Bioloģiskie paātrinātāji

Kā liecina senatnes leģendas un tautas pasakas, cilvēki kopš neatminamiem laikiem ir gatavojuši vīnu no vīnogu sulas, gatavojuši sieru no rūgušpiena, situši ienaidniekus un savvaļas dzīvniekus ar bultiņām, kuru gali bija piesātināti ar nāvējošu indi. Cilvēks ir novērojis un izmantojis daudzas apbrīnojamas pārmaiņas, kas notiek dzīvajos organismos un no tiem ņemtajos materiālos, piemēram, asins sarecēšana, gaļas, zivju un augu produktu nogatavošanās (un sadalīšanās). Bet kāpēc tas viss notiek, viņš ilgi nevarēja izskaidrot. Tikai 19. gadsimta sākumā bioloģiskajos objektos tika atklātas aktīvās vielas, kas izraisīja šādas transformācijas.

Tos sauc par fermentiem. Pirmie tīrie fermenti, kas izdalīti divdesmitā gadsimta 30. gados kristālu formā, izrādījās olbaltumvielas, un visi vēlāk iegūtie (tagad to ir apmēram divi tūkstoši) ir arī īpaši olbaltumvielu veidi.

Tagad mēs zinām, ka fermenti daudzos veidos ir neizmērojami pārāki par mākslīgajiem katalizatoriem. Pirmkārt, ar darbības spēku. Dzīvajos organismos notiek tūkstošiem ķīmisko reakciju, piedaloties fermentiem bez augstas temperatūras un spiediena miljoniem un miljardiem reižu ātrāk nekā labāko ķīmisko katalizatoru klātbūtnē.

Fermentiem ir vēl viena priekšrocība - vissvarīgākā. Viņi no mākslīgajiem katalizatoriem atšķiras ar savu darbību pārsteidzošo racionalitāti, stingri virzīti un visefektīvāk. Katrs ferments darbojas optimāli, nemeklējot "optimālus tehnoloģiskos risinājumus", pārveidojot tikai vienu vai cieši saistītu savienojumu grupu. Turklāt tas pārveidojas stingri noteiktā virzienā.

Šīs ir pārsteidzošās spējas, kuras fermenti ir atraduši. Tomēr, daudz zinot par to īpašībām, pētnieki pat uz mūsu gadsimta sliekšņa nevarēja atbildēt uz jautājumu, kas viņi ir. Patiesi, toreiz tādi izcili zinātnieki kā I. Pavlovs, A. Bahs, E. Fišers, F. Hopkinss bija pārliecināti, ka jebkura organisma vitālā aktivitāte, vielmaiņa, nav nekas cits kā neskaitāmu ķīmisko reakciju kopums, kas notiek dzīvās šūnās. . Un fermenti ir sava veida "kārtības sargi" (vai drīzāk tā organizatori). Tāpēc ir skaidrs, kāda ir svarīga loma vielmaiņā. Un viņš, savukārt, ir visu bioloģisko funkciju pamats: uzturs, reprodukcija, attīstība, iedzimtība, aizkaitināmība, mobilitāte.

Galu galā, kam šie "noslēpumainie svešinieki" ir - fermenti? Pagāja gadu darbs, pārdomas un eksperimenti, pirms kļuva skaidrs, ka organismos tie ne tikai paātrina vielmaiņas reakcijas, bet arī kalpo par svarīgiem instrumentiem šūnu "darba" daļām. Pirmo reizi to pagājušā gadsimta 30. gados parādīja V. Engelhards un M. Ļubimova. Viņi atklāja, ka muskuļu saraušanās proteīns un ferments, kas atbrīvo enerģiju kontrakcijai, ir identiski. Engelhards ieteica, ka fermenti veido būtisku daļu no visas šūnu olbaltumvielu masas.

Šī ideja tika pilnībā apstiprināta. Turklāt izrādījās, ka ārkārtīgi svarīgi šūnu orgāni, kas saistīti ar olbaltumvielu sintēzi, vielu pārnešanu, šūnu elpošanu, katrs galvenokārt tiek veidots no īpašiem enzīmu proteīniem. Citiem vārdiem sakot, fermenti tiek novietoti tieši tur, kur tie nepieciešami kā smalks ķīmiskās pārveidošanas instruments.

Lasītājs var jautāt: vai tas ir tik svarīgi, kur ir tas, kurš ferments ir "reģistrēts"? Galvenais ir zināt, kā tas darbojas. Izrādās, ka "topogrāfija" šajā gadījumā ir ārkārtīgi svarīga ne tikai zinātnei, bet arī praksei. Galu galā fermenti ne tikai paātrina reakcijas.Savukārt uz tiem pašiem mērķtiecīgi darbojas lielākā daļa bioloģiski aktīvo savienojumu - vitamīni, hormoni, antibiotikas, ārstnieciskas vielas un indes.

Vai man jāpaskaidro, kādas perspektīvas ir saistītas ar precīzu noteiktu enzīmu "koordinātu" definīciju un spēju ietekmēt to darbību. Piemēram, kompleksie organiskie savienojumi, kuru mērķis ir viens no nervu centru darbībai būtiskiem enzīmiem, ir izrādījušies spēcīgs līdzeklis vairāku smagu acu un nervu slimību ārstēšanai. Atklājot fermentu struktūru un funkcijas, zinātne meklē fizioloģisko procesu praktiskas kontroles veidus un jaunus veidus, kā aizsargāt dzīvos organismus no kaitīgas ietekmes.

