Biologické urychlovače

Jak svědčí legendy a lidové příběhy starověku, lidé od nepaměti připravovali víno z hroznové šťávy, vyráběli sýr z kyselého mléka, zasáhli nepřátele a divoká zvířata šípy, jejichž špičky byly nasyceny smrtícím jedem. Člověk pozoroval a používal mnoho úžasných transformací probíhajících v živých organismech a materiálech z nich získaných, jako je srážení krve, zrání (a rozklad) masa, ryb a rostlinných produktů. Ale proč se to všechno děje, nemohl dlouho vysvětlovat. Teprve na počátku 19. století byly objeveny účinné látky v biologických objektech, které takové transformace způsobují.

Říká se jim enzymy. První čisté enzymy izolované ve 30. letech dvacátého století ve formě krystalů se ukázaly jako proteiny a všechny získané později (nyní je jich asi dva tisíce) jsou také speciálními typy proteinů.

Nyní víme, že enzymy jsou v mnoha ohledech nesmírně lepší než umělé katalyzátory. Za prvé, síla akce. Tisíce chemických reakcí probíhají v živých organismech za účasti enzymů bez vysokých teplot a tlaků milionkrát a miliardkrát rychleji než v přítomnosti nejlepších chemických katalyzátorů.

Enzymy mají další výhodu - nejdůležitější. Liší se od umělých katalyzátorů v nápadné racionalitě svých akcí, přísně řízených a nejúčinnějších. Každý enzym funguje optimálně, aniž by hledal „optimální technologická řešení“, převádějící pouze jednu nebo skupinu blízce příbuzných sloučenin. Navíc se transformuje přísně definovaným směrem.

To jsou úžasné schopnosti, které enzymy našli. Vědci však věděli hodně o jejich vlastnostech, dokonce ani na prahu našeho století, nemohli odpovědět na otázku, o co jde. Je pravda, že už tehdy byli tak významní vědci jako I. Pavlov, A. Bach, E. Fischer, F. Hopkins přesvědčeni, že životně důležitá aktivita jakéhokoli organismu, metabolismus není nic jiného než sada bezpočtu chemických reakcí probíhajících v živých buňkách přísně objednané. A enzymy jsou druhem „policistů“ (nebo spíše jeho organizátorů). Je tedy jasné, jakou důležitou roli hrají v metabolismu. A on je zase základem všech biologických funkcí: výživa, reprodukce, vývoj, dědičnost, podrážděnost, mobilita.

Koneckonců, k čemu jsou tito „záhadní cizinci“ - enzymy? Trvalo roky práce, reflexe a experimentování, než se ukázalo, že v organismech nejen urychlují metabolické reakce, ale slouží také jako důležitý nástroj pro „pracovní“ části buněk. Poprvé to ukázali ve 30. letech minulého století V. Engelhardt a M. Lyubimova. Zjistili, že svalový kontraktilní protein a enzym, který uvolňuje energii pro kontrakci, jsou identické. Engelhardt navrhl, že enzymy tvoří podstatnou součást celé hmoty buněčných proteinů.

Tato myšlenka byla plně potvrzena. Navíc se ukázalo, že nesmírně důležité orgány buněk, spojené se syntézou bílkovin, přenosem látek, buněčným dýcháním, jsou postaveny hlavně ze speciálních enzymatických proteinů. Jinými slovy, enzymy jsou umístěny přesně tam, kde jsou potřebné, jako jemný nástroj chemické transformace.

Čtenář se může zeptat: je to tak důležité, kde je který enzym „registrován“? Hlavní věc je vědět, jak to funguje. Ukazuje se, že „topografie“ je v tomto případě nesmírně důležitá nejen pro vědu, ale také pro praxi. Koneckonců, enzymy nejen urychlují reakce.Sami jsou zase terčem působení většiny biologicky aktivních látek - vitamínů, hormonů, antibiotik, léčivých látek a jedů.

Musím vysvětlit, jaké vyhlídky jsou spojeny s přesnou definicí „souřadnic“ určitých enzymů a schopností ovlivňovat jejich působení. Například komplexní organické sloučeniny, které útočí na jeden z enzymů nezbytných pro fungování nervových center, se ukázaly jako účinná léčba několika závažných očních a nervových onemocnění. Věda, která vyjasňuje strukturu a funkce enzymů, hledá způsoby praktické kontroly fyziologických procesů a nové způsoby ochrany živých organismů před škodlivými účinky.

V současné době je známo více než pět set vrozených metabolických vad u lidí, jejichž příčinou je dědičné, geneticky podmíněné narušení syntézy určitého enzymu. Například vrozená nepřítomnost enzymu, který zrychluje poslední fázi biosyntézy aminokyseliny tyrosinu, vede k prudkému narušení tělesného a duševního vývoje dětí. Poruchy tvorby určitých enzymů metabolismu cukru vedou k nebezpečným poruchám stability krevních buněk.

Nepřekonatelná selektivita působení enzymů z nich dělá neocenitelná činidla pro biochemickou analýzu - měření obsahu určitého cukru, aminokyselin atd. Ve složité směsi podobných, příbuzných sloučenin i pro účely jemné organické syntézy. Použití enzymových přípravků (nebo mikrobiálních buněk na ně bohatých) v průmyslu tedy mnohokrát snížilo náklady na tak důležité biochemické přípravky, jako je kyselina askorbová a steroidní hormony.

Dnes ve většině technicky vyspělých zemí vznikly specializované podniky, které vyrábějí enzymatické přípravky. Tyto léky se používají v mnoha oblastech lehkého, potravinářského a farmaceutického průmyslu, zvyšují a snižují výrobní náklady. Například jejich použití může zvýšit nutriční hodnotu krmiva v chovu zvířat.

Zdá se, že možnosti užívání těchto léků jsou nekonečné. Ale ve skutečnosti, navzdory pozoruhodným katalytickým vlastnostem enzymů, bylo jejich praktické využití donedávna relativně omezené. Způsobit? Nestabilita enzymů a obtížnost jejich oddělování od reakčních produktů. To vyloučilo opětovné použití enzymů a v mnoha případech se tato metoda stala nerentabilní.

V poslední době byly tyto nedostatky do značné míry překonány. Zde pomohla metoda tzv. Imobilizace enzymů. Co když je nestabilní enzym připojen pomocí silných chemických vazeb nebo jinými způsoby k polymerním nerozpustným nosičům různé povahy - deriváty celulózy, iontoměničové plasty, porézní skla, organokřemičité gely? Tento princip poněkud připomíná roubování jižních odrůd jabloní na mrazuvzdorné severní odrůdy. Ale samozřejmě mi to připomíná jen z dálky. Zde jsou různá měřítka, různé, mnohem jemnější mechanismy. A otázka je zde zcela přirozená: jsou vůbec zachovány cenné vlastnosti enzymů po provedení těchto operací?

A ukázalo se: ano, jsou. Navíc imobilizované enzymy mají v mnoha případech významně zvýšenou stabilitu, zatímco si zachovávají významnou část katalytické aktivity.

Chápete, co lze udělat, pokud místo dnešních katalyzátorů, spíše hrubých, „nepružných“ ve srovnání s enzymy, vezmou v průmyslu, zemědělství, medicíně nové urychlovače a zpomalovače reakce, které mají všechny nejlepší vlastnosti enzymů, ale zároveň odolnost umělých katalyzátory. Jsou-li takoví „kentauri“ správně „využiti“ v ekonomice, kteří jsou nuceni pracovat pro své potřeby s plným nasazením, může to vést k vážnému zvýšení efektivity výroby.

Není náhodou, že v tuto novou oblast výzkumu - takzvanou „strojírenskou fermentologii“ - vkládají velké naděje. Slibuje, že významně zjednoduší mnoho průmyslových odvětví a vytvoří zásadně nová odvětví. Navzdory dodatečným nákladům na výrobu imobilizovaných enzymů je díky možnosti jejich vícenásobného použití nová technologie ekonomicky oprávněná.

Vědci očekávají, že s využitím imobilizovaných enzymů bude v budoucnu možné vyřešit řadu složitých problémů nejen jemné organické syntézy, ale také chemické energie, například vytvoření biokatalytických systémů pro fixaci atmosférického dusíku, syntézy kapalného organického paliva z oxidu uhličitého a zemního plynu.

Je samozřejmé, že řešení těchto a dalších aplikovaných problémů souvisejících s biologickou katalýzou je možné pouze při dostatečně vysoké úrovni základního výzkumu struktury a funkce enzymů. Chemie a biochemie enzymů jsou zapojeny do mnoha výzkumných ústavů a ​​vysokých škol. Domácí vědci do této oblasti vědy přispěli řadou významných mezinárodně uznávaných příspěvků.

Člověk vstoupil do soutěže s přírodou v oblastech, které se teprve včera zdály zásadně nepřístupné. Osvojuje si tajemství enzymů, nutí je, aby sloužili sami sobě, zvyšovali svou pohodu, chránili své zdraví, píše novou stránku do skvělé knihy našich znalostí o světě.

A. Braunstein

Podobné publikace

Co je to klec?

Jak se vytvářejí proteinové struktury

Nervové impulsy a RNA