Das Konzept der immobilisierten Enzyme tauchte erstmals in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts auf. In der Zwischenzeit wurde bereits 1916 festgestellt, dass an Kohle sorbierte Saccharose ihre katalytische Aktivität beibehielt. 1953 führten D. Schleit und N. Grubhofer die erste Bindung von Pepsin, Amylase, Carboxypeptidase und RNase mit einem unlöslichen Träger durch. Das Konzept der immobilisierten Enzyme wurde 1971 legalisiert. Dies geschah auf der ersten Konferenz zur technischen Enzymologie. Gegenwärtig wird der Begriff der immobilisierten Enzyme in einem breiteren Sinne betrachtet als noch Ende des 20. Jahrhunderts. Schauen wir uns diese Kategorie genauer an.
Allgemeine Informationen
Immobilisierte Enzyme sind Verbindungen, die künstlich an einen unlöslichen Träger gebunden sind. Sie beh alten jedoch ihre katalytischen Eigenschaften. Derzeit wird dieser Vorgang unter zwei Aspekten betrachtet - im Rahmen der teilweisen und vollständigen Einschränkung der Bewegungsfreiheit von Proteinmolekülen.
Würde
Wissenschaftler haben bestimmte Vorteile von immobilisierten Enzymen festgestellt. Als heterogene Katalysatoren können sie leicht vom Reaktionsmedium abgetrennt werden. Im Rahmen der Forschung wurde festgestellt, dass die Verwendung von immobilisierten Enzymen wiederholt werden kann. Während des Bindevorgangs ändern Verbindungen ihre Eigenschaften. Sie erwerben Substratspezifität und -stabilität. Gleichzeitig beginnt ihre Aktivität von Umweltbedingungen abzuhängen. Immobilisierte Enzyme sind langlebig und weisen eine hohe Stabilität auf. Sie ist tausend-, zehntausendmal größer als beispielsweise die freier Enzyme. All dies gewährleistet eine hohe Effizienz, Wettbewerbsfähigkeit und Wirtschaftlichkeit von Technologien, in denen immobilisierte Enzyme vorhanden sind.
Medien
J. Poratu identifizierte die Schlüsseleigenschaften idealer Materialien für die Immobilisierung. Träger müssen haben:
- Unlöslichkeit.
- Hohe biologische und chemische Beständigkeit.
- Die Fähigkeit, schnell zu aktivieren. Die Träger sollten leicht reaktiv werden.
- Signifikante Hydrophilie.
- Notwendige Durchlässigkeit. Sein Indikator sollte für Enzyme und Coenzyme, Reaktionsprodukte und Substrate gleichermaßen akzeptabel sein.
Derzeit gibt es kein Material, das diese Anforderungen vollständig erfüllt. Dennoch werden in der Praxis Träger verwendet, die zur Immobilisierung geeignet sind.bestimmte Kategorie von Enzymen unter bestimmten Bedingungen.
Klassifizierung
Die Materialien, in deren Zusammenhang Verbindungen in immobilisierte Enzyme umgewandelt werden, werden je nach Art in anorganische und organische Materialien eingeteilt. Die Bindung vieler Verbindungen erfolgt mit polymeren Trägern. Diese organischen Materialien werden in 2 Klassen eingeteilt: synthetisch und natürlich. In jedem von ihnen werden wiederum Gruppen je nach Struktur unterschieden. Anorganische Träger sind hauptsächlich vertreten durch Materialien aus Glas, Keramik, Ton, Kieselgel und Graphitschwarz. Beim Arbeiten mit Materialien sind trockenchemische Methoden beliebt. Immobilisierte Enzyme werden durch Beschichten von Trägern mit einem Film aus Titan-, Aluminium-, Zirkonium-, Hafniumoxiden oder durch Verarbeitung mit organischen Polymeren erh alten. Ein wichtiger Vorteil von Materialien ist die leichte Regenerierbarkeit.