Mūsdienās cilvēkiem ir zināmi vairāk nekā pieci simti iedzimtu vielmaiņas defektu, kuru cēlonis ir iedzimts, ģenētiski noteikts noteikta fermenta sintēzes pārkāpums. Tā, piemēram, iedzimts fermenta trūkums, kas paātrina aminoskābes tirozīna biosintēzes pēdējo posmu, noved pie krasiem bērnu fiziskās un garīgās attīstības traucējumiem. Dažu cukura metabolisma enzīmu veidošanās defektu rezultātā rodas bīstami asins šūnu stabilitātes traucējumi.

Fermentu darbības nepārspējamā selektivitāte padara tos par nenovērtējamu reaģentu bioķīmiskajai analīzei - noteikta cukura, aminoskābes utt. Satura mērīšanai līdzīgu, radniecīgu savienojumu kompleksā maisījumā, kā arī smalkas organiskās sintēzes vajadzībām. Tādējādi fermentu preparātu (vai ar tiem bagātu mikrobu šūnu) izmantošana rūpniecībā daudzkārt samazināja tādu svarīgu bioķīmisko preparātu kā askorbīnskābe un steroīdu hormoni izmaksas.

Mūsdienās lielākajā daļā tehniski attīstīto valstu ir izveidoti specializēti uzņēmumi, kas ražo fermentu preparātus. Šīs zāles lieto daudzās gaismas, pārtikas un farmācijas nozarēs, pastiprina un samazina ražošanas izmaksas. Piemēram, to izmantošana var palielināt lopbarības uzturvērtību lopkopībā.

Šķiet, ka šādu narkotiku lietošanas iespējas ir bezgalīgas. Bet patiesībā, neraugoties uz fermentu ievērojamajām katalītiskajām īpašībām, to praktiskā izmantošana vēl nesen bija salīdzinoši ierobežota. Izraisīt? Fermentu nestabilitāte un grūtības tos atdalīt no reakcijas produktiem. Tas izslēdza fermentu atkārtotu izmantošanu un daudzos gadījumos padarīja šo metodi nerentablu.

Nesen šīs nepilnības lielā mērā ir novērstas. Šeit palīdzēja tā sauktās fermentu imobilizācijas metode. Ko darīt, ja nestabils ferments, izmantojot spēcīgas ķīmiskās saites vai ar citiem līdzekļiem, tiek piesaistīts dažādu raksturu polimēros nešķīstošiem nesējiem - celulozes atvasinājumiem, jonu apmaiņas plastmasām, porainām glāzēm, organosilikāta želejām? Šis princips nedaudz atgādina dienvidu šķirņu ābeļu potēšanu uz salizturīgām ziemeļu šķirnēm. Bet, protams, tas man tikai atgādina no attāluma. Šeit ir dažādas skalas, dažādi, daudz smalkāki mehānismi. Un jautājums šeit ir diezgan dabisks: vai fermentu vērtīgās īpašības vispār tiek saglabātas pēc tam, kad ar tām tiek veiktas šādas operācijas?

Un izrādījās: jā, viņi ir. Turklāt imobilizētiem fermentiem, saglabājot ievērojamu katalītiskās aktivitātes daļu, daudzos gadījumos ir ievērojami palielināta stabilitāte.

Jūs saprotat, ko var darīt, ja mūsdienu katalizatoru vietu, kas ir diezgan rupja, "neelastīga" salīdzinājumā ar fermentiem, rūpniecībā, lauksaimniecībā, medicīnā ieņem jauni paātrinātāji un reakcijas palēninātāji, kuriem piemīt visas labākās fermentu īpašības, bet tajā pašā laikā laika mākslīgo katalizatoru pretestība. Ja šādi “kentauri” tiek atbilstoši “izmantoti” ekonomikā, spiesti ar pilnu atdevi strādāt tās vajadzībām, tas var nopietni palielināt ražošanas efektivitāti.

Nav nejaušība, ka tagad tiek liktas lielas cerības uz šo jauno pētījumu nozari - tā saukto "inženiertehnisko fermentoloģiju". Tas sola ievērojami vienkāršot daudzas nozares un radīt principiāli jaunas nozares. Neskatoties uz papildu izmaksām par imobilizētu enzīmu ražošanu, to atkārtotas izmantošanas iespēja padara jauno tehnoloģiju ekonomiski pamatotu.

Zinātnieki sagaida, ka, izmantojot imobilizētus enzīmus, nākotnē būs iespējams atrisināt vairākas sarežģītas problēmas, kas saistītas ne tikai ar smalkas organiskās sintēzes, bet arī ar ķīmisko enerģiju, piemēram, ar biokatalitisko sistēmu izveidi atmosfēras slāpekļa fiksēšanai, sintēzi organiskās degvielas no oglekļa dioksīda un dabasgāzes.

Pats par sevi saprotams, ka šo un citu ar bioloģisko katalīzi saistīto problēmu risināšana ir iespējama tikai ar pietiekami augstu fundamentālo pētījumu līmeni par fermentu struktūru un darbību. Fermentu ķīmija un bioķīmija ir iesaistīta daudzos pētniecības institūtos un augstākās izglītības iestādēs. Vietējie zinātnieki ir devuši vairākus nozīmīgus, starptautiski atzītus ieguldījumus šajā zinātnes jomā.

Cilvēks stājās konkurencē ar dabu apgabalos, kas pēc būtības šķita tikai vakar. Apgūstot fermentu noslēpumus, liekot tiem kalpot sev, paaugstināt viņu pašsajūtu, aizsargāt veselību, viņš raksta jaunu lappusi lielajā mūsu zināšanu grāmatā par pasauli.

A. Braunšteins

Līdzīgas publikācijas

Kas ir būris?

Kā tiek veidotas olbaltumvielu struktūras

Neironu impulsi un RNS