ظهر مفهوم الإنزيمات المجمدة لأول مرة في النصف الثاني من القرن العشرين. في هذه الأثناء ، في عام 1916 ، وجد أن السكروز الممتص على الكربون يحتفظ بنشاطه التحفيزي. في عام 1953 ، نفذ كل من D. Schleit و N. Grubhofer أول ربط للبيبسين ، الأميليز ، الكربوكسي ببتيداز و RNase مع مادة حاملة غير قابلة للذوبان. تم تقنين مفهوم الإنزيمات المعطلة في عام 1971. حدث هذا في المؤتمر الأول حول هندسة الإنزيمات. في الوقت الحاضر ، يُنظر إلى مفهوم الإنزيمات المعطلة بمعنى أوسع مما كان عليه في نهاية القرن العشرين. دعونا نلقي نظرة فاحصة على هذه الفئة
معلومات عامة
الإنزيمات المعطلة هي مركبات مرتبطة بشكل مصطنع بحامل غير قابل للذوبان. ومع ذلك ، فإنها تحتفظ بخصائصها التحفيزية. حاليًا ، يتم النظر في هذه العملية من جانبين - في إطار تقييد جزئي وكامل لحرية حركة جزيئات البروتين.
كرامة
توصل العلماء إلى فوائد معينة للإنزيمات المجمدة. تعمل كمحفزات غير متجانسة ، يمكن فصلها بسهولة عن وسط التفاعل. كجزء من البحث ، وجد أنه يمكن تكرار استخدام الإنزيمات المعطلة. أثناء عملية الربط ، تغير التوصيلات خصائصها. يكتسبون خصوصية الركيزة والاستقرار. في الوقت نفسه ، يبدأ نشاطهم في الاعتماد على الظروف البيئية. الإنزيمات الثابتة متينة ولها درجة عالية من الاستقرار. إنه أكبر ، على سبيل المثال ، من الإنزيمات الحرة بآلاف ، عشرات الآلاف من المرات. كل هذا يضمن الكفاءة العالية والقدرة التنافسية والاقتصاد في التقنيات التي توجد فيها الإنزيمات المعطلة.
ميديا
جي. حدد بوراتو الخصائص الرئيسية للمواد المثالية لاستخدامها في التثبيت. يجب أن يمتلك الحاملون:
- عدم الذوبان.
- مقاومة بيولوجية وكيميائية عالية.
- القدرة على التنشيط بسرعة. يجب أن تصبح الحاملات متفاعلة بسهولة.
- محبة ماء كبيرة.
- النفاذية اللازمة. يجب أن يكون مؤشرها مقبولاً بنفس القدر لكل من الإنزيمات والإنزيمات المساعدة ومنتجات التفاعل والركائز.
حاليًا لا توجد مادة تلبي تمامًا هذه المتطلبات. ومع ذلك ، في الممارسة العملية ، يتم استخدام ناقلات مناسبة للتثبيت.فئة معينة من الإنزيمات تحت ظروف محددة.
التصنيف
اعتمادًا على طبيعتها ، يتم تقسيم المواد المرتبطة بالمركبات التي يتم تحويلها إلى إنزيمات ثابتة ، إلى مواد عضوية وغير عضوية. يتم ربط العديد من المركبات بحوامل بوليمرية. تنقسم هذه المواد العضوية إلى فئتين: الاصطناعية والطبيعية. في كل منها ، يتم تمييز المجموعات حسب الهيكل. يتم تمثيل المواد الحاملة غير العضوية بشكل أساسي بمواد مصنوعة من الزجاج والسيراميك والطين وهلام السيليكا وأسود الجرافيت. عند العمل باستخدام المواد ، فإن طرق الكيمياء الجافة شائعة. يتم الحصول على الإنزيمات المجمدة عن طريق تغليف المواد الحاملة بطبقة من التيتانيوم ، والألومنيوم ، والزركونيوم ، وأكاسيد الهافنيوم أو عن طريق المعالجة بالبوليمرات العضوية. من المزايا المهمة للمواد سهولة التجديد.
ناقلات البروتين
الأكثر شيوعًا هي المواد الدهنية والسكريات والبروتينات. من بين هذه الأخيرة ، يجدر تسليط الضوء على البوليمرات الهيكلية. وتشمل هذه بشكل أساسي الكولاجين والفيبرين والكيراتين والجيلاتين. يتم توزيع هذه البروتينات على نطاق واسع في البيئة الطبيعية. فهي ميسورة التكلفة واقتصادية. بالإضافة إلى ذلك ، لديهم عدد كبير من المجموعات الوظيفية للربط. البروتينات قابلة للتحلل. هذا يسمح بتوسيع استخدام الإنزيمات المعطلة في الطب. وفي الوقت نفسه ، للبروتينات أيضًا خصائص سلبية. تتمثل عيوب استخدام الإنزيمات المعطلة في ناقلات البروتين في الاستمناع العالي لهذا الأخير ، وكذلكالقدرة على إدخال مجموعات معينة منهم في ردود الفعل.
السكريات ، السكريات الأمينية
من هذه المواد ، غالبًا ما يتم استخدام الكيتين ، ديكستران ، السليلوز ، الاغاروز ومشتقاته. لجعل السكريات أكثر مقاومة للتفاعلات ، ترتبط سلاسلها الخطية مع الإبيكلوروهيدرين. يتم إدخال المجموعات الأيونية المختلفة بحرية في هياكل الشبكة. يتراكم الكيتين بكميات كبيرة كنفايات أثناء المعالجة الصناعية للجمبري وسرطان البحر. هذه المادة مقاومة للمواد الكيميائية ولها بنية مسامية واضحة المعالم.
البوليمرات الاصطناعية
هذه المجموعة من المواد شديدة التنوع ويمكن الوصول إليها. وهي تشتمل على بوليمرات أساسها حمض الأكريليك ، والستايرين ، وكحول البولي فينيل ، والبولي يوريثين ، وبوليمرات البولي أميد. معظمهم أقوياء ميكانيكيا. في عملية التحول ، فإنها توفر إمكانية تغيير حجم المسام ضمن نطاق واسع إلى حد ما ، وتقديم مجموعات وظيفية مختلفة.
طرق الربط
حاليًا ، هناك خياران مختلفان تمامًا عن التثبيت. الأول هو الحصول على مركبات بدون روابط تساهمية مع الناقل. هذه الطريقة فيزيائية. يتضمن خيار آخر ظهور رابطة تساهمية مع المادة. هذه طريقة كيميائية.
الامتزاز
بمساعدة منه ، يتم الحصول على الإنزيمات المجمدة عن طريق تثبيت الدواء على سطح الناقل بسببالتشتت والتفاعلات الكهرومغناطيسية والكهرباء الساكنة والروابط الهيدروجينية. كان الامتزاز هو الطريقة الأولى للحد من حركة العناصر. ومع ذلك ، حتى الآن لم يفقد هذا الخيار أهميته. علاوة على ذلك ، يعتبر الامتزاز أكثر طرق التثبيت شيوعًا في الصناعة.
ميزات الطريقة
المنشورات العلمية تصف أكثر من 70 إنزيم تم الحصول عليها بطريقة الامتزاز. كانت المواد الحاملة عبارة عن زجاج مسامي وطين مختلف وعديد السكاريد وأكاسيد الألومنيوم والبوليمرات الاصطناعية والتيتانيوم ومعادن أخرى. هذا الأخير هو الأكثر استخدامًا. يتم تحديد فعالية امتصاص الدواء على الناقل من خلال مسامية المادة ومساحة السطح المحددة.
آلية العمل
امتصاص الإنزيم على المواد غير القابلة للذوبان بسيط. يتم تحقيقه عن طريق ملامسة محلول مائي للدواء مع الناقل. يمكن أن تمر بطريقة ثابتة أو ديناميكية. يتم خلط محلول الإنزيم مع الرواسب الطازجة ، على سبيل المثال ، هيدروكسيد التيتانيوم. ثم يجفف المركب تحت ظروف معتدلة. يتم الاحتفاظ بنشاط الإنزيم أثناء هذا التثبيت بنسبة 100 ٪ تقريبًا. في نفس الوقت ، يصل التركيز المحدد إلى 64 مجم لكل جرام من الناقل.
لحظات سلبية
تشمل عيوب الامتصاص قوة منخفضة عند ربط الإنزيم والناقل. في عملية تغيير ظروف التفاعل ، يمكن ملاحظة فقد العناصر ، وتلوث المنتجات ، وامتصاص البروتين. لتحسين القوةتم تعديل ناقلات الربط مسبقًا. على وجه الخصوص ، يتم معالجة المواد بأيونات معدنية ، وبوليمرات ، ومركبات كارهة للماء ، وعوامل أخرى متعددة الوظائف. في بعض الحالات ، يتم تعديل الدواء نفسه. ولكن في كثير من الأحيان يؤدي هذا إلى انخفاض في نشاطها.
التضمين في الجل
هذا الخيار شائع جدًا نظرًا لتميزه وبساطته. هذه الطريقة مناسبة ليس فقط للعناصر الفردية ، ولكن أيضًا للمجمعات متعددة الإنزيمات. يمكن أن يتم الدمج في الجل بطريقتين. في الحالة الأولى ، يتم دمج الدواء مع محلول مائي من المونومر ، وبعد ذلك يتم إجراء البلمرة. نتيجة لذلك ، تظهر بنية هلامية مكانية تحتوي على جزيئات الإنزيم في الخلايا. في الحالة الثانية ، يتم إدخال الدواء في محلول البوليمر النهائي. ثم يتم وضعه في حالة هلامية
اقتحام الهياكل الشفافة
جوهر طريقة التثبيت هذه هو فصل محلول إنزيم مائي عن الركيزة. لهذا الغرض ، يتم استخدام غشاء شبه منفذ. يسمح للعناصر ذات الوزن الجزيئي المنخفض من العوامل المساعدة والركائز بالمرور والاحتفاظ بجزيئات الإنزيمات الكبيرة.
الكبسلة المصغرة
هناك عدة خيارات للتضمين في الهياكل شبه الشفافة. من بين هذه ، فإن الكبسلة الدقيقة ودمج البروتينات في الجسيمات الشحمية هي الأكثر أهمية. تم اقتراح الخيار الأول في عام 1964 من قبل T. Chang. يتكون من حقيقة أن محلول الإنزيم يتم إدخاله في كبسولة مغلقة ، تكون جدرانها شبه نفاذةبوليمر. ظهور غشاء على السطح ناتج عن تفاعل متعدد التكثيف البيني للمركبات. واحد منهم يذوب في العضوية ، والآخر - في المرحلة المائية. مثال على ذلك هو تكوين كبسولة دقيقة تم الحصول عليها عن طريق التكثيف المتعدد لهاليد حامض السيباسيك (المرحلة العضوية) وهيكساميثيلين ديامين -1 ، 6 (على التوالي ، المرحلة المائية). يُحسب سمك الغشاء بالمئات من الميكرومتر. حجم الكبسولات مئات أو عشرات الميكرومترات.
الاندماج في الجسيمات الشحمية
طريقة التثبيت هذه قريبة من الكبسلة الدقيقة. يتم تقديم الجسيمات الشحمية في أنظمة صفائحية أو كروية من طبقات ثنائية الدهون. تم استخدام هذه الطريقة لأول مرة في عام 1970. لعزل الجسيمات الشحمية من محلول دهني ، يتبخر المذيب العضوي. يتم تشتيت الطبقة الرقيقة المتبقية في محلول مائي يوجد فيه الإنزيم. خلال هذه العملية ، يحدث التجميع الذاتي لهياكل طبقة ثنائية الدهون. تحظى هذه الإنزيمات المجمدة بشعبية كبيرة في الطب. هذا يرجع إلى حقيقة أن معظم الجزيئات موضعية في مصفوفة الدهون للأغشية البيولوجية. تعتبر الإنزيمات المجمدة الموجودة في الجسيمات الشحمية من أهم المواد البحثية في الطب ، مما يجعل من الممكن دراسة ووصف أنماط العمليات الحيوية.
تكوين سندات جديدة
يعتبر التثبيت عن طريق تكوين سلاسل تساهمية جديدة بين الإنزيمات والناقلات الطريقة الأكثر انتشارًا للحصول على المحفزات الحيوية الصناعية.وجهة. على عكس الطرق الفيزيائية ، يوفر هذا الخيار رابطًا قويًا لا رجوع فيه بين الجزيء والمادة. غالبًا ما يكون تكوينه مصحوبًا بتثبيت الدواء. في الوقت نفسه ، فإن موقع الإنزيم على مسافة الرابطة التساهمية الأولى بالنسبة للناقل يخلق بعض الصعوبات في تنفيذ العملية التحفيزية. يتم فصل الجزيء عن المادة عن طريق إدراج. غالبًا ما يستخدم كعوامل متعددة الوظائف وذات وظيفتين. على وجه الخصوص ، هي الهيدرازين ، بروميد السيانوجين ، ثنائي الهيدريد الجلوتاري ، كلوريد السلفوريل ، إلخ. على سبيل المثال ، لإزالة الجالاكتوزيل ترانسفيراز ، يتم إدخال التسلسل التالي بين الناقل والإنزيم -CH2- NH- (CH 2 )5-CO-. في مثل هذه الحالة ، يوجد ملحق وجزيء وناقل في الهيكل. كلهم مرتبطون بروابط تساهمية. من الأهمية بمكان الحاجة إلى إدخال مجموعات وظيفية للتفاعل ليست ضرورية للوظيفة التحفيزية للعنصر. لذلك ، كقاعدة عامة ، يتم ربط البروتينات السكرية بالناقل ليس من خلال البروتين ، ولكن من خلال جزء الكربوهيدرات. نتيجة لذلك ، يتم الحصول على إنزيمات مجمدة أكثر استقرارًا ونشاطًا.
خلايا
تعتبر الطرق الموضحة أعلاه عالمية لجميع أنواع المحفزات الحيوية. وتشمل هذه ، من بين أمور أخرى ، الخلايا ، والهياكل دون الخلوية ، التي انتشر تجميدها مؤخرًا. هذا يرجع إلى ما يلي. عندما يتم تجميد الخلايا ، ليست هناك حاجة لعزل وتنقية مستحضرات الإنزيم أو إدخال عوامل مساعدة في التفاعلات. نتيجة لذلك ، يصبح من الممكنالأنظمة التي تنفذ عمليات مستمرة متعددة المراحل.
استخدام الإنزيمات المجمدة
في الطب البيطري والصناعة والقطاعات الاقتصادية الأخرى ، تحظى الأدوية التي يتم الحصول عليها بالطرق المذكورة أعلاه بشعبية كبيرة. الأساليب التي تم تطويرها في الممارسة العملية توفر حلاً لمشاكل توصيل الدواء المستهدف في الجسم. جعلت الإنزيمات المجمدة من الممكن الحصول على أدوية ذات مفعول طويل مع الحد الأدنى من الحساسية والسمية. يقوم العلماء حاليًا بحل المشكلات المرتبطة بالتحويل الحيوي للكتلة والطاقة باستخدام مناهج ميكروبيولوجية. وفي الوقت نفسه ، فإن تقنية الإنزيمات المعطلة تقدم أيضًا مساهمة كبيرة في العمل. يبدو أن آفاق التنمية واسعة للغاية. لذلك ، في المستقبل ، يجب أن ينتمي أحد الأدوار الرئيسية في عملية مراقبة حالة البيئة إلى أنواع جديدة من التحليل. على وجه الخصوص ، نحن نتحدث عن طرق المقايسة المناعية الإنزيمية والإضاءة الحيوية. الأساليب المتقدمة لها أهمية خاصة في معالجة المواد الخام lignocellulosic. يمكن استخدام الإنزيمات المعطلة كمضخمات إشارة ضعيفة. قد يكون المركز النشط تحت تأثير الناقل الذي يخضع للموجات فوق الصوتية ، أو الإجهاد الميكانيكي ، أو يخضع لتحولات كيميائية نباتية.
