Acceleratoare biologice

După cum mărturisesc legendele și poveștile populare ale antichității, oamenii din timpuri imemoriale au pregătit vin din suc de struguri, au făcut brânză din lapte acru, au lovit cu săgeți dușmanii și animalele sălbatice, ale căror vârfuri erau saturate cu otravă de moarte. Omul a observat și folosit multe transformări uimitoare care au loc în organismele vii și în materialele preluate din acestea, cum ar fi coagularea sângelui, coacerea (și descompunerea) cărnii, peștelui și a produselor vegetale. Dar de ce se întâmplă toate acestea, el nu a putut explica mult timp. Abia la începutul secolului al XIX-lea au fost descoperite substanțe active care cauzează astfel de transformări în obiecte biologice.

Se numesc enzime. Primele enzime pure izolate în anii 30 ai secolului XX sub formă de cristale s-au dovedit a fi proteine ​​și toate obținute ulterior (acum sunt aproximativ două mii dintre ele) sunt, de asemenea, tipuri speciale de proteine.

Știm acum că enzimele sunt nemăsurabil de superioare catalizatorilor artificiali în multe feluri. În primul rând, forța acțiunii. Mii de reacții chimice apar în organismele vii, cu participarea enzimelor fără temperaturi ridicate și presiuni de milioane și miliarde de ori mai rapide decât în ​​prezența celor mai buni catalizatori chimici.

Enzimele au un alt avantaj - cel mai important. Ele diferă de catalizatorii artificiali prin raționalitatea izbitoare a acțiunilor lor, strict direcționate și mai eficiente. Fiecare enzimă funcționează optim, fără a căuta „soluții tehnologice optime”, transformând doar unul sau un grup de compuși strâns înrudiți. Mai mult, se transformă într-o direcție strict definită.

Acestea sunt abilitățile uimitoare pe care le-au găsit enzimele. Cu toate acestea, știind multe despre proprietățile lor, cercetătorii, chiar și în pragul secolului nostru, nu au putut răspunde la întrebarea despre ce sunt. Este adevărat, chiar și atunci oameni de știință remarcabili precum I. Pavlov, A. Bach, E. Fischer, F. Hopkins erau convinși că activitatea vitală a oricărui organism, metabolismul nu este altceva decât un set de nenumărate reacții chimice care apar în celulele vii strict ordonate . Iar enzimele sunt genul de „ofițeri de aplicare a legii” (sau mai bine zis, organizatorii săi). Prin urmare, este clar ce rol important joacă în metabolism. Și el, la rândul său, stă la baza tuturor funcțiilor biologice: nutriție, reproducere, dezvoltare, ereditate, iritabilitate, mobilitate.

La urma urmei, la ce servesc acești „străini misterioși” - enzime? A fost nevoie de ani de muncă, reflecție și experimentare înainte să devină clar că în organisme ele nu numai că accelerează reacțiile metabolice, ci servesc și ca instrumente importante pentru părțile „de lucru” ale celulelor. Acest lucru a fost arătat pentru prima dată în anii 30 ai secolului trecut de V. Engelhardt și M. Lyubimova. Au descoperit că proteina contractilă musculară și enzima care eliberează energie pentru contracție sunt identice. Engelhardt a sugerat că enzimele constituie o parte esențială a întregii mase de proteine ​​celulare.

Această idee a fost confirmată pe deplin. Mai mult, s-a dovedit că organele extrem de importante ale celulelor, asociate cu sinteza proteinelor, transferul substanțelor, respirația celulară, sunt construite în principal din proteine ​​enzimatice speciale. Cu alte cuvinte, enzimele sunt plasate exact acolo unde sunt necesare ca instrument subtil de transformare chimică.

Cititorul se poate întreba: este atât de important, unde este care enzimă este „înregistrată”? Principalul lucru este să știți cum funcționează. Se pare că „topografia” în acest caz este extrem de importantă nu numai pentru știință, ci și pentru practică. La urma urmei, enzimele nu numai că accelerează reacțiile.La rândul lor, ei înșiși sunt vizați de acțiunea celor mai mulți compuși biologic activi - vitamine, hormoni, antibiotice, substanțe medicamentoase și otrăvuri.

Este necesar să explicăm ce perspective sunt pline atât de definiția exactă a „coordonatelor” anumitor enzime, cât și de capacitatea de a influența acțiunea lor. De exemplu, compușii organici complexi care vizează una dintre enzimele esențiale pentru funcționarea centrelor nervoase s-au dovedit a fi un tratament puternic pentru mai multe boli oculare și nervoase severe. Elucidând structura și funcțiile enzimelor, știința caută modalități de control practic a proceselor fiziologice și noi modalități de a proteja organismele vii de efectele dăunătoare.

