Syntetiske polymerer
Denne materialegruppen er veldig mangfoldig og tilgjengelig. Det inkluderer polymerer basert på akrylsyre, styren, polyvinylalkohol, polyuretan og polyamidpolymerer. De fleste av dem er mekanisk sterke. I prosessen med transformasjon gir de muligheten til å variere porestørrelsen innenfor et ganske bredt område, og introdusere ulike funksjonelle grupper.
Bindingsmetoder
For øyeblikket er det to fundament alt forskjellige alternativer for immobilisering. Den første er å oppnå forbindelser uten kovalente bindinger med bæreren. Denne metoden er fysisk. Et annet alternativ innebærer fremveksten av en kovalent binding med materialet. Dette er en kjemisk metode.
Adsorption
Ved hjelp av det får man immobiliserte enzymer ved å holde stoffet på overflaten av bæreren pga.dispersjon, hydrofobe, elektrostatiske interaksjoner og hydrogenbindinger. Adsorpsjon var den første måten å begrense mobiliteten til elementer. Selv nå har imidlertid ikke dette alternativet mistet sin relevans. Dessuten regnes adsorpsjon som den vanligste immobiliseringsmetoden i bransjen.
Funksjoner ved metoden
Vitenskapelige publikasjoner beskriver mer enn 70 enzymer oppnådd ved adsorpsjonsmetoden. Bærerne var hovedsakelig porøst glass, ulike leire, polysakkarider, aluminiumoksider, syntetiske polymerer, titan og andre metaller. Sistnevnte er de mest brukte. Effektiviteten av adsorpsjon av legemidlet på bæreren bestemmes av porøsiteten til materialet og det spesifikke overflatearealet.
Handlingsmekanisme
Enzymadsorpsjon på uløselige materialer er enkel. Det oppnås ved kontakt av en vandig løsning av legemidlet med bæreren. Det kan passere på en statisk eller dynamisk måte. Enzymløsningen blandes med ferskt sediment, for eksempel titanhydroksid. Forbindelsen tørkes deretter under milde betingelser. Enzymaktivitet under slik immobilisering beholdes med nesten 100 %. Samtidig når den spesifikke konsentrasjonen 64 mg per gram bærer.
Negative øyeblikk
Ulempene med adsorpsjon inkluderer lav styrke ved binding av enzymet og bæreren. I prosessen med å endre reaksjonsforholdene kan tap av elementer, forurensning av produkter og proteindesorpsjon noteres. For å forbedre styrkenbindende bærere er forhåndsmodifisert. Spesielt er materialer behandlet med metallioner, polymerer, hydrofobe forbindelser og andre polyfunksjonelle midler. I noen tilfeller er selve stoffet modifisert. Men ganske ofte fører dette til en nedgang i aktiviteten.
Inkludering i gelen
Dette alternativet er ganske vanlig på grunn av dets unike og enkle. Denne metoden er egnet ikke bare for individuelle elementer, men også for multi-enzymkomplekser. Inkorporering i gelen kan gjøres på to måter. I det første tilfellet kombineres stoffet med en vandig løsning av monomeren, hvoretter polymerisering utføres. Som et resultat vises en romlig gelstruktur som inneholder enzymmolekyler i cellene. I det andre tilfellet introduseres stoffet i løsningen av den ferdige polymeren. Den settes deretter i en geltilstand.
inntrenging i gjennomskinnelige strukturer
Essensen av denne immobiliseringsmetoden er separasjonen av en vandig enzymløsning fra substratet. For dette brukes en semipermeabel membran. Den lar lavmolekylære elementer av kofaktorer og substrater passere gjennom og beholder store molekyler av enzymer.
Microencapsulation
Det er flere alternativer for innbygging i gjennomskinnelige strukturer. Av disse er mikroinnkapsling og inkorporering av proteiner i liposomer av størst interesse. Det første alternativet ble foreslått i 1964 av T. Chang. Den består i det faktum at enzymløsningen introduseres i en lukket kapsel, hvis vegger er laget av semipermeablepolymer. Utseendet til en membran på overflaten er forårsaket av reaksjonen av grensesnittpolykondensering av forbindelser. En av dem er oppløst i den organiske, og den andre - i den vandige fasen. Et eksempel er dannelsen av en mikrokapsel oppnådd ved polykondensering av sebacinsyrehalogenid (organisk fase) og heksametylendiamin-1, 6 (henholdsvis vannfase). Tykkelsen på membranen beregnes i hundredeler av en mikrometer. Størrelsen på kapslene er hundrevis eller titalls mikrometer.
Inkorporering i liposomer
Denne immobiliseringsmetoden er nær mikroinnkapsling. Liposomer presenteres i lamellære eller sfæriske systemer av lipid-dobbeltlag. Denne metoden ble først brukt i 1970. For å isolere liposomer fra en lipidløsning fordampes det organiske løsningsmidlet. Den gjenværende tynne filmen dispergeres i en vandig løsning der enzymet er tilstede. Under denne prosessen skjer selvmontering av lipid-dobbeltlagsstrukturer. Slike immobiliserte enzymer er ganske populære i medisin. Dette skyldes det faktum at de fleste av molekylene er lokalisert i lipidmatrisen til biologiske membraner. De immobiliserte enzymene som inngår i liposomer er det viktigste forskningsmaterialet innen medisin, som gjør det mulig å studere og beskrive mønstrene til vitale prosesser.
dannelse av nye obligasjoner
Immobilisering ved å danne nye kovalente kjeder mellom enzymer og bærere regnes som den mest utbredte metoden for å oppnå industrielle biokatalysatorer.mål. I motsetning til fysiske metoder, gir dette alternativet en irreversibel og sterk binding mellom molekylet og materialet. Dannelsen er ofte ledsaget av medikamentstabilisering. Samtidig skaper plasseringen av enzymet i en avstand fra den første kovalente bindingen i forhold til bæreren visse vanskeligheter i implementeringen av den katalytiske prosessen. Molekylet skilles fra materialet ved hjelp av en innsats. Det brukes ofte som poly- og bifunksjonelle midler. Spesielt er de hydrazin, cyanogenbromid, glutarsyredialhedrid, sulfurylklorid, etc. For å fjerne for eksempel galaktosyltransferase settes følgende sekvens inn mellom bæreren og enzymet -CH2- NH-(CH 2)5-CO-. I en slik situasjon er en innsats, et molekyl og en bærer tilstede i strukturen. Alle er forbundet med kovalente bindinger. Av grunnleggende betydning er behovet for å innføre funksjonelle grupper i reaksjonen som ikke er essensielle for elementets katalytiske funksjon. Så, som regel, er glykoproteiner festet til bæreren ikke gjennom proteinet, men gjennom karbohydratdelen. Som et resultat oppnås mer stabile og aktive immobiliserte enzymer.
Cells
Metodene beskrevet ovenfor anses som universelle for alle typer biokatalysatorer. Disse inkluderer blant annet celler, subcellulære strukturer, hvis immobilisering nylig har blitt utbredt. Dette skyldes følgende. Når celler immobiliseres, er det ikke nødvendig å isolere og rense enzympreparater eller introdusere kofaktorer i reaksjoner. Som et resultat blir det mulig åsystemer som utfører flertrinns kontinuerlige prosesser.
Bruk av immobiliserte enzymer
I veterinærmedisin, industri og andre økonomiske sektorer er medisiner oppnådd ved metodene ovenfor ganske populære. Tilnærminger utviklet i praksis gir en løsning på problemene med målrettet medikamentlevering i kroppen. Immobiliserte enzymer gjorde det mulig å oppnå medisiner med langvarig virkning med minimal allergenitet og toksisitet. For tiden løser forskere problemene knyttet til biokonvertering av masse og energi ved hjelp av mikrobiologiske tilnærminger. I mellomtiden gir teknologien til immobiliserte enzymer også et betydelig bidrag til arbeidet. Utsiktene for utvikling ser ut til å være ganske brede. Så i fremtiden bør en av nøkkelrollene i prosessen med å overvåke miljøtilstanden tilhøre nye typer analyser. Spesielt snakker vi om bioluminescerende og enzymimmunoanalysemetoder. Avanserte tilnærminger er av spesiell betydning i behandlingen av lignocelluloseholdige råvarer. Immobiliserte enzymer kan brukes som svake signalforsterkere. Det aktive senteret kan være under påvirkning av en bærer som er under ultralyd, mekanisk stress eller utsatt for fytokjemiske transformasjoner.