Eiweißträger
Die beliebtesten sind Lipid-, Polysaccharid- und Proteinmaterialien. Unter den letzteren sind Strukturpolymere hervorzuheben. Dazu gehören vor allem Kollagen, Fibrin, Keratin und Gelatine. Solche Proteine sind in der natürlichen Umgebung weit verbreitet. Sie sind erschwinglich und wirtschaftlich. Außerdem verfügen sie über eine große Anzahl an funktionellen Gruppen zur Bindung. Proteine sind biologisch abbaubar. Dadurch kann der Einsatz immobilisierter Enzyme in der Medizin erweitert werden. Mittlerweile haben Proteine auch negative Eigenschaften. Die Nachteile der Verwendung immobilisierter Enzyme auf Proteinträgern sind die hohe Immunogenität der letzteren sowiedie Fähigkeit, nur bestimmte Gruppen von ihnen in Reaktionen einzuführen.
Polysaccharide, Aminosaccharide
Von diesen Materialien werden am häufigsten Chitin, Dextran, Zellulose, Agarose und deren Derivate verwendet. Um Polysaccharide widerstandsfähiger gegen Reaktionen zu machen, werden ihre linearen Ketten mit Epichlorhydrin vernetzt. Verschiedene ionogene Gruppen werden frei in die Netzwerkstrukturen eingeführt. Chitin fällt in großen Mengen als Abfall bei der industriellen Verarbeitung von Garnelen und Krabben an. Diese Substanz ist chemikalienbeständig und hat eine gut definierte poröse Struktur.
Synthetische Polymere
Diese Gruppe von Materialien ist sehr vielfältig und zugänglich. Es umfasst Polymere auf Basis von Acrylsäure, Styrol, Polyvinylalkohol, Polyurethan und Polyamidpolymere. Die meisten von ihnen sind mechanisch stark. Sie bieten im Umwandlungsprozess die Möglichkeit, die Porengröße in einem größeren Bereich zu variieren und verschiedene funktionelle Gruppen einzuführen.
Bindungsmethoden
Aktuell gibt es zwei grundsätzlich verschiedene Möglichkeiten der Ruhigstellung. Die erste besteht darin, Verbindungen ohne kovalente Bindungen mit dem Träger zu erh alten. Diese Methode ist physikalisch. Eine andere Möglichkeit besteht in der Entstehung einer kovalenten Bindung mit dem Material. Dies ist eine chemische Methode.
Adsorption
Mit seiner Hilfe werden immobilisierte Enzyme erh alten, indem das Medikament auf der Oberfläche des Trägers geh alten wirdDispersion, hydrophobe, elektrostatische Wechselwirkungen und Wasserstoffbrückenbindungen. Adsorption war der erste Weg, die Mobilität von Elementen einzuschränken. Aber auch jetzt hat diese Option nicht an Aktualität verloren. Darüber hinaus gilt die Adsorption als die gebräuchlichste Immobilisierungsmethode in der Industrie.
Merkmale der Methode
Wissenschaftliche Veröffentlichungen beschreiben mehr als 70 Enzyme, die durch das Adsorptionsverfahren gewonnen werden. Die Träger waren hauptsächlich poröses Glas, verschiedene Tone, Polysaccharide, Aluminiumoxide, synthetische Polymere, Titan und andere Metalle. Letztere werden am häufigsten verwendet. Die Wirksamkeit der Adsorption des Arzneimittels auf dem Träger wird durch die Porosität des Materials und die spezifische Oberfläche bestimmt.
Wirkungsmechanismus
Die Enzymadsorption an unlöslichen Materialien ist einfach. Dies wird durch Kontakt einer wässrigen Lösung des Arzneimittels mit dem Träger erreicht. Es kann statisch oder dynamisch passieren. Die Enzymlösung wird mit frischem Sediment, beispielsweise Titanhydroxid, vermischt. Die Verbindung wird dann unter milden Bedingungen getrocknet. Die Enzymaktivität während einer solchen Immobilisierung bleibt zu fast 100 % erh alten. Gleichzeitig erreicht die spezifische Konzentration 64 mg pro Gramm Träger.
Negative Momente
Zu den Nachteilen der Adsorption gehört eine geringe Bindungsstärke von Enzym und Träger. Bei der Änderung der Reaktionsbedingungen können Elementverluste, Produktverunreinigungen und Proteindesorption festgestellt werden. Um die Kraft zu verbessernBindungsträger sind vormodifiziert. Insbesondere werden Materialien mit Metallionen, Polymeren, hydrophoben Verbindungen und anderen polyfunktionellen Mitteln behandelt. In einigen Fällen wird das Medikament selbst modifiziert. Dies führt jedoch häufig zu einer Abnahme seiner Aktivität.
Einschluss in das Gel
Diese Option ist aufgrund ihrer Einzigartigkeit und Einfachheit weit verbreitet. Diese Methode eignet sich nicht nur für einzelne Elemente, sondern auch für Multi-Enzym-Komplexe. Die Einarbeitung in das Gel kann auf zwei Wegen erfolgen. Im ersten Fall wird das Arzneimittel mit einer wässrigen Lösung des Monomers kombiniert, wonach eine Polymerisation durchgeführt wird. Als Ergebnis erscheint eine räumliche Gelstruktur, die Enzymmoleküle in den Zellen enthält. Im zweiten Fall wird das Medikament in die Lösung des fertigen Polymers eingebracht. Es wird dann in einen Gelzustand versetzt.
Einbruch in lichtdurchlässige Strukturen
Das Wesen dieser Methode der Immobilisierung ist die Trennung einer wässrigen Enzymlösung vom Substrat. Dazu wird eine semipermeable Membran verwendet. Es lässt niedermolekulare Elemente von Cofaktoren und Substraten passieren und hält große Enzymmoleküle zurück.
Mikroverkapselung
Für die Einbettung in transluzente Strukturen gibt es mehrere Möglichkeiten. Von diesen sind die Mikroverkapselung und der Einbau von Proteinen in Liposomen von größtem Interesse. Die erste Option wurde 1964 von T. Chang vorgeschlagen. Sie besteht darin, dass die Enzymlösung in eine geschlossene Kapsel eingebracht wird, deren Wände semipermeabel sindPolymer. Das Erscheinen einer Membran auf der Oberfläche wird durch die Reaktion der Grenzflächenpolykondensation von Verbindungen verursacht. Einer von ihnen ist in der organischen und der andere in der wässrigen Phase gelöst. Ein Beispiel ist die Bildung einer Mikrokapsel, die durch Polykondensation von Sebacinsäurehalogenid (organische Phase) und Hexamethylendiamin-1,6 (bzw. wässrige Phase) erh alten wird. Die Dicke der Membran wird in Hundertstel Mikrometer berechnet. Die Größe der Kapseln beträgt Hunderte oder Zehner von Mikrometern.
Einbau in Liposomen
Diese Immobilisierungsmethode kommt der Mikroverkapselung nahe. Liposomen liegen in lamellaren oder kugelförmigen Systemen von Lipiddoppelschichten vor. Dieses Verfahren wurde erstmals 1970 angewendet. Um Liposomen aus einer Lipidlösung zu isolieren, wird das organische Lösungsmittel verdampft. Der verbleibende dünne Film wird in einer wässrigen Lösung dispergiert, in der das Enzym vorhanden ist. Während dieses Prozesses findet eine Selbstorganisation von Lipiddoppelschichtstrukturen statt. Solche immobilisierten Enzyme sind in der Medizin sehr beliebt. Dies liegt daran, dass die meisten Moleküle in der Lipidmatrix biologischer Membranen lokalisiert sind. Die in Liposomen enth altenen immobilisierten Enzyme sind das wichtigste Forschungsmaterial in der Medizin, das es ermöglicht, die Muster lebenswichtiger Prozesse zu studieren und zu beschreiben.
Bildung neuer Bindungen
Die Immobilisierung durch Bildung neuer kovalenter Ketten zwischen Enzymen und Trägern gilt als die am weitesten verbreitete Methode zur Gewinnung industrieller Biokatalysatoren. Ziel. Im Gegensatz zu physikalischen Methoden bietet diese Option eine irreversible und starke Bindung zwischen dem Molekül und dem Material. Seine Bildung wird oft von einer Arzneimittelstabilisierung begleitet. Gleichzeitig bereitet die Lage des Enzyms im Abstand der 1. kovalenten Bindung zum Träger gewisse Schwierigkeiten bei der Durchführung des katalytischen Prozesses. Das Molekül wird durch einen Einsatz vom Material getrennt. Es wird oft als poly- und bifunktionelles Mittel verwendet. Insbesondere sind dies Hydrazin, Bromcyan, Glutarsäurediahrid, Sulfurylchlorid usw. Um beispielsweise Galactosyltransferase zu entfernen, wird die folgende Sequenz zwischen dem Träger und dem Enzym eingefügt -CH2- NH-(CH 2)5-CO-. In einer solchen Situation sind ein Insert, ein Molekül und ein Träger in der Struktur vorhanden. Alle von ihnen sind durch kovalente Bindungen verbunden. Von grundlegender Bedeutung ist die Notwendigkeit, funktionelle Gruppen in die Reaktion einzuführen, die für die katalytische Funktion des Elements nicht wesentlich sind. Glykoproteine werden also in der Regel nicht über das Protein, sondern über den Kohlenhydratteil an den Träger gebunden. Dadurch werden stabilere und aktivere immobilisierte Enzyme erh alten.
Zellen
Die oben beschriebenen Methoden gelten als universell für alle Arten von Biokatalysatoren. Dazu gehören unter anderem Zellen, subzelluläre Strukturen, deren Immobilisierung in letzter Zeit weit verbreitet ist. Dies liegt an folgendem. Wenn Zellen immobilisiert sind, besteht keine Notwendigkeit, Enzympräparate zu isolieren und zu reinigen oder Cofaktoren in Reaktionen einzuführen. Als Ergebnis wird es möglichAnlagen, die mehrstufige kontinuierliche Prozesse durchführen.
Verwendung immobilisierter Enzyme
In der Veterinärmedizin, der Industrie und anderen Wirtschaftszweigen sind Arzneimittel, die durch die oben genannten Methoden gewonnen werden, sehr beliebt. In der Praxis entwickelte Ansätze bieten eine Lösung für die Probleme der gezielten Wirkstoffabgabe im Körper. Immobilisierte Enzyme ermöglichten es, Arzneimittel mit verlängerter Wirkung bei minimaler Allergenität und Toxizität zu erh alten. Derzeit lösen Wissenschaftler die Probleme der Bioumwandlung von Masse und Energie mit mikrobiologischen Ansätzen. Inzwischen leistet auch die Technologie immobilisierter Enzyme einen wesentlichen Beitrag zu den Arbeiten. Die Entwicklungsperspektiven scheinen recht breit gefächert zu sein. Daher sollten in Zukunft neue Arten von Analysen eine der Schlüsselrollen bei der Überwachung des Umweltzustands sein. Insbesondere sprechen wir über Biolumineszenz- und Enzymimmunoassay-Verfahren. Fortgeschrittene Ansätze sind bei der Verarbeitung lignocelluloseh altiger Rohstoffe von besonderer Bedeutung. Immobilisierte Enzyme können als schwache Signalverstärker verwendet werden. Das aktive Zentrum kann unter dem Einfluss eines Trägers stehen, der Ultraschall, mechanischer Belastung oder phytochemischen Umwandlungen ausgesetzt ist.