În zilele noastre sunt cunoscute mai mult de cinci sute de defecte metabolice congenitale la om, a căror cauză este o încălcare ereditară, determinată genetic, a sintezei unei anumite enzime. Deci, de exemplu, absența congenitală a unei enzime care accelerează ultima etapă a biosintezei aminoacizilor tirozină, duce la o întrerupere accentuată a dezvoltării fizice și mentale a copiilor. Defectele formării anumitor enzime ale metabolismului zahărului duc la tulburări periculoase ale stabilității celulelor sanguine.

Selectivitatea de neegalat a acțiunii enzimelor le face reactivi de neprețuit pentru analiza biochimică - măsurarea conținutului unui anumit zahăr, aminoacizi etc. într-un amestec complex de compuși similari, înrudiți, precum și în scopul sintezei organice fine. Astfel, utilizarea preparatelor enzimatice (sau a celulelor microbiene bogate în ele) în industrie a redus costul unor preparate biochimice atât de importante precum acidul ascorbic și hormonii steroizi de multe ori.

Astăzi, în majoritatea țărilor dezvoltate tehnic, au fost create întreprinderi specializate care produc preparate enzimatice. Aceste medicamente sunt utilizate în multe domenii ale industriei ușoare, alimentare și farmaceutice, intensificând și reducând costurile de producție. De exemplu, utilizarea lor poate crește valoarea nutrițională a furajelor în creșterea animalelor.

S-ar părea că posibilitățile de utilizare a acestor medicamente sunt nelimitate. De fapt, în ciuda proprietăților catalitice remarcabile ale enzimelor, utilizarea lor practică până de curând a fost relativ limitată. Cauză? Instabilitatea enzimelor și dificultatea separării acestora de produsele de reacție. Aceasta a exclus reutilizarea enzimelor și a făcut ca această metodă să nu fie rentabilă în multe cazuri.

Recent, aceste neajunsuri au fost depășite în mare măsură. Metoda așa-numitei imobilizări a enzimelor a ajutat aici. Ce se întâmplă dacă o enzimă instabilă este atașată folosind legături chimice puternice sau alte metode de purtători insolubili polimerici de diferite naturi - derivați de celuloză, materiale plastice cu schimb de ioni, pahare poroase, geluri organosilicate? Acest principiu amintește într-o oarecare măsură de altoirea soiurilor de mere din sud către cele din nord rezistente la îngheț. Dar, desigur, amintește doar de la distanță. Iată diferite scale, mecanisme diferite, mult mai subtile. Și întrebarea este destul de naturală aici: sunt calitățile valoroase ale enzimelor păstrate deloc după ce au fost efectuate astfel de operații?

Și s-a dovedit: da, sunt. Mai mult, enzimele imobilizate, păstrând în același timp o parte semnificativă a activității lor catalitice, au în multe cazuri o stabilitate crescută semnificativ.

Înțelegeți ce se poate face dacă locul catalizatorilor de astăzi, destul de grosier, „inflexibil” în comparație cu enzimele, este luat în industrie, agricultură, medicină de noi acceleratori și întârzieri de reacție care au toate cele mai bune calități ale enzimelor, dar la nivelul în același timp, rezistența catalizatorilor artificiali. Dacă astfel de „centauri” sunt „valorificați” în mod corespunzător în economie, forțați să lucreze pentru nevoile sale cu dedicare deplină, acest lucru poate duce la o creștere serioasă a eficienței producției.

Nu este o coincidență faptul că acum există mari speranțe pe această nouă ramură a cercetării - așa-numita „fermentologie inginerească”. Promite să simplifice semnificativ multe industrii și să creeze în mod fundamental noi. În ciuda costurilor suplimentare pentru producerea de enzime imobilizate, posibilitatea utilizării lor repetate face ca noua tehnologie să fie justificată economic.

Oamenii de știință se așteaptă ca odată cu utilizarea enzimelor imobilizate în viitor, să fie posibil să se rezolve o serie de probleme complexe, nu numai de sinteză organică fină, ci și de energie chimică, de exemplu, la crearea sistemelor biocatalitice pentru fixarea azotului atmosferic, sinteza de combustibil organic lichid din dioxid de carbon și gaze naturale.

Este de la sine înțeles că soluția acestor și a altor probleme aplicate asociate cu cataliza biologică este posibilă numai cu un nivel suficient de ridicat de cercetare fundamentală asupra structurii și funcției enzimelor. Chimia și biochimia enzimelor sunt implicate în multe institute de cercetare și instituții de învățământ superior. Oamenii de știință domestici au adus o serie de contribuții majore recunoscute la nivel internațional în acest domeniu al științei.

Omul a intrat în competiție cu natura în domenii care păreau fundamental inaccesibile abia ieri. Stăpânind secretele enzimelor, forțându-le să se servească singure, să le sporească bunăstarea, să le protejeze sănătatea, el scrie o nouă pagină în marea carte a cunoștințelor noastre despre lume.

A. Braunstein

Publicații similare

Ce este o cușcă?

Cum sunt construite structurile proteice

Impulsuri neuronale și ARN