Biologiniai greitintuvai

Kaip liudija senovės legendos ir liaudies pasakos, žmonės nuo senų senovės ruošė vyną iš vynuogių sulčių, gamino sūrį iš rūgpienio, strėlėmis mušė priešus ir laukinius gyvūnus, kurių galiukai buvo prisotinti mirtinų nuodų. Žmogus pastebėjo ir naudojo daugybę nuostabių gyvų organizmų ir iš jų paimtų medžiagų transformacijų, tokių kaip kraujo krešėjimas, mėsos, žuvies ir augalinių produktų nokinimas (ir skaidymas). Bet kodėl visa tai vyksta, jis ilgai negalėjo paaiškinti. Tik XIX amžiaus pradžioje biologiniuose objektuose buvo aptiktos veikliosios medžiagos, sukeliančios tokias transformacijas.

Jie vadinami fermentais. Pirmieji gryni fermentai, išskirti dvidešimtojo amžiaus 30-aisiais kristalų pavidalu, pasirodė esantys baltymai, ir visi vėliau gauti (dabar jų yra apie du tūkstančiai) taip pat yra specialūs baltymų tipai.

Dabar žinome, kad fermentai daugeliu atžvilgių yra neišmatuojami pranašesni už dirbtinius katalizatorius. Visų pirma, veiksmo stiprumu. Gyvuose organizmuose vyksta tūkstančiai cheminių reakcijų, dalyvaujant fermentams be aukštos temperatūros ir milijonus ir milijardus kartų didesnio slėgio nei esant geriausiems cheminiams katalizatoriams.

Fermentai turi dar vieną pranašumą - svarbiausią. Nuo dirbtinių katalizatorių jie skiriasi nuo griežto savo veiksmų racionalumo, griežtai nukreipti ir efektyviausi. Kiekvienas fermentas veikia optimaliai, neieškodamas „optimalių technologinių sprendimų“, paversdamas tik vieną ar glaudžiai susijusių junginių grupę. Be to, jis transformuojasi griežtai apibrėžta kryptimi.

Tai yra nuostabūs sugebėjimai, kuriuos rado fermentai. Tačiau mokslininkai, daug žinodami apie jų savybes, net ir mūsų amžiaus slenksčiu negalėjo atsakyti į klausimą, kokie jie yra. Tiesa, jau tada tokie žymūs mokslininkai kaip I. Pavlovas, A. Bachas, E. Fischeris, F. Hopkinsas buvo įsitikinę, kad bet kurio organizmo gyvybinė veikla, medžiagų apykaita yra ne kas kita, kaip daugybė cheminių reakcijų, vykstančių gyvose ląstelėse, griežtai užsakytos . Fermentai yra savotiški „tvarkos sergėtojai“ (tiksliau, jos organizatoriai). Taigi aišku, kokį svarbų vaidmenį jie vaidina medžiagų apykaitoje. O jis savo ruožtu yra visų biologinių funkcijų pagrindas: mityba, dauginimasis, vystymasis, paveldimumas, dirglumas, judrumas.

Galų gale, kam šie „paslaptingi nepažįstami žmonės“ - fermentai? Prireikė daugybės metų darbo, apmąstymų ir eksperimentų, kol paaiškėjo, kad organizmuose jie ne tik pagreitina medžiagų apykaitos reakcijas, bet ir yra svarbūs įrankiai „darbinėms“ ląstelių dalims. Tai pirmą kartą praėjusio amžiaus 30-aisiais parodė V. Engelhardtas ir M. Lyubimova. Jie nustatė, kad raumenų susitraukiantis baltymas ir fermentas, išskiriantis energiją susitraukimui, yra identiški. Engelhardtas teigė, kad fermentai sudaro esminę visos ląstelių baltymų masės dalį.

Ši idėja buvo visiškai patvirtinta. Be to, paaiškėjo, kad itin svarbūs ląstelių organai, susiję su baltymų sinteze, medžiagų perdavimu, ląstelių kvėpavimu, kiekvienas yra pastatytas daugiausia iš specialių fermentinių baltymų. Kitaip tariant, fermentai dedami tiksliai ten, kur jie reikalingi kaip subtilus cheminio virsmo instrumentas.

Skaitytojas gali paklausti: ar tai taip svarbu, kur yra kuris fermentas yra „registruotas“? Svarbiausia žinoti, kaip tai veikia. Pasirodo, kad „topografija“ šiuo atveju yra be galo svarbi ne tik mokslui, bet ir praktikai. Juk fermentai ne tik pagreitina reakcijas.Jie patys savo ruožtu yra nukreipti į daugumos biologiškai aktyvių junginių - vitaminų, hormonų, antibiotikų, vaistinių medžiagų ir nuodų - veikimą.

Ar man reikia paaiškinti, kokias perspektyvas kelia tikslus tam tikrų fermentų „koordinačių“ apibrėžimas ir galimybė paveikti jų veikimą. Pavyzdžiui, sudėtingi organiniai junginiai, puolantys vieną iš nervų centrų funkcionavimui būtinų fermentų, pasirodė esąs galingas kelių sunkių akių ir nervų ligų gydymas. Išaiškindamas fermentų struktūrą ir funkcijas, mokslas ieško fiziologinių procesų praktinės kontrolės būdų ir naujų būdų apsaugoti gyvus organizmus nuo žalingo poveikio.

Šiais laikais yra žinoma daugiau kaip penki šimtai įgimtų medžiagų apykaitos defektų, kurių priežastis yra paveldimas, genetiškai nustatytas tam tikro fermento sintezės pažeidimas. Taigi, pavyzdžiui, įgimtas fermento, kuris pagreitina paskutinę aminorūgščių tirozino biosintezės stadiją, nebuvimas lemia staigų fizinės ir psichinės vaikų raidos sutrikimą. Dėl tam tikrų cukraus metabolizmo fermentų susidarymo defektų pavojingi kraujo ląstelių stabilumo sutrikimai.

Dėl nepralenkiamo fermentų veikimo selektyvumo jie tampa neįkainojamais reagentais atliekant biocheminę analizę - matuojant tam tikro cukraus, aminorūgščių ir kt. Kiekį sudėtingame panašių, panašių junginių mišinyje, taip pat smulkios organinės sintezės tikslais. Taigi fermentų preparatų (arba juose gausių mikrobinių ląstelių) naudojimas pramonėje daug kartų sumažino tokių svarbių biocheminių preparatų kaip askorbo rūgštis ir steroidiniai hormonai kainą.

Šiandien daugumoje techniškai išsivysčiusių šalių buvo įkurtos specializuotos įmonės, gaminančios fermentinius preparatus. Šie vaistai vartojami daugelyje šviesos, maisto ir farmacijos pramonės sričių, sustiprina ir sumažina gamybos sąnaudas. Pavyzdžiui, jų naudojimas gali padidinti pašarų maistinę vertę gyvulininkystėje.

Atrodytų, kad tokių narkotikų vartojimo galimybės yra begalinės. Tačiau iš tikrųjų, nepaisant puikių fermentų katalizinių savybių, jų praktinis naudojimas iki šiol buvo gana ribotas. Priežastis? Fermentų nestabilumas ir sunku juos atskirti nuo reakcijos produktų. Tai neleido pakartotinai naudoti fermentų ir daugeliu atvejų šis metodas buvo nuostolingas.

Pastaruoju metu šie trūkumai iš esmės buvo įveikti. Čia padėjo vadinamojo fermentų imobilizavimo metodas. Ką daryti, jei nestabilus fermentas tvirtomis cheminėmis jungtimis arba kitomis priemonėmis prijungiamas prie polimeruose netirpių įvairaus pobūdžio nešiklių - celiuliozės darinių, jonų mainų plastikų, akytų stiklų, organinių silikatinių gelių? Šis principas šiek tiek primena pietinių veislių obelų skiepijimą šalčiui atspariomis šiaurinėmis veislėmis. Bet, žinoma, tai tik iš tolo primena. Čia yra skirtingos skalės, skirtingi, daug subtilesni mechanizmai. Ir čia klausimas yra visiškai natūralus: ar atlikus tokias operacijas apskritai išsaugomos vertingos fermentų savybės?

Ir paaiškėjo: taip, jie yra. Be to, imobilizuoti fermentai, išlaikydami didelę katalizinio aktyvumo dalį, daugeliu atvejų turi žymiai padidėjusį stabilumą.

Jūs suprantate, ką galima padaryti, jei pramonėje, žemės ūkyje, medicinoje nauji greitintojai ir reakcijos lėtintojai, pasižymintys visomis geriausiomis fermentų savybėmis, bet tuo pačiu metu pramonėje, žemės ūkyje, medicinoje užima šiurkščią, „nelanksti“, palyginti su fermentais, katalizatorių vietą laiko dirbtinių katalizatorių atsparumą. Jei tokie „kentaurai“ bus tinkamai „panaudoti“ ekonomikai, priversti dirbti visapusiškai atsidavus savo poreikiams, tai gali rimtai padidinti gamybos efektyvumą.

Neatsitiktinai dabar dedamos didelės viltys į šią naują tyrimų šaką - vadinamąją „inžinerinę fermentologiją“. Žadama žymiai supaprastinti daugelį pramonės šakų ir sukurti iš esmės naujas. Nepaisant papildomų imobilizuotų fermentų gamybos sąnaudų, galimybė juos pakartotinai panaudoti daro naują technologiją ekonomiškai pagrįstą.

Mokslininkai tikisi, kad naudojant imobilizuotus fermentus ateityje bus galima išspręsti daugybę sudėtingų problemų, susijusių ne tik su smulkia organine sinteze, bet ir su chemine energija, pavyzdžiui, kuriant biokatalizines sistemas atmosferos azotui fiksuoti, skysto organinio kuro sintezė iš anglies dioksido ir gamtinių dujų.

Savaime suprantama, kad šių ir kitų taikomų problemų, susijusių su biologine katalize, sprendimas yra įmanomas tik atlikus pakankamai aukšto lygio fermentų struktūros ir funkcijos pagrindinius tyrimus. Fermentų chemija ir biochemija dalyvauja daugelyje mokslinių tyrimų institutų ir aukštųjų mokyklų. Vidaus mokslininkai įnešė daug svarbių, tarptautiniu mastu pripažintų indėlių į šią mokslo sritį.

Žmogus varžėsi su gamta tose srityse, kurios vakar atrodė iš esmės nepasiekiamos. Įvaldęs fermentų paslaptis, priversdamas juos tarnauti sau, didinti savijautą, saugoti savo sveikatą, jis parašo naują puslapį puikioje mūsų žinių apie pasaulį knygoje.

A. Braunsteinas

Panašūs leidiniai

Kas yra narvas?

Kaip statomos baltymų struktūros

Neuroniniai impulsai ir RNR