Biološki akceleratori

Kao što svjedoče legende i narodne priče o davnini, ljudi su od pamtivijeka pripremali vino od soka od grožđa, radili sir od kiselog mlijeka, strelicama udarali neprijatelje i divlje životinje čiji su vrhovi bili zasićeni smrtonosnim otrovom. Čovjek je uočio i koristio mnoge nevjerojatne transformacije koje se događaju u živim organizmima i materijalima koji su im uzeti, poput koagulacije krvi, zrenja (i razgradnje) mesa, ribe i biljnih proizvoda. Ali zašto se sve to događa, dugo nije mogao objasniti. Tek početkom 19. stoljeća u biološkim objektima otkrivene su aktivne tvari koje uzrokuju takve transformacije.

Oni se nazivaju enzimima. Pokazalo se da su prvi čisti enzimi izolirani 30-ih godina dvadesetog stoljeća u obliku kristala proteini, a svi kasnije dobiveni (sada ih ima oko dvije tisuće) također su posebne vrste proteina.

Sada znamo da su enzimi na mnogo načina neizmjerno superiorniji od umjetnih katalizatora. Prije svega snagom akcije. Tisuće kemijskih reakcija događaju se u živim organizmima uz sudjelovanje enzima bez visokih temperatura i pritisaka milijunima i milijardama puta brže nego u prisutnosti najboljih kemijskih katalizatora.

Enzimi imaju još jednu prednost - onu najvažniju. Od umjetnih katalizatora razlikuju se po upečatljivoj racionalnosti svojih postupaka, strogo usmjerenim i najučinkovitijim. Svaki enzim djeluje optimalno, bez traženja "optimalnih tehnoloških rješenja", pretvarajući samo jedan ili skup usko povezanih spojeva. Štoviše, transformira se u strogo definiranom smjeru.

To su nevjerojatne sposobnosti koje su enzimi pronašli. Međutim, znajući puno o njihovim svojstvima, istraživači, čak i na pragu našeg stoljeća, nisu mogli odgovoriti na pitanje kakva su. Istina, čak i tada su takvi istaknuti znanstvenici kao I. Pavlov, A. Bach, E. Fischer, F. Hopkins bili uvjereni da vitalna aktivnost bilo kojeg organizma, metabolizam nije ništa drugo nego skup bezbrojnih kemijskih reakcija koje se u živim stanicama strogo uređuju . A enzimi su vrsta "službenika za provođenje zakona" (ili bolje rečeno, njegovi organizatori). Stoga je jasno kakvu važnu ulogu imaju u metabolizmu. A on je pak osnova svih bioloških funkcija: prehrane, razmnožavanja, razvoja, nasljeđa, razdražljivosti, pokretljivosti.

Napokon, čemu služe ti "tajanstveni stranci" - enzimi? Trebale su godine rada, razmišljanja i eksperimentiranja prije nego što je postalo jasno da u organizmima ne samo da ubrzavaju metaboličke reakcije, već i služe kao važni alati za "radne" dijelove stanica. To su prvi put pokazali 30-ih godina prošlog stoljeća V. Engelhardt i M. Lyubimova. Otkrili su da su kontraktilni protein mišića i enzim koji oslobađa energiju za kontrakciju identični. Engelhardt je sugerirao da enzimi čine bitan dio cjelokupne mase staničnih proteina.

Ova je ideja u potpunosti potvrđena. Štoviše, pokazalo se da su izuzetno važni organi stanica, povezani sa sintezom bjelančevina, prijenosom tvari i staničnim disanjem, građeni uglavnom od posebnih enzimskih bjelančevina. Drugim riječima, enzimi se postavljaju točno tamo gdje su potrebni kao suptilni instrument kemijske transformacije.

Čitatelj se može pitati: je li toliko važno, gdje je koji enzim "registriran"? Glavno je znati kako to djeluje. Ispada da je "topografija" u ovom slučaju izuzetno važna ne samo za znanost, već i za praksu. Napokon, enzimi ne samo da ubrzavaju reakcije.Sami su pak usmjereni na djelovanje većine biološki aktivnih spojeva - vitamina, hormona, antibiotika, ljekovitih tvari i otrova.

Moram li objasniti koji su izgledi ispunjeni preciznom definicijom "koordinata" određenih enzima i sposobnošću utjecaja na njihovo djelovanje. Primjerice, složeni organski spojevi koji napadaju jedan od enzima bitnih za rad živčanih centara pokazali su se snažnima u liječenju nekih teških očnih i živčanih bolesti. Razjašnjavajući strukturu i funkcije enzima, znanost traži načine za praktičnu kontrolu fizioloških procesa i nove načine zaštite živih organizama od štetnih učinaka.

U današnje vrijeme poznato je više od petsto urođenih metaboličkih nedostataka u ljudi, čiji je uzrok nasljedno, genetski uvjetovano kršenje sinteze određenog enzima. Tako, na primjer, urođena odsutnost enzima koji ubrzava posljednju fazu biosinteze aminokiseline tirozin, dovodi do oštrih poremećaja u tjelesnom i mentalnom razvoju djece. Defekti u stvaranju određenih enzima u metabolizmu šećera rezultiraju opasnim poremećajima u stabilnosti krvnih stanica.

Nenadmašna selektivnost djelovanja enzima čini ih neprocjenjivim reagensima za biokemijske analize - mjerenje sadržaja određenog šećera, aminokiselina itd. U složenoj smjesi sličnih, srodnih spojeva, kao i za potrebe fine organske sinteze. Stoga je upotreba enzimskih pripravaka (ili mikrobnih stanica njima bogatih) u industriji višestruko smanjila troškove takvih važnih biokemijskih pripravaka kao što su askorbinska kiselina i steroidni hormoni.

Danas su u većini tehnički razvijenih zemalja stvorena specijalizirana poduzeća koja proizvode enzimske pripravke. Ovi se lijekovi koriste u mnogim područjima lagane, prehrambene i farmaceutske industrije, pojačavaju i smanjuju troškove proizvodnje. Na primjer, njihova uporaba može poboljšati hranjivu vrijednost stočne hrane.

Čini se da su mogućnosti upotrebe takvih lijekova beskrajne. No zapravo, unatoč izvanrednim katalitičkim svojstvima enzima, njihova praktična upotreba donedavno je bila relativno ograničena. Uzrok? Nestabilnost enzima i poteškoće odvajanja od produkata reakcije. To je isključilo ponovnu upotrebu enzima i učinilo je ovu metodu neisplativom u mnogim slučajevima.

U posljednje vrijeme ti su nedostaci uglavnom prevladani. Tu je pomogla metoda takozvane imobilizacije enzima. Što ako se nestabilni enzim veže jakim kemijskim vezama ili na drugi način na polimerno netopive nosače različite prirode - derivate celuloze, ionsko izmjenjive plastike, porozne čaše, organosilikatne gelove? Ovaj princip pomalo podsjeća na cijepljenje južnih sorti stabala jabuka na sjeverno sorte otporne na mraz. Ali, naravno, podsjeća me samo iz daljine. Ovdje su različite ljestvice, različiti, puno suptilniji mehanizmi. I pitanje je ovdje sasvim prirodno: jesu li vrijedne kvalitete enzima uopće sačuvane nakon što se na njima provode takve operacije?

I pokazalo se: da, jesu. Štoviše, imobilizirani enzimi, zadržavajući značajan dio katalitičke aktivnosti, u mnogim slučajevima imaju značajno povećanu stabilnost.

Razumijete što se može učiniti ako mjesto današnjih katalizatora, prilično grubih, "nefleksibilnih" u usporedbi s enzimima, u industriji, poljoprivredi, medicini zauzmu novi akceleratori i usporivači reakcije koji posjeduju sve najbolje kvalitete enzima, ali istodobno vremenska otpornost umjetnih katalizatora. Ako se takvi „kentauri“ na pravi način „upregnu“ u gospodarstvo, budu prisiljeni raditi za svoje potrebe s punom predanošću, to može dovesti do ozbiljnog povećanja učinkovitosti proizvodnje.

Nije slučajno što se velike nade polažu u ovu novu granu istraživanja - takozvanu "inženjersku fermentologiju". Obećava da će znatno pojednostaviti mnoge industrije i stvoriti temeljne nove. Unatoč dodatnim troškovima za proizvodnju imobiliziranih enzima, mogućnost njihove ponovne upotrebe čini novu tehnologiju ekonomski opravdanom.

Znanstvenici očekuju da će uz upotrebu imobiliziranih enzima u budućnosti biti moguće riješiti niz složenih problema ne samo fine organske sinteze, već i kemijske energije, na primjer, stvaranjem biokatalitičkih sustava za fiksiranje dušika u atmosferi, sinteza tekućeg organskog goriva iz ugljičnog dioksida i prirodnog plina.

Podrazumijeva se da je rješenje ovih i drugih primijenjenih problema povezanih s biološkom katalizom moguće samo uz dovoljno visoku razinu temeljnih istraživanja strukture i funkcije enzima. Kemija i biokemija enzima uključeni su u mnoge istraživačke institute i visokoškolske ustanove. Domaći su znanstvenici dali veliki broj međunarodno priznatih doprinosa ovom polju znanosti.

Čovjek je ušao u konkurenciju s prirodom u područjima koja su se tek jučer činila u osnovi nedostupnima. Svladavajući tajne enzima, prisiljavajući ih da se sami služe, povećavaju svoju dobrobit, štite svoje zdravlje, piše novu stranicu u velikoj knjizi našeg znanja o svijetu.

A. Braunstein

Slične publikacije

Što je kavez?

Kako se grade proteinske strukture

Neuronski impulsi i RNA