Begrebet immobiliserede enzymer dukkede første gang op i anden halvdel af det 20. århundrede. I mellemtiden, tilbage i 1916, blev det fundet, at saccharose sorberet på kulstof beholdt sin katalytiske aktivitet. I 1953 udførte D. Schleit og N. Grubhofer den første binding af pepsin, amylase, carboxypeptidase og RNase med en uopløselig bærer. Begrebet immobiliserede enzymer blev legaliseret i 1971. Dette skete ved den første konference om ingeniørenzyologi. På nuværende tidspunkt betragtes begrebet immobiliserede enzymer i en bredere forstand, end det var i slutningen af det 20. århundrede. Lad os se nærmere på denne kategori.
Generelle oplysninger
Immobiliserede enzymer er forbindelser, der er kunstigt bundet til en uopløselig bærer. De bevarer dog deres katalytiske egenskaber. I øjeblikket betragtes denne proces i to aspekter - inden for rammerne af delvis og fuldstændig begrænsning af proteinmolekylers bevægelsesfrihed.
Dignity
Forskere har fastslået visse fordele ved immobiliserede enzymer. De fungerer som heterogene katalysatorer og kan let adskilles fra reaktionsmediet. Som en del af forskningen viste det sig, at brugen af immobiliserede enzymer kan gentages. Under bindingsprocessen ændrer forbindelser deres egenskaber. De opnår substratspecificitet og stabilitet. Samtidig begynder deres aktivitet at afhænge af miljøforhold. Immobiliserede enzymer er holdbare og har en høj grad af stabilitet. Det er større end f.eks. frie enzymer tusindvis, titusindvis af gange. Alt dette sikrer høj effektivitet, konkurrenceevne og økonomi af teknologier, hvori immobiliserede enzymer er til stede.
Media
J. Poratu identificerede nøgleegenskaberne ved ideelle materialer, der skal bruges til immobilisering. Bærere skal have:
- Uopløselighed.
- Høj biologisk og kemisk resistens.
- Evnen til hurtigt at aktivere. Transportørerne bør let blive reaktive.
- Betydende hydrofilicitet.
- Nødvendig permeabilitet. Dens indikator bør være lige acceptabel for både enzymer og coenzymer, reaktionsprodukter og substrater.
I øjeblikket er der intet materiale, der fuldt ud opfylder disse krav. Ikke desto mindre anvendes i praksis bærere, der er egnede til immobilisering.bestemt kategori af enzymer under specifikke forhold.
Klassificering
Afhængigt af deres natur opdeles materialerne, i forbindelse med hvilke forbindelser omdannes til immobiliserede enzymer, i uorganiske og organiske. Bindingen af mange forbindelser udføres med polymere bærere. Disse organiske materialer er opdelt i 2 klasser: syntetiske og naturlige. I hver af dem skelnes til gengæld grupper afhængigt af strukturen. Uorganiske bærere er hovedsageligt repræsenteret af materialer lavet af glas, keramik, ler, silicagel og grafitsort. Når man arbejder med materialer, er tørkemimetoder populære. Immobiliserede enzymer opnås ved at belægge bærere med en film af titanium, aluminium, zirconium, hafniumoxider eller ved forarbejdning med organiske polymerer. En vigtig fordel ved materialer er den lette regenerering.
Proteinbærere
De mest populære er lipid-, polysaccharid- og proteinmaterialer. Blandt sidstnævnte er det værd at fremhæve strukturelle polymerer. Disse omfatter primært kollagen, fibrin, keratin og gelatine. Sådanne proteiner er vidt udbredt i det naturlige miljø. De er overkommelige og økonomiske. Derudover har de et stort antal funktionelle grupper til binding. Proteiner er biologisk nedbrydelige. Dette gør det muligt at udvide brugen af immobiliserede enzymer i medicin. I mellemtiden har proteiner også negative egenskaber. Ulemperne ved at anvende immobiliserede enzymer på proteinbærere er sidstnævntes høje immunogenicitet, samtevnen til kun at introducere bestemte grupper af dem i reaktioner.
Polysaccharider, aminosaccharider
Af disse materialer er kitin, dextran, cellulose, agarose og deres derivater oftest brugt. For at gøre polysaccharider mere modstandsdygtige over for reaktioner er deres lineære kæder tværbundet med epichlorhydrin. Forskellige ionogene grupper indføres frit i netværksstrukturerne. Kitin ophobes i store mængder som affald under industriel forarbejdning af rejer og krabber. Dette stof er kemisk resistent og har en veldefineret porøs struktur.
Syntetiske polymerer
Denne materialegruppe er meget forskelligartet og tilgængelig. Det omfatter polymerer baseret på akrylsyre, styren, polyvinylalkohol, polyurethan og polyamidpolymerer. De fleste af dem er mekanisk stærke. I transformationsprocessen giver de mulighed for at variere porestørrelsen inden for et ret bredt område og introducere forskellige funktionelle grupper.
Bindende metoder
I øjeblikket er der to fundament alt forskellige muligheder for immobilisering. Den første er at opnå forbindelser uden kovalente bindinger med bæreren. Denne metode er fysisk. En anden mulighed involverer fremkomsten af en kovalent binding med materialet. Dette er en kemisk metode.
Adsorption
Ved hjælp af det opnås immobiliserede enzymer ved at holde lægemidlet på bærerens overflade pga.dispersion, hydrofobe, elektrostatiske interaktioner og hydrogenbindinger. Adsorption var den første måde at begrænse elementernes mobilitet. Men selv nu har denne mulighed ikke mistet sin relevans. Desuden betragtes adsorption som den mest almindelige immobiliseringsmetode i industrien.
Funktioner ved metoden
Videnskabelige publikationer beskriver mere end 70 enzymer opnået ved adsorptionsmetoden. Bærerne var hovedsageligt porøst glas, forskellige lerarter, polysaccharider, aluminiumoxider, syntetiske polymerer, titanium og andre metaller. Sidstnævnte er de mest brugte. Effektiviteten af adsorption af lægemidlet på bæreren bestemmes af materialets porøsitet og det specifikke overfladeareal.
Handlingsmekanisme
Enzymadsorption på uopløselige materialer er enkel. Det opnås ved kontakt af en vandig opløsning af lægemidlet med bæreren. Det kan passere på en statisk eller dynamisk måde. Enzymopløsningen blandes med frisk sediment, for eksempel titaniumhydroxid. Forbindelsen tørres derefter under milde betingelser. Enzymaktivitet under en sådan immobilisering bibeholdes med næsten 100 %. Samtidig når den specifikke koncentration 64 mg pr. gram bærer.
Negative øjeblikke
Ulemperne ved adsorption omfatter lav styrke ved binding af enzymet og bæreren. I processen med at ændre reaktionsbetingelserne kan tab af elementer, forurening af produkter og proteindesorption bemærkes. For at forbedre styrkenbindende bærere er præmodificeret. Især er materialer behandlet med metalioner, polymerer, hydrofobe forbindelser og andre polyfunktionelle midler. I nogle tilfælde modificeres selve stoffet. Men ret ofte fører dette til et fald i dens aktivitet.
Inkludering i gelen
Denne mulighed er ret almindelig på grund af dens unikke og enkelhed. Denne metode er ikke kun egnet til individuelle elementer, men også til multi-enzymkomplekser. Inkorporering i gelen kan udføres på to måder. I det første tilfælde kombineres lægemidlet med en vandig opløsning af monomeren, hvorefter polymerisering udføres. Som et resultat fremkommer en rumlig gelstruktur, der indeholder enzymmolekyler i cellerne. I det andet tilfælde indføres lægemidlet i opløsningen af den færdige polymer. Det sættes derefter i en geltilstand.
Indbrud i gennemskinnelige strukturer
Essensen af denne immobiliseringsmetode er adskillelsen af en vandig enzymopløsning fra substratet. Til dette anvendes en semipermeabel membran. Det tillader lavmolekylære elementer af cofaktorer og substrater at passere igennem og tilbageholder store molekyler af enzymer.
Microencapsulation
Der er flere muligheder for indlejring i gennemskinnelige strukturer. Af disse er mikroindkapsling og inkorporering af proteiner i liposomer af den største interesse. Den første mulighed blev foreslået i 1964 af T. Chang. Det består i, at enzymopløsningen indføres i en lukket kapsel, hvis vægge er lavet af semipermeablepolymer. Udseendet af en membran på overfladen er forårsaget af reaktionen af grænsefladepolykondensation af forbindelser. En af dem er opløst i den organiske, og den anden - i den vandige fase. Et eksempel er dannelsen af en mikrokapsel opnået ved polykondensation af sebacinsyrehalogenid (organisk fase) og hexamethylendiamin-1, 6 (henholdsvis vandfase). Membranens tykkelse er beregnet i hundrededele af en mikrometer. Kapslernes størrelse er hundreder eller titusinder af mikrometer.
Inkorporering i liposomer
Denne immobiliseringsmetode er tæt på mikroindkapsling. Liposomer præsenteres i lamellære eller sfæriske systemer af lipid-dobbeltlag. Denne metode blev første gang brugt i 1970. For at isolere liposomer fra en lipidopløsning afdampes det organiske opløsningsmiddel. Den resterende tynde film dispergeres i en vandig opløsning, hvori enzymet er til stede. Under denne proces sker selvsamling af lipid-dobbeltlagsstrukturer. Sådanne immobiliserede enzymer er ret populære i medicin. Dette skyldes det faktum, at de fleste af molekylerne er lokaliseret i lipidmatrixen af biologiske membraner. De immobiliserede enzymer, der indgår i liposomer, er det vigtigste forskningsmateriale inden for medicin, som gør det muligt at studere og beskrive mønstrene i vitale processer.
dannelse af nye obligationer
Immobilisering ved at danne nye kovalente kæder mellem enzymer og bærere anses for at være den mest udbredte metode til at opnå industrielle biokatalysatorer.bestemmelsessted. I modsætning til fysiske metoder giver denne mulighed en irreversibel og stærk binding mellem molekylet og materialet. Dets dannelse er ofte ledsaget af lægemiddelstabilisering. Samtidig skaber placeringen af enzymet i en afstand af den 1. kovalente binding i forhold til bæreren visse vanskeligheder ved implementeringen af den katalytiske proces. Molekylet adskilles fra materialet ved hjælp af en indsats. Det bruges ofte som poly- og bifunktionelle midler. De er især hydrazin, cyanogenbromid, glutarsyredialhedrid, sulfurylchlorid osv. For at fjerne galactosyltransferase indsættes f.eks. følgende sekvens mellem bæreren og enzymet -CH2- NH-(CH 2)5-CO-. I en sådan situation er en indsats, et molekyle og en bærer til stede i strukturen. Alle er forbundet med kovalente bindinger. Af fundamental betydning er behovet for at indføre funktionelle grupper i reaktionen, som ikke er væsentlige for grundstoffets katalytiske funktion. Så som regel er glycoproteiner knyttet til bæreren ikke gennem proteinet, men gennem kulhydratdelen. Som et resultat opnås mere stabile og aktive immobiliserede enzymer.
Celler
Metoderne beskrevet ovenfor betragtes som universelle for alle typer biokatalysatorer. Disse omfatter blandt andet celler, subcellulære strukturer, hvis immobilisering for nylig er blevet udbredt. Dette skyldes følgende. Når celler immobiliseres, er der ikke behov for at isolere og oprense enzympræparater eller indføre cofaktorer i reaktioner. Som følge heraf bliver det muligt atsystemer, der udfører flertrins kontinuerlige processer.
Brug af immobiliserede enzymer
Inden for veterinærmedicin, industri og andre økonomiske sektorer er lægemidler opnået ved ovenstående metoder ret populære. Tilgange udviklet i praksis giver en løsning på problemerne med målrettet lægemiddellevering i kroppen. Immobiliserede enzymer gjorde det muligt at opnå lægemidler med langvarig virkning med minimal allergenicitet og toksicitet. I øjeblikket løser forskere problemerne forbundet med biokonvertering af masse og energi ved hjælp af mikrobiologiske tilgange. I mellemtiden yder teknologien med immobiliserede enzymer også et væsentligt bidrag til arbejdet. Udsigterne for udvikling synes at være ret brede. Så i fremtiden bør en af nøglerollerne i processen med at overvåge miljøets tilstand tilhøre nye typer analyser. Især taler vi om bioluminescerende og enzymimmunoassay-metoder. Avancerede tilgange er af særlig betydning i behandlingen af lignocelluloseholdige råmaterialer. Immobiliserede enzymer kan bruges som svage signalforstærkere. Det aktive center kan være under indflydelse af en bærer, der er under ultralyd, mekanisk stress eller udsat for fytokemiske transformationer.
