Biologische versnellers

Zoals de legendes en volksverhalen uit de oudheid getuigen, hebben mensen sinds onheuglijke tijden wijn gemaakt van druivensap, kaas gemaakt van zure melk, vijanden en wilde dieren getroffen met pijlen, waarvan de toppen doordrenkt waren met dodelijk gif. De mens heeft vele verbazingwekkende transformaties waargenomen en gebruikt die plaatsvinden in levende organismen en materialen die daarvan zijn afgenomen, zoals bloedstolling, rijping (en afbraak) van vlees, vis en plantaardige producten. Maar waarom dit allemaal gebeurt, kon hij lange tijd niet uitleggen. Pas aan het begin van de 19e eeuw werden actieve stoffen ontdekt in biologische objecten die dergelijke transformaties veroorzaken.

Ze worden enzymen genoemd. De eerste zuivere enzymen die in de jaren 30 van de twintigste eeuw in de vorm van kristallen werden geïsoleerd, bleken eiwitten te zijn, en alle later verkregen (nu zijn het er ongeveer tweeduizend) zijn ook speciale soorten eiwitten.

We weten nu dat enzymen in veel opzichten onmetelijk superieur zijn aan kunstmatige katalysatoren. Allereerst door de kracht van de actie. Duizenden chemische reacties vinden plaats in levende organismen met de deelname van enzymen zonder hoge temperaturen en drukken, miljoenen en miljarden keren sneller dan in aanwezigheid van de beste chemische katalysatoren.

Enzