Βιολογικοί επιταχυντές

Όπως μαρτυρούν οι θρύλοι και τα λαϊκά παραμύθια της αρχαιότητας, άνθρωποι από αμνημονεύτων χρόνων έχουν ετοιμάσει κρασί από χυμό σταφυλιών, φτιάχνουν τυρί από ξινό γάλα, χτύπησαν εχθρούς και άγρια ​​ζώα με βέλη, οι άκρες των οποίων ήταν κορεσμένες με θανατηφόρο δηλητήριο. Ο άνθρωπος έχει παρατηρήσει και χρησιμοποιήσει πολλούς καταπληκτικούς μετασχηματισμούς που λαμβάνουν χώρα σε ζωντανούς οργανισμούς και υλικά που λαμβάνονται από αυτά, όπως πήξη του αίματος, ωρίμανση (και αποσύνθεση) κρέατος, ψαριού και φυτικών προϊόντων. Αλλά γιατί συμβαίνει όλα αυτά, δεν μπορούσε να εξηγήσει για πολύ καιρό. Μόνο στις αρχές του 19ου αιώνα ανακαλύφθηκαν δραστικές ουσίες σε βιολογικά αντικείμενα που προκαλούν τέτοιου είδους μετασχηματισμούς.

Ονομάζονται ένζυμα. Τα πρώτα καθαρά ένζυμα που απομονώθηκαν τη δεκαετία του 30 του εικοστού αιώνα με τη μορφή κρυστάλλων αποδείχθηκαν πρωτεΐνες, και όλα που λαμβάνονται αργότερα (τώρα υπάρχουν περίπου δύο χιλιάδες από αυτά) είναι επίσης ειδικοί τύποι πρωτεϊνών.

Γνωρίζουμε τώρα ότι τα ένζυμα είναι απίστευτα ανώτερα από τους τεχνητούς καταλύτες με πολλούς τρόπους. Πρώτα απ 'όλα, η δύναμη της δράσης. Χιλιάδες χημικές αντιδράσεις εμφανίζονται σε ζωντανούς οργανισμούς με τη συμμετοχή ενζύμων χωρίς υψηλές θερμοκρασίες και πιέζει εκατομμύρια και δισεκατομμύρια φορές πιο γρήγορα από ό, τι παρουσία των καλύτερων χημικών καταλυτών.

Τα ένζυμα έχουν ένα άλλο πλεονέκτημα - το πιο σημαντικό. Διαφέρουν από τους τεχνητούς καταλύτες στην εντυπωσιακή λογική των ενεργειών τους, αυστηρά κατευθυνόμενες και πιο αποτελεσματικές. Κάθε ένζυμο λειτουργεί βέλτιστα, χωρίς να ψάχνει για "βέλτιστες τεχνολογικές λύσεις", μετατρέποντας μόνο μία ή μια ομάδα στενά συνδεδεμένων ενώσεων. Επιπλέον, μεταμορφώνεται σε μια αυστηρά καθορισμένη κατεύθυνση.

Αυτές είναι οι εκπληκτικές ικανότητες που έχουν βρει τα ένζυμα. Ωστόσο, γνωρίζοντας πολλά για τις ιδιότητές τους, οι ερευνητές, ακόμη και στο κατώφλι του αιώνα μας, δεν μπορούσαν να απαντήσουν στο ερώτημα του τι είναι. Είναι αλήθεια, ακόμη και τότε εξέχοντες επιστήμονες όπως οι I. Pavlov, A. Bach, E. Fischer, F. Hopkins ήταν πεπεισμένοι ότι η ζωτική δραστηριότητα οποιουδήποτε οργανισμού, ο μεταβολισμός δεν είναι τίποτα περισσότερο από ένα σύνολο αμέτρητων χημικών αντιδράσεων που συμβαίνουν σε ζωντανά κύτταρα αυστηρά παραγγελία. Και τα ένζυμα είναι το είδος «αξιωματικών επιβολής του νόμου» (ή μάλλον οι διοργανωτές του). Ως εκ τούτου, είναι σαφές τι σημαντικό ρόλο διαδραματίζουν στον μεταβολισμό. Και αυτός, με τη σειρά του, είναι η βάση όλων των βιολογικών λειτουργιών: διατροφή, αναπαραγωγή, ανάπτυξη, κληρονομικότητα, ευερεθιστότητα, κινητικότητα.

Σε τελική ανάλυση, σε τι χρησιμεύουν αυτοί οι "μυστηριώδεις ξένοι" - ένζυμα; Χρειάστηκαν χρόνια δουλειάς, προβληματισμού και πειραματισμού προτού καταστεί σαφές ότι στους οργανισμούς όχι μόνο επιταχύνουν τις μεταβολικές αντιδράσεις, αλλά χρησιμεύουν επίσης ως σημαντικά εργαλεία για τα "λειτουργικά" μέρη των κυττάρων. Αυτό εμφανίστηκε για πρώτη φορά στη δεκαετία του 30 του περασμένου αιώνα από τους V. Engelhardt και M. Lyubimova. Ανακάλυψαν ότι η μυϊκή συσταλτική πρωτεΐνη και το ένζυμο που απελευθερώνει ενέργεια για συστολή είναι ίδια. Ο Engelhardt πρότεινε ότι τα ένζυμα αποτελούν ουσιαστικό μέρος ολόκληρης της μάζας των κυτταρικών πρωτεϊνών.

Αυτή η ιδέα επιβεβαιώθηκε πλήρως. Επιπλέον, αποδείχθηκε ότι τα εξαιρετικά σημαντικά όργανα των κυττάρων, που σχετίζονται με τη σύνθεση των πρωτεϊνών, η μεταφορά ουσιών, η κυτταρική αναπνοή, κατασκευάζονται το καθένα κυρίως από ειδικές ενζυματικές πρωτεΐνες. Με άλλα λόγια, τα ένζυμα τοποθετούνται ακριβώς όπου χρειάζονται ως ένα λεπτό όργανο χημικού μετασχηματισμού.

Ο αναγνώστης μπορεί να ρωτήσει: είναι τόσο σημαντικό, πού είναι το "ένζυμο" ποιο ένζυμο; Το κύριο πράγμα είναι να γνωρίζουμε πώς λειτουργεί. Αποδεικνύεται ότι η "τοπογραφία" σε αυτήν την περίπτωση είναι εξαιρετικά σημαντική όχι μόνο για την επιστήμη, αλλά και για την πρακτική. Εξάλλου, τα ένζυμα όχι μόνο επιταχύνουν τις αντιδράσεις.Αυτοί οι ίδιοι, με τη σειρά τους, στοχεύουν στη δράση των περισσότερων βιολογικά δραστικών ενώσεων - βιταμινών, ορμονών, αντιβιοτικών, φαρμακευτικών ουσιών και δηλητηρίων.

Πρέπει να εξηγήσω ποιες προοπτικές είναι γεμάτες με τον ακριβή ορισμό των "συντεταγμένων" ορισμένων ενζύμων και την ικανότητα να επηρεάζουν τη δράση τους. Για παράδειγμα, σύνθετες οργανικές ενώσεις που προσβάλλουν ένα από τα ένζυμα που είναι απαραίτητα για τη λειτουργία των νευρικών κέντρων έχουν αποδειχθεί ότι είναι ισχυρά στη θεραπεία ορισμένων σοβαρών οφθαλμικών και νευρικών παθήσεων. Διευκρινίζοντας τη δομή και τις λειτουργίες των ενζύμων, η επιστήμη αναζητά τρόπους πρακτικού ελέγχου των φυσιολογικών διεργασιών και νέους τρόπους προστασίας των ζωντανών οργανισμών από επιβλαβείς επιπτώσεις.

Σήμερα, είναι γνωστά περισσότερα από πεντακόσια συγγενή μεταβολικά ελαττώματα στον άνθρωπο, η αιτία των οποίων είναι μια κληρονομική, γενετικά καθορισμένη παραβίαση της σύνθεσης ενός συγκεκριμένου ενζύμου. Έτσι, για παράδειγμα, η συγγενής απουσία ενός ενζύμου που επιταχύνει το τελευταίο στάδιο της βιοσύνθεσης της αμινοξέος τυροσίνης, οδηγεί σε απότομη διαταραχή στη σωματική και ψυχική ανάπτυξη των παιδιών. Ελαττώματα στο σχηματισμό ορισμένων ενζύμων του μεταβολισμού σακχάρου οδηγούν σε επικίνδυνες διαταραχές στη σταθερότητα των κυττάρων του αίματος.

Η αξεπέραστη επιλεκτικότητα της δράσης των ενζύμων τα καθιστά ανεκτίμητα αντιδραστήρια για βιοχημική ανάλυση - μέτρηση του περιεχομένου ενός συγκεκριμένου σακχάρου, αμινοξέων κ.λπ. σε ένα σύνθετο μείγμα παρόμοιων, σχετικών ενώσεων, καθώς και για τους σκοπούς της λεπτής οργανικής σύνθεσης. Έτσι, η χρήση ενζυματικών παρασκευασμάτων (ή μικροβιακών κυττάρων πλούσιων σε αυτά) στη βιομηχανία έχει μειώσει το κόστος τόσο σημαντικών βιοχημικών παρασκευασμάτων όπως το ασκορβικό οξύ και οι στεροειδείς ορμόνες πολλές φορές.

Σήμερα, στις περισσότερες από τις τεχνικά ανεπτυγμένες χώρες, έχουν δημιουργηθεί εξειδικευμένες επιχειρήσεις που παράγουν παρασκευάσματα ενζύμων. Αυτά τα φάρμακα χρησιμοποιούνται σε πολλές περιοχές της βιομηχανίας φωτός, τροφίμων και φαρμακευτικών προϊόντων, εντείνουν και μειώνουν το κόστος παραγωγής. Για παράδειγμα, η χρήση τους μπορεί να αυξήσει τη θρεπτική αξία των ζωοτροφών στην κτηνοτροφία.

Φαίνεται ότι οι δυνατότητες χρήσης τέτοιων φαρμάκων είναι ατελείωτες. Στην πραγματικότητα, παρά τις αξιοσημείωτες καταλυτικές ιδιότητες των ενζύμων, η πρακτική τους χρήση μέχρι πρόσφατα ήταν σχετικά περιορισμένη. Αιτία? Η αστάθεια των ενζύμων και η δυσκολία διαχωρισμού τους από τα προϊόντα αντίδρασης. Αυτό απέκλεισε την επαναχρησιμοποίηση ενζύμων και έκανε αυτή τη μέθοδο μη κερδοφόρα σε πολλές περιπτώσεις.

Πρόσφατα, αυτές οι αδυναμίες έχουν ξεπεραστεί σε μεγάλο βαθμό. Η μέθοδος της λεγόμενης ακινητοποίησης ενζύμων βοήθησε εδώ. Τι γίνεται αν ένα ασταθές ένζυμο συνδέεται χρησιμοποιώντας ισχυρούς χημικούς δεσμούς ή με άλλα μέσα σε πολυμερείς αδιάλυτους φορείς διαφόρων φύσεων - παράγωγα κυτταρίνης, πλαστικά ανταλλαγής ιόντων, πορώδη γυαλιά, οργανοπυριτικές γέλες; Αυτή η αρχή θυμίζει κάπως τη μεταμόσχευση νότιων ποικιλιών μηλιές σε βόρειες ποικιλίες ανθεκτικές στον παγετό. Αλλά, φυσικά, μου θυμίζει μόνο από απόσταση. Εδώ είναι διαφορετικές κλίμακες, διαφορετικοί, πολύ πιο λεπτοί μηχανισμοί. Και το ερώτημα είναι αρκετά φυσικό εδώ: διατηρούνται καθόλου οι πολύτιμες ιδιότητες των ενζύμων μετά την πραγματοποίηση τέτοιων εργασιών;

Και αποδείχθηκε: ναι, είναι. Επιπλέον, τα ακινητοποιημένα ένζυμα, ενώ διατηρούν σημαντικό μέρος της καταλυτικής τους δράσης, σε πολλές περιπτώσεις έχουν σημαντικά αυξημένη σταθερότητα.

Καταλαβαίνετε τι μπορεί να γίνει εάν ο τόπος των σημερινών καταλυτών, μάλλον χονδροειδείς, "άκαμπτοι" σε σύγκριση με τα ένζυμα, λαμβάνονται στη βιομηχανία, τη γεωργία, την ιατρική από νέους επιταχυντές και επιβραδυντές αντίδρασης που έχουν όλες τις καλύτερες ιδιότητες των ενζύμων, αλλά ταυτόχρονα την αντίσταση των τεχνητών καταλύτες. Εάν τέτοιοι «κένταυροι» είναι σωστά «αξιοποιημένοι» στην οικονομία, αναγκάζονται να εργαστούν για τις ανάγκες της με πλήρη αφοσίωση, αυτό μπορεί να οδηγήσει σε σοβαρή αύξηση της αποδοτικότητας της παραγωγής.

Δεν είναι τυχαίο το γεγονός ότι τώρα υπάρχουν μεγάλες ελπίδες σε αυτόν τον νέο κλάδο έρευνας - τη λεγόμενη "μηχανική ζυμωτική". Υπόσχεται να απλοποιήσει σημαντικά πολλούς κλάδους και να δημιουργήσει ουσιαστικά νέες. Παρά το πρόσθετο κόστος για την παραγωγή ακινητοποιημένων ενζύμων, η δυνατότητα επαναλαμβανόμενης χρήσης τους καθιστά τη νέα τεχνολογία οικονομικά δικαιολογημένη.

Οι επιστήμονες αναμένουν ότι με τη χρήση ακινητοποιημένων ενζύμων στο μέλλον θα είναι δυνατή η επίλυση ορισμένων πολύπλοκων προβλημάτων όχι μόνο της λεπτής οργανικής σύνθεσης, αλλά και της χημικής ενέργειας, για παράδειγμα, στη δημιουργία βιοκαταλυτικών συστημάτων για τον καθορισμό του ατμοσφαιρικού αζώτου, τη σύνθεση υγρού οργανικού καυσίμου από διοξείδιο του άνθρακα και φυσικό αέριο.

Είναι αυτονόητο ότι η λύση αυτών και άλλων εφαρμοζόμενων προβλημάτων που σχετίζονται με τη βιολογική κατάλυση είναι δυνατή μόνο με ένα αρκετά υψηλό επίπεδο θεμελιώδους έρευνας σχετικά με τη δομή και τη λειτουργία των ενζύμων. Η χημεία και η βιοχημεία των ενζύμων εμπλέκονται σε πολλά ερευνητικά ιδρύματα και ανώτατα εκπαιδευτικά ιδρύματα. Οι εγχώριοι επιστήμονες έχουν κάνει μια σειρά από σημαντικές, διεθνώς αναγνωρισμένες συνεισφορές σε αυτόν τον τομέα της επιστήμης.

Ο άνθρωπος μπήκε σε ανταγωνισμό με τη φύση σε περιοχές που φαινόταν ουσιαστικά απρόσιτες μόνο χθες. Κατανοώντας τα μυστικά των ενζύμων, αναγκάζοντάς τα να υπηρετούν τον εαυτό τους, να αυξήσουν την ευημερία τους, να προστατεύσουν την υγεία τους, γράφει μια νέα σελίδα στο μεγάλο βιβλίο των γνώσεών μας για τον κόσμο.

Α. Μπράουνσταϊν

Παρόμοιες δημοσιεύσεις

Τι είναι το κλουβί;

Πώς χτίζονται οι δομές πρωτεϊνών

Νευρικές παρορμήσεις και RNA