Биолошки акцелератори

Као што сведоче легенде и народне приче о давнини, људи су од памтивека припремали вино од сока од грожђа, правили сир од киселог млека, стрелицама ударали непријатеље и дивље животиње чији су врхови били засићени смртоносним отровом. Човек је приметио и користио многе невероватне трансформације које се дешавају у живим организмима и материјалима који су од њих узети, попут коагулације крви, сазревања (и разлагања) меса, рибе и биљних производа. Али зашто се све ово догађа, дуго није могао да објасни. Тек почетком 19. века у биолошким објектима откривене су активне супстанце које изазивају такве трансформације.

Зову се ензими. Показало се да су први чисти ензими изоловани 30-их година двадесетог века у облику кристала протеини, а сви касније добијени (сада их има око две хиљаде) такође су посебне врсте протеина.

Сада знамо да су ензими на много начина неизмерно супериорнији од вештачких катализатора. Пре свега снагом акције. Хиљаде хемијских реакција се јављају у живим организмима уз учешће ензима без високих температура и притисака милионима и милијардама пута брже него у присуству најбољих хемијских катализатора.

Ензими имају још једну предност - ону најважнију. Од вештачких катализатора разликују се по упечатљивој рационалности својих поступака, строго усмереним и најефикаснијим. Сваки ензим делује оптимално, без тражења „оптималних технолошких решења“, претварајући само једно или групу уско повезаних једињења. Штавише, трансформише се у строго дефинисаном правцу.

То су невероватне способности које су ензими пронашли. Међутим, знајући пуно о њиховим својствима, истраживачи, чак и на прагу нашег века, нису могли да одговоре на питање шта су. Истина, чак и тада су такви истакнути научници као И. Павлов, А. Бацх, Е. Фисцхер, Ф. Хопкинс били уверени да витална активност било ког организма, метаболизам није ништа друго до скуп безбројних хемијских реакција које се јављају у живим ћелијама строго уређених . А ензими су врста „службеника за спровођење закона“ (тачније, њихови организатори). Отуда је јасно какву важну улогу имају у метаболизму. А он је заузврат основа свих биолошких функција: исхране, репродукције, развоја, наследности, раздражљивости, покретљивости.

Уосталом, чему служе ти „мистериозни странци“ - ензими? Требале су године рада, размишљања и експериментисања пре него што је постало јасно да у организмима не само да убрзавају метаболичке реакције, већ служе и као важан алат за „радне“ делове ћелија. Ово су први пут показали 30-их година прошлог века В. Енгелхардт и М. Лиубимова. Открили су да су контрактилни протеин мишића и ензим који ослобађа енергију за контракцију идентични. Енгелхардт је сугерисао да ензими чине битан део целокупне масе ћелијских протеина.

Ова идеја је у потпуности потврђена. Штавише, испоставило се да су изузетно важни органи ћелија, повезани са синтезом протеина, преносом супстанци, ћелијским дисањем, изграђени углавном од посебних ензимских протеина. Другим речима, ензими се постављају тачно тамо где су потребни као суптилан инструмент хемијске трансформације.

Читалац се може запитати: да ли је толико важно, где је који ензим „регистрован“? Главна ствар је знати како то функционише. Испоставља се да је „топографија“ у овом случају изузетно важна не само за науку, већ и за праксу. Напокон, ензими не само да убрзавају реакције.Они сами су заузврат циљани деловањем већине биолошки активних једињења - витамина, хормона, антибиотика, лековитих супстанци и отрова.

Да ли треба да објасним који су изгледи испуњени прецизном дефиницијом „координата“ одређених ензима и способношћу да утичу на њихово деловање. На пример, сложена органска једињења која нападају један од ензима неопходних за функционисање нервних центара показала су се моћним лечењем неколико тешких очних и нервних болести. Разјашњавајући структуру и функције ензима, наука тражи начине за практичну контролу физиолошких процеса и нове начине заштите живих организама од штетних ефеката.

У данашње време познато је више од пет стотина урођених метаболичких дефеката код људи, чији је узрок наследно, генетски одређено кршење синтезе одређеног ензима. Тако, на пример, урођено одсуство ензима који убрзава последњу фазу биосинтезе аминокиселине тирозин доводи до оштрих поремећаја у физичком и менталном развоју деце. Дефекти у стварању одређених ензима у метаболизму шећера резултирају опасним поремећајима у стабилности крвних зрнаца.

Ненадмашна селективност деловања ензима чини их непроцењивим реагенсима за биохемијску анализу - мерење садржаја одређеног шећера, аминокиселина итд. У сложеној смеши сличних, сродних једињења, као и за потребе фине органске синтезе. Тако је употреба ензимских препарата (или микробних ћелија богатих њима) у индустрији вишеструко смањила трошкове таквих важних биохемијских препарата као што су аскорбинска киселина и стероидни хормони.

Данас су у већини технички развијених земаља створена специјализована предузећа која производе ензимске препарате. Ови лекови се користе у многим областима лаке, прехрамбене и фармацеутске индустрије, појачавају и смањују трошкове производње. На пример, њихова употреба може повећати хранљиву вредност сточне хране.

Чини се да су могућности употребе таквих лекова бескрајне. Али у ствари, упркос изузетним каталитичким својствима ензима, њихова практична употреба донедавно је била релативно ограничена. Узрок? Нестабилност ензима и потешкоће њиховог одвајања од производа реакције. Ово је искључило поновну употребу ензима и учинило је ову методу непрофитабилном у многим случајевима.

Недавно су ови недостаци углавном превазиђени. Овде је помогла метода такозване имобилизације ензима. Шта ако је нестабилни ензим везан јаким хемијским везама или другим средствима за полимерно нерастворљиве носаче различите природе - деривате целулозе, јоноизмењивачке пластике, порозне чаше, органосиликатне геле? Овај принцип помало подсећа на калемљење јужних сорти јаблана на северне сорте отпорне на мраз. Али, наравно, само из даљине то подсећа. Овде су различите скале, различити, много суптилнији механизми. И питање је овде сасвим природно: да ли су вредни квалитети ензима уопште сачувани након што се на њима врше такве операције?

И испоставило се: да, јесу. Штавише, имобилисани ензими, задржавајући значајан део каталитичке активности, у многим случајевима имају значајно повећану стабилност.

Разумете шта се може учинити ако места данашњих катализатора, прилично груба, „нефлексибилна“ у поређењу са ензимима, у индустрији, пољопривреди, медицини заузму нови акцелератори и успоривачи реакције који поседују све најбоље квалитете ензима, али истовремено време отпора вештачких катализатора. Ако су такви „кентаури“ правилно „упрегнути“ у економију, приморани да раде за своје потребе с пуном преданошћу, то може довести до озбиљног повећања ефикасности производње.

Није случајно што се велике наде полажу у ову нову грану истраживања - такозвану „инжењерску ферментологију“. Обећава да ће знатно поједноставити многе индустрије и створити фундаментално нове. Упркос додатним трошковима за производњу имобилисаних ензима, могућност њихове поновне употребе чини нову технологију економски оправданом.

Научници очекују да ће уз употребу имобилисаних ензима у будућности бити могуће приступити решавању низа сложених проблема не само фине органске синтезе, већ и хемијске енергије, на пример, стварања биокатализаторских система за фиксирање атмосферских азот, синтеза течног органског горива из угљен-диоксида и природног гаса.

Подразумева се да је решење ових и других примењених проблема повезаних са биолошком катализом могуће само уз довољно висок ниво темељних истраживања структуре и функције ензима. Хемија и биохемија ензима укључени су у многе истраживачке институте и високошколске установе. Домаћи научници дали су велики број међународно признатих доприноса овој области науке.

Човек је ушао у конкуренцију са природом у областима која су се чинила фундаментално неприступачна тек јуче. Савладавајући тајне ензима, приморавајући их да служе себи, повећавају своје благостање, штите своје здравље, он пише нову страницу у сјајној књизи нашег знања о свету.

А. Браунстеин

Сличне публикације

Шта је кавез?

Како се граде протеинске структуре

Неуронски импулси и РНК