המושג של אנזימים משוקעים הופיע לראשונה במחצית השנייה של המאה ה-20. בינתיים, עוד ב-1916, נמצא שסוכרוז שנספג על פחמן שמר על פעילותו הקטליטית. בשנת 1953, D. Schleit ו-N. Grubhofer ביצעו את הקישור הראשון של פפסין, עמילאז, carboxypeptidase ו-RNase עם נשא בלתי מסיס. המושג של אנזימים לא מגובשים עבר לגליזציה בשנת 1971. זה קרה בכנס הראשון על אנזימולוגיה הנדסית. נכון להיום, המושג של אנזימים מקובעים נחשב במובן רחב יותר ממה שהיה בסוף המאה ה-20. בואו נסתכל מקרוב על הקטגוריה הזו.
מידע כללי
אנזימים לא מגובשים הם תרכובות הקשורות באופן מלאכותי לנשא בלתי מסיס. עם זאת, הם שומרים על התכונות הקטליטיות שלהם. נכון להיום, תהליך זה נחשב בשני היבטים - במסגרת הגבלה חלקית ומוחלטת של חופש התנועה של מולקולות חלבון.
Dignity
מדענים קבעו יתרונות מסוימים של אנזימים משוחררים. פועלים כזרזים הטרוגניים, ניתן בקלות להפריד אותם ממדיום התגובה. כחלק מהמחקר, נמצא שניתן לחזור על השימוש באנזימים מקובעים. במהלך תהליך הקישור, חיבורים משנים את תכונותיהם. הם רוכשים סגוליות ויציבות מצע. במקביל, פעילותם מתחילה להיות תלויה בתנאי הסביבה. אנזימים מקובעים הם עמידים ובעלי דרגת יציבות גבוהה. היא גדולה יותר, למשל, מזו של אנזימים חופשיים באלפי, עשרות אלפי פעמים. כל זה מבטיח יעילות גבוהה, תחרותיות וחיסכון של טכנולוגיות שבהן קיימים אנזימים משועממים.
Media
J. פורטו זיהה את תכונות המפתח של חומרים אידיאליים לשימוש ב-immobilization. לנושאים חייבים להיות:
- אי מסיסות.
- עמידות ביולוגית וכימית גבוהה.
- היכולת להפעלה מהירה. הספקים צריכים להפוך בקלות לתגובה.
- הידרופיליות משמעותית.
- חדירות הכרחית. האינדיקטור שלו צריך להיות מקובל באותה מידה עבור אנזימים וקו-אנזימים, תוצרי תגובה ומצעים.
כרגע אין חומר שעומד במלוא הדרישות הללו. אף על פי כן, בפועל, משתמשים במנשאים המתאימים לאי מוביליזציה.קטגוריה מסוימת של אנזימים בתנאים ספציפיים.
Classification
בהתאם לאופי שלהם, החומרים, שבקשר אליהם הופכים תרכובות לאנזימים משוחררים, מחולקים לא-אורגניים ולאורגניים. הקישור של תרכובות רבות מתבצע עם נשאים פולימריים. חומרים אורגניים אלו מחולקים ל-2 מחלקות: סינתטי וטבעי. בכל אחד מהם, בתורו, קבוצות נבדלות בהתאם למבנה. נשאים אנאורגניים מיוצגים בעיקר על ידי חומרים עשויים זכוכית, קרמיקה, חימר, סיליקה ג'ל ושחור גרפיט. כאשר עובדים עם חומרים, שיטות כימיה יבשות פופולריות. אנזימים משובשים מתקבלים על ידי ציפוי נשאים בסרט של טיטניום, אלומיניום, זירקוניום, תחמוצות הפניום או על ידי עיבוד עם פולימרים אורגניים. יתרון חשוב של חומרים הוא קלות ההתחדשות.
נשאי חלבון
הפופולריים ביותר הם חומרים ליפידים, פוליסכרידים וחלבונים. בין האחרונים, כדאי להדגיש פולימרים מבניים. אלה כוללים בעיקר קולגן, פיברין, קרטין וג'לטין. חלבונים כאלה מופצים באופן נרחב בסביבה הטבעית. הם נוחים וחסכוניים. בנוסף, יש להם מספר רב של קבוצות פונקציונליות לקישור. חלבונים מתכלים. זה מאפשר להרחיב את השימוש באנזימים מקובעים ברפואה. בינתיים, לחלבונים יש גם תכונות שליליות. החסרונות של שימוש באנזימים מקובעים על נשאי חלבון הם האימונוגניות הגבוהה של האחרונים, כמו גםהיכולת להכניס רק קבוצות מסוימות מהן לתגובות.
פוליסכרידים, אמינוסוכרים
מבין החומרים הללו, נעשה לרוב שימוש בכיטין, דקסטרן, תאית, אגרוז ונגזרותיהם. כדי להפוך את הפוליסכרידים לעמידים יותר לתגובות, השרשראות הליניאריות שלהם מקושרות עם אפיכלורוהידרין. קבוצות יונוגניות שונות מוכנסות באופן חופשי למבני הרשת. כיטין מצטבר בכמויות גדולות כפסולת במהלך העיבוד התעשייתי של שרימפס וסרטנים. חומר זה עמיד בפני כימיקלים ובעל מבנה נקבובי מוגדר היטב.
פולימרים סינתטיים
קבוצת חומרים זו מגוונת מאוד ונגישה. הוא כולל פולימרים המבוססים על חומצה אקרילית, סטירן, אלכוהול פוליוויניל, פוליאוריטן ופוליאמידים. רובם חזקים מבחינה מכנית. בתהליך הטרנספורמציה הם מספקים את האפשרות לשנות את גודל הנקבוביות בטווח רחב למדי, תוך הצגת קבוצות פונקציונליות שונות.
שיטות כריכה
נכון לעכשיו, ישנן שתי אפשרויות שונות במהותן להשבתה. הראשון הוא להשיג תרכובות ללא קשרים קוולנטיים עם הנשא. שיטה זו היא פיזית. אפשרות נוספת כוללת הופעת קשר קוולנטי עם החומר. זוהי שיטה כימית.
Adsorption
בעזרתו מתקבלים אנזימים משובשים על ידי החזקת התרופה על פני הנשא עקבפיזור, אינטראקציות הידרופוביות, אלקטרוסטטיות וקשרי מימן. ספיחה הייתה הדרך הראשונה להגביל את הניידות של אלמנטים. עם זאת, גם כעת אפשרות זו לא איבדה את הרלוונטיות שלה. יתרה מכך, ספיחה נחשבת לשיטת האימוביליזציה הנפוצה ביותר בתעשייה.
תכונות השיטה
פרסומים מדעיים מתארים יותר מ-70 אנזימים המתקבלים בשיטת הספיחה. הנשאים היו בעיקר זכוכית נקבובית, חרסיות שונות, פוליסכרידים, תחמוצות אלומיניום, פולימרים סינתטיים, טיטניום ומתכות נוספות. האחרונים הם הנפוצים ביותר. יעילות הספיגה של התרופה על הנשא נקבעת על פי נקבוביות החומר ושטח הפנים הספציפי.
מנגנון פעולה
ספיחת אנזים על חומרים בלתי מסיסים היא פשוטה. זה מושג על ידי מגע של תמיסה מימית של התרופה עם הנשא. זה יכול לעבור בצורה סטטית או דינמית. תמיסת האנזים מעורבבת עם משקעים טריים, למשל טיטניום הידרוקסיד. לאחר מכן התרכובת מיובשת בתנאים מתונים. פעילות האנזים במהלך אימוביליזציה כזו נשמרת בכמעט 100%. במקביל, הריכוז הספציפי מגיע ל-64 מ ג לגרם נשא.
רגעים שליליים
החסרונות של ספיחה כוללים חוזק נמוך בעת קשירת האנזים והנשא. בתהליך של שינוי תנאי התגובה ניתן להבחין באובדן יסודות, זיהום מוצרים וספיחת חלבון. כדי לשפר כוחהספקים המחייבים שונו מראש. בפרט, חומרים מטופלים עם יוני מתכת, פולימרים, תרכובות הידרופוביות וחומרים רב-תכליתיים אחרים. במקרים מסוימים, התרופה עצמה משתנה. אבל לעתים קרובות זה מוביל לירידה בפעילות שלו.
הכללה בג'ל
אפשרות זו נפוצה למדי בשל הייחודיות והפשטות שלה. שיטה זו מתאימה לא רק לאלמנטים בודדים, אלא גם למתחמי ריבוי אנזימים. השילוב בג'ל יכול להיעשות בשתי דרכים. במקרה הראשון, התרופה משולבת עם תמיסה מימית של המונומר, ולאחר מכן מתבצע פילמור. כתוצאה מכך, מופיע מבנה ג'ל מרחבי המכיל מולקולות אנזים בתאים. במקרה השני, התרופה מוכנסת לתמיסת הפולימר המוגמר. לאחר מכן הוא מועבר למצב ג'ל.
חדירה למבנים שקופים
מהותה של שיטת אימוביליזציה זו היא הפרדה של תמיסת אנזים מימית מהמצע. לשם כך, נעשה שימוש בקרום חדיר למחצה. הוא מאפשר לאלמנטים בעלי משקל מולקולרי נמוך של קופקטורים ומצעים לעבור דרכם ושומר על מולקולות גדולות של אנזימים.
Microencapsulation
ישנן מספר אפשרויות להטמעה במבנים שקופים. מבין אלה, מיקרו-אנקפסולציה ושילוב של חלבונים בליפוזומים הם בעלי העניין הגדול ביותר. האפשרות הראשונה הוצעה ב-1964 על ידי טי צ'אנג. זה מורכב מהעובדה שתמיסת האנזים מוכנסת לקפסולה סגורה, שקירותיה עשויים מחדירים למחצה.פּוֹלִימֵר. הופעת הממברנה על פני השטח נגרמת על ידי תגובה של ריבוי עיבוי פנים של תרכובות. אחד מהם מומס באורגני, והשני - בשלב המימי. דוגמה לכך היא יצירת מיקרוקפסולה המתקבלת על ידי עיבוי רב של חומצה סבאצית הליד (פאזה אורגנית) והקסמתילנדיאמין-1, 6 (בהתאמה, פאזה מימית). עובי הממברנה מחושב במאות המיקרומטר. גודל הקפסולות הוא מאות או עשרות מיקרומטרים.
שילוב בליפוזומים
שיטת אימוביליזציה זו קרובה למיקרו-אנקפסולציה. ליפוזומים מוצגים במערכות למלריות או כדוריות של דו-שכבות שומנים. בשיטה זו נעשה שימוש לראשונה בשנת 1970. כדי לבודד ליפוזומים מתמיסת שומנים, ממיסים את הממס האורגני. הסרט הדק הנותר מתפזר בתמיסה מימית בה נמצא האנזים. במהלך תהליך זה מתרחשת הרכבה עצמית של מבנים דו-שכבתיים ליפידים. אנזימים מקובעים כאלה הם די פופולריים ברפואה. זאת בשל העובדה שרוב המולקולות ממוקמות במטריצת השומנים של הממברנות הביולוגיות. האנזימים המשומקים הכלולים בליפוזומים הם חומר המחקר החשוב ביותר ברפואה, המאפשר ללמוד ולתאר דפוסים של תהליכים חיוניים.
היווצרות איגרות חוב חדשות
אימוביליזציה על ידי יצירת שרשראות קוולנטיות חדשות בין אנזימים ונשאים נחשבת לשיטה הנפוצה ביותר להשגת ביו-זרזים תעשייתיים.יַעַד. בניגוד לשיטות פיזיקליות, אפשרות זו מספקת קשר בלתי הפיך וחזק בין המולקולה לחומר. היווצרותו מלווה לעתים קרובות בייצוב תרופתי. יחד עם זאת, מיקומו של האנזים במרחק של הקשר הקוולנטי ה-1 ביחס לנשא יוצר קשיים מסוימים ביישום התהליך הקטליטי. המולקולה מופרדת מהחומר באמצעות אינסרט. הוא משמש לעתים קרובות כסוכנים פולי ודו-פונקציונליים. בפרט, הם הידרזין, ציאנוגן ברומיד, דיאלידריד גלוטרי, סולפוריל כלוריד וכו'. לדוגמה, כדי להסיר גלקטוסילטרנספראז, מוחדר הרצף הבא בין הנשא לאנזים -CH2- NH-(CH 2)5-CO-. במצב כזה, נמצאים במבנה אינסרט, מולקולה ונשא. כולם מחוברים בקשרים קוולנטיים. חשיבות מהותית היא הצורך להכניס לתגובה קבוצות פונקציונליות שאינן חיוניות לתפקוד הקטליטי של היסוד. אז, ככלל, גליקופרוטאינים מחוברים לנשא לא דרך החלבון, אלא דרך חלק הפחמימות. כתוצאה מכך מתקבלים אנזימים מקובעים יציבים ופעילים יותר.
Cells
השיטות המתוארות לעיל נחשבות אוניברסליות עבור כל סוגי הביולוגים. אלה כוללים, בין היתר, תאים, מבנים תת-תאיים, שהאימוביליזציה שלהם הפכה לאחרונה לנפוצה. זה נובע מהדברים הבאים. כאשר תאים משותקים, אין צורך לבודד ולטהר תכשירי אנזימים או להכניס גורמים משותפים לתגובות. כתוצאה מכך, זה הופך להיות אפשרימערכות המבצעות תהליכים רציפים מרובי שלבים.
שימוש באנזימים לא מובילים
ברפואה הווטרינרית, בתעשייה ובמגזרים כלכליים אחרים, תרופות המתקבלות בשיטות הנ ל הן די פופולריות. גישות שפותחו בפועל נותנות מענה לבעיות של מתן תרופות ממוקדות בגוף. אנזימים מקובעים אפשרו להשיג תרופות בעלות פעולה ממושכת בעלות אלרגניות ורעילות מינימלית. נכון לעכשיו, מדענים פותרים את הבעיות הקשורות להמרה ביולוגית של מסה ואנרגיה באמצעות גישות מיקרוביולוגיות. בינתיים, גם הטכנולוגיה של אנזימים מקובעים תורמת תרומה משמעותית לעבודה. נראה כי סיכויי הפיתוח רחבים למדי. אז, בעתיד, אחד מתפקידי המפתח בתהליך הניטור של מצב הסביבה צריך להיות שייך לסוגים חדשים של ניתוח. בפרט, אנחנו מדברים על שיטות ביולוגיות ואנזים חיסוניים. לגישות מתקדמות יש חשיבות מיוחדת בעיבוד חומרי גלם ליגנו-תאית. ניתן להשתמש באנזימים משוחררים כמגברי אותות חלשים. המרכז הפעיל עשוי להיות תחת השפעת נשא שנמצא תחת אולטרסאונד, לחץ מכני או נתון לשינויים פיטוכימיים.
