Biologiska acceleratorer

Som legenderna och folksagorna från antiken vittnar om har människor från urminnes tider berett vin av druvsaft, gjort ost av surmjölk, slagit fiender och vilda djur med pilar, vars spetsar var mättade med dödligt gift. Människan har observerat och använt många fantastiska omvandlingar som förekommer i levande organismer och material som tas från dem, såsom blodkoagulering, mognad (och nedbrytning) av kött, fisk och växtprodukter. Men varför allt detta händer kunde han inte förklara på länge. Det var först i början av 1800-talet som aktiva ämnen som orsakade sådana omvandlingar upptäcktes i biologiska föremål.

De kallas enzymer. De första rena enzymerna som isolerades på 30-talet av 1900-talet i form av kristaller visade sig vara proteiner, och alla erhållna senare (nu finns det cirka två tusen av dem) är också speciella proteintyper.

Vi vet nu att enzymer är måttligt överlägsna konstgjorda katalysatorer på många sätt. Först och främst på grund av handlingens styrka. Tusentals kemiska reaktioner äger rum i levande organismer med deltagande av enzymer utan höga temperaturer och trycker miljoner och miljarder gånger snabbare än i närvaro av de bästa kemiska katalysatorerna.

Enzymer har ytterligare en fördel - den viktigaste. De skiljer sig från konstgjorda katalysatorer i den slående rationaliteten i deras handlingar, strikt riktade och mest effektiva. Varje enzym fungerar optimalt utan att leta efter "optimala tekniska lösningar" och omvandlar bara en eller en grupp närbesläktade föreningar. Dessutom förvandlas den i en strikt definierad riktning.

Det här är de fantastiska förmågor som enzymer har visat sig ha. Men att veta mycket om deras egenskaper kunde forskare, även på tröskeln till vårt århundrade, inte svara på frågan om vad de är. Det är sant att även sådana framstående forskare som I. Pavlov, A. Bach, E. Fischer, F. Hopkins var övertygade om att den vitala aktiviteten hos någon organism, ämnesomsättning är inget annat än en uppsättning oräkneliga kemiska reaktioner som förekommer i levande celler strikt ordnade . Och enzymer är den typ av "ordningsvakter" (eller snarare dess arrangörer). Därför är det tydligt vilken viktig roll de spelar i ämnesomsättningen. Och han är i sin tur grunden för alla biologiska funktioner: näring, reproduktion, utveckling, ärftlighet, irritabilitet, rörlighet.

När allt kommer omkring, vad är dessa "mystiska främlingar" - enzymer för? Det tog år av arbete, reflektion och experiment innan det blev klart att de i organismer inte bara påskyndar metaboliska reaktioner utan också fungerar som viktiga verktyg för de "fungerande" delarna av celler. Detta visades först på 30-talet av förra seklet av V. Engelhardt och M. Lyubimova. De fann att muskelkontraktilproteinet och enzymet som frigör energi för sammandragning är identiska. Engelhardt föreslog att enzymer utgör en väsentlig del av hela massan av cellulära proteiner.

Denna idé bekräftades helt. Dessutom visade det sig att de extremt viktiga organen i celler, som är associerade med syntesen av proteiner, överföringen av ämnen, cellulär andning, var och en huvudsakligen bygger på speciella enzymatiska proteiner. Med andra ord placeras enzymer exakt där de behövs som ett subtilt instrument för kemisk transformation.

Läsaren kan fråga: är det så viktigt, var är vilket enzym "registrerat"? Det viktigaste är att veta hur det fungerar. Det visar sig att "topografi" i detta fall är oerhört viktigt inte bara för vetenskapen utan också för praktiken. När allt kommer omkring, enzymer påskyndar inte bara reaktionerna.De själva är i sin tur inriktade på verkan av de flesta biologiskt aktiva föreningarna - vitaminer, hormoner, antibiotika, medicinska ämnen och gifter.

Måste jag förklara vilka utsikter som är fyllda med både den exakta definitionen av "koordinater" för vissa enzymer och förmågan att påverka deras handling. Exempelvis har komplexa organiska föreningar som attackerar ett av de enzymer som är nödvändiga för nervcentralernas funktion visat sig vara en kraftfull behandling för flera allvarliga ögon- och nervsjukdomar. Genom att belysa enzymernas struktur och funktioner letar vetenskapen efter metoder för praktisk kontroll av fysiologiska processer och nya sätt att skydda levande organismer från skadliga influenser.

Numera är mer än fem hundra medfödda metaboliska defekter hos människor kända, vars orsak är en ärftlig, genetiskt bestämd kränkning av syntesen av ett visst enzym. Så till exempel leder den medfödda frånvaron av ett enzym som accelererar det sista steget av biosyntesen av aminosyran tyrosin till en kraftig störning i barns fysiska och mentala utveckling. Defekter i bildandet av vissa enzymer i sockermetabolismen resulterar i farliga störningar i blodcellernas stabilitet.

Den oöverträffade selektiviteten av enzymers verkan gör dem till ovärderliga reagens för biokemisk analys - mätning av innehållet i ett visst socker, aminosyra etc. i en komplex blandning av liknande, besläktade föreningar, samt för ändamålen med fin organisk syntes. Således har användningen av enzympreparat (eller mikrobiella celler som är rika på dem) inom industrin minskat kostnaden för sådana viktiga biokemiska preparat som askorbinsyra och steroidhormoner många gånger.

Idag, i de flesta tekniskt utvecklade länder, har specialiserade företag skapats som producerar enzympreparat. Dessa läkemedel används i många områden inom ljus-, livsmedels- och läkemedelsindustrin, intensifierar och minskar produktionskostnaderna. Till exempel kan deras användning öka näringsvärdet av foder i djurhållningen.

Det verkar som att möjligheterna att använda sådana läkemedel är oändliga. Men faktiskt, trots enzymernas anmärkningsvärda katalytiska egenskaper, var deras praktiska användning fram till nyligen relativt begränsad. Orsak? Enzymernas instabilitet och svårigheten att separera dem från reaktionsprodukterna. Detta utesluter återanvändning av enzymer och gjorde denna metod olönsam i många fall.

Nyligen har dessa brister till stor del övervinnts. Metoden för den så kallade immobilisering av enzymer hjälpte här. Vad händer om ett instabilt enzym fästs med starka kemiska bindningar eller på annat sätt till polymera olösliga bärare av olika karaktär - cellulosaderivat, jonbytande plast, porösa glas, organosilikatgeler? Denna princip påminner lite om ympning av södra äppelträd till frostbeständiga norra sorter. Men naturligtvis påminner det mig bara på avstånd. Här finns olika skalor, olika, mycket mer subtila mekanismer. Och frågan är helt naturlig här: bevaras de värdefulla egenskaperna hos enzymer alls efter att sådana operationer har utförts på dem?

Och det visade sig: ja, det är de. Dessutom har immobiliserade enzymer, medan de behåller en betydande del av den katalytiska aktiviteten, i många fall en signifikant ökad stabilitet.

Du förstår vad som kan göras om platsen för dagens katalysatorer, ganska grova, "oflexibla" jämfört med enzymer, tas inom industri, jordbruk, medicin av nya acceleratorer och reaktionshämmare som har alla de bästa egenskaperna hos enzymer, men samtidigt tidsresistens för konstgjorda katalysatorer. Om sådana "centaurer" ordentligt "utnyttjas" i ekonomin, tvingas arbeta för sina behov med fullt engagemang, kan detta leda till en allvarlig ökning av produktionseffektiviteten.

Det är ingen tillfällighet att stora förhoppningar nu sätts på denna nya forskningsgren - den så kallade "engineering fermentology". Det lovar att betydligt förenkla många branscher och skapa fundamentalt nya. Trots de extra kostnaderna för produktion av immobiliserade enzymer gör möjligheten till upprepad användning av den nya tekniken ekonomiskt motiverad.

Forskare förväntar sig att med användning av immobiliserade enzymer i framtiden kommer det att vara möjligt att lösa ett antal komplexa problem med inte bara fin organisk syntes utan också kemisk energi, till exempel för att skapa biokatalytiska system för fixering av atmosfäriskt kväve, syntes av flytande organiskt bränsle från koldioxid och naturgas.

Det säger sig självt att lösningen av dessa och andra tillämpade problem relaterade till biologisk katalys endast är möjlig med en tillräckligt hög nivå av grundläggande forskning om enzymers struktur och funktion. Många forskningsinstitut och universitet är involverade i enzymernas kemi och biokemi. Inhemska forskare har gjort ett antal stora, internationellt erkända bidrag till detta vetenskapsområde.

Människan tävlade med naturen i områden som verkade i grunden oåtkomliga först igår. Att bemästra enzymernas hemligheter, tvinga dem att tjäna sig själva, öka deras välbefinnande, skydda deras hälsa, skriver han en ny sida i den stora boken med vår kunskap om världen.

A. Braunstein

Liknande publikationer

Vad är en bur?

Hur proteinstrukturer byggs

Neurala impulser och RNA