Biologické urýchľovače

Ako dosvedčujú legendy a ľudové príbehy staroveku, ľudia si od nepamäti pripravovali víno z hroznovej šťavy, vyrábali syry z kyslého mlieka, šípy zasiahli nepriateľov i divé zvieratá, ktorých hroty boli nasýtené smrtiacim jedom. Človek pozoroval a používal mnoho úžasných premien prebiehajúcich v živých organizmoch a materiáloch z nich odobratých, ako napríklad zrážanie krvi, dozrievanie (a rozklad) mäsa, rýb a rastlinných produktov. Prečo sa však toto všetko deje, dlho nevedel vysvetliť. Až na začiatku 19. storočia boli v biologických objektoch objavené účinné látky spôsobujúce také premeny.

Volajú sa enzýmy. Prvé čisté enzýmy izolované v 30. rokoch dvadsiateho storočia vo forme kryštálov sa ukázali byť bielkovinami a všetky získané neskôr (teraz ich je asi dvetisíc) sú tiež špeciálnymi druhmi bielkovín.

Teraz vieme, že enzýmy sú v mnohých ohľadoch nesmierne lepšie ako umelé katalyzátory. V prvom rade sila akcie. Tisíce chemických reakcií prebiehajú v živých organizmoch za účasti enzýmov bez vysokých teplôt a tlakov miliónkrát a miliárdkrát rýchlejšie ako v prítomnosti najlepších chemických katalyzátorov.

Enzýmy majú ešte jednu výhodu - tú najdôležitejšiu. Od umelých katalyzátorov sa líšia nápadnou racionalitou ich konania, striktne nasmerovanými a najúčinnejšími. Každý enzým funguje optimálne, bez hľadania „optimálnych technologických riešení“, prevádzajúcich iba jednu alebo skupinu príbuzných zlúčenín. Transformuje sa navyše striktne stanoveným smerom.

Toto sú úžasné schopnosti, ktoré našli enzýmy. Vedci, ktorí vedeli veľa o ich vlastnostiach, však ani na prahu nášho storočia nevedeli odpovedať na otázku, čo sú zač. Je pravda, že už vtedy boli tak vynikajúci vedci ako I. Pavlov, A. Bach, E. Fischer, F. Hopkins presvedčení, že životná aktivita každého organizmu, metabolizmus nie je nič iné ako súbor nespočetných chemických reakcií prebiehajúcich v živých bunkách prísne usporiadaných . A enzýmy sú druhom „strážcov poriadku“ (alebo skôr jeho organizátorov). Je teda zrejmé, akú dôležitú úlohu zohrávajú v metabolizme. A on je zase základom všetkých biologických funkcií: výživa, reprodukcia, vývoj, dedičnosť, podráždenosť, mobilita.

Nakoniec, na čo sú títo „záhadní cudzinci“ - enzýmy? Trvalo roky práce, reflexie a experimentovania, kým sa ukázalo, že v organizmoch nielenže urýchľujú metabolické reakcie, ale slúžia aj ako dôležitý nástroj pre „pracovné“ časti buniek. Prvýkrát to ukázali v 30. rokoch minulého storočia V. Engelhardt a M. Lyubimova. Zistili, že svalový kontraktilný proteín a enzým, ktorý uvoľňuje energiu na kontrakciu, sú identické. Engelhardt navrhol, že enzýmy tvoria podstatnú súčasť celej hmoty bunkových proteínov.

Táto myšlienka sa plne potvrdila. Navyše sa ukázalo, že mimoriadne dôležité orgány buniek, spojené so syntézou bielkovín, prenosom látok, bunkovým dýchaním, sú postavené hlavne zo špeciálnych enzýmových proteínov. Inými slovami, enzýmy sú umiestnené presne tam, kde sú potrebné, ako jemný nástroj chemickej transformácie.

Čitateľ sa môže pýtať: je to také dôležité, kde je ktorý enzým „registrovaný“? Hlavné je vedieť, ako to funguje. Ukazuje sa, že „topografia“ je v tomto prípade mimoriadne dôležitá nielen pre vedu, ale aj pre prax. Enzýmy koniec koncov nielen urýchľujú reakcie.Sami sú zase zameraní pôsobením väčšiny biologicky aktívnych zlúčenín - vitamínov, hormónov, antibiotík, liečivých látok a jedov.

Musím vysvetliť, aké vyhliadky sú spojené s presnou definíciou „súradníc“ určitých enzýmov a schopnosťou ovplyvňovať ich činnosť. Napríklad komplexné organické zlúčeniny, ktoré sú zamerané na jeden z enzýmov nevyhnutných pre fungovanie nervových centier, sa osvedčili ako účinná liečba niekoľkých závažných očných a nervových chorôb. Veda, ktorá objasňuje štruktúru a funkcie enzýmov, hľadá spôsoby praktickej kontroly fyziologických procesov a nové spôsoby ochrany živých organizmov pred škodlivými účinkami.

V súčasnosti je známych viac ako päťsto vrodených metabolických chýb u ľudí, ktorých príčinou je dedičné geneticky podmienené porušenie syntézy určitého enzýmu. Takže napríklad vrodená absencia enzýmu, ktorý urýchľuje posledné štádium biosyntézy aminokyseliny tyrozínu, vedie k prudkému narušeniu fyzického a duševného vývoja detí. Poruchy tvorby určitých enzýmov metabolizmu cukrov vedú k nebezpečným poruchám stability krvných buniek.

Vďaka neprekonateľnej selektivite pôsobenia enzýmov sa stávajú neoceniteľnými činidlami pre biochemickú analýzu - meranie obsahu určitého cukru, aminokyselín atď. V komplexnej zmesi podobných príbuzných zlúčenín, ako aj na účely jemnej organickej syntézy. Použitie enzýmových prípravkov (alebo mikrobiálnych buniek na ne bohatých) v priemysle teda mnohokrát znížilo náklady na také dôležité biochemické prípravky ako kyselina askorbová a steroidné hormóny.

Dnes sú vo väčšine technicky rozvinutých krajín založené špecializované podniky, ktoré vyrábajú enzýmové prípravky. Tieto lieky sa používajú v mnohých oblastiach ľahkého, potravinárskeho a farmaceutického priemyslu, zvyšujú a znižujú výrobné náklady. Napríklad ich použitie môže zvýšiť výživovú hodnotu krmiva v chove zvierat.

Zdalo by sa, že možnosti použitia takýchto liekov sú nekonečné. Ale v skutočnosti bolo napriek pozoruhodným katalytickým vlastnostiam enzýmov ich praktické použitie donedávna pomerne obmedzené. Príčina? Nestabilita enzýmov a ťažkosti s ich separáciou od reakčných produktov. To vylúčilo opätovné použitie enzýmov a v mnohých prípadoch sa táto metóda stala nerentabilnou.

V poslednej dobe sa tieto nedostatky do značnej miery podarilo prekonať. Pomohla tu metóda takzvanej imobilizácie enzýmov. Čo ak je nestabilný enzým pripojený pomocou silných chemických väzieb alebo inými metódami k polymérnym nerozpustným nosičom rôzneho charakteru - deriváty celulózy, iónomeniče, porézne sklá, organokremičité gély? Tento princíp trochu pripomína štepenie južných odrôd jabloní na mrazuvzdorné severné. Ale samozrejme mi to pripomína iba z diaľky. Tu sú rôzne stupnice, rôzne, oveľa jemnejšie mechanizmy. A otázka je tu úplne prirodzená: sú vôbec zachované cenné vlastnosti enzýmov po vykonaní týchto operácií?

A ukázalo sa: áno, sú. Navyše imobilizované enzýmy majú v mnohých prípadoch významne zvýšenú stabilitu, zatiaľ čo si zachovávajú významnú časť svojej katalytickej aktivity.

Rozumiete tomu, čo sa dá urobiť, ak miesto dnešných katalyzátorov, ktoré sú v porovnaní s enzýmami pomerne „neflexibilné“, v priemysle, poľnohospodárstve, medicíne nové urýchľovače a retardéry reakcie, ktoré majú všetky najlepšie vlastnosti enzýmov čas odolnosť umelých katalyzátorov. Ak sú takíto „kentauri“ správne „zapojení“ do ekonomiky a sú nútení pracovať pre svoje potreby s plným nasadením, môže to viesť k vážnemu zvýšeniu efektivity výroby.

Nie je náhoda, že sa v súčasnosti vkladá veľká nádej do tohto nového odvetvia výskumu - takzvanej „technickej fermentológie“. Sľubuje, že výrazne zjednoduší mnoho priemyselných odvetví a vytvorí zásadne nové odvetvia. Napriek ďalším nákladom na výrobu imobilizovaných enzýmov je vďaka možnosti ich opakovaného použitia nová technológia ekonomicky opodstatnená.

Vedci očakávajú, že s využitím imobilizovaných enzýmov bude v budúcnosti možné vyriešiť celý rad zložitých problémov nielen jemnej organickej syntézy, ale aj chemickej energie, napríklad vytvorenia biokatalytických systémov na fixáciu atmosférického dusíka. syntéza kvapalného organického paliva z oxidu uhličitého a zemného plynu.

Je samozrejmé, že riešenie týchto a ďalších aplikovaných problémov súvisiacich s biologickou katalýzou je možné iba pri dostatočne vysokej úrovni základného výskumu štruktúry a funkcie enzýmov. Chémia a biochémia enzýmov je zapojená do mnohých výskumných ústavov a vysokých škôl. Domáci vedci významne prispeli do tejto oblasti vedy medzinárodne uznávaným spôsobom.

Človek vstúpil do súťaže s prírodou v oblastiach, ktoré sa len včera zdali zásadne neprístupné. Osvojuje si tajomstvá enzýmov, núti ich slúžiť sebe samým, zvyšovať svoju pohodu, chrániť svoje zdravie, píše novú stránku do veľkej knihy našich poznatkov o svete.

A. Braunstein

Podobné publikácie

Čo je to klietka?

Ako sa vytvárajú bielkovinové štruktúry

Nervové impulzy a RNA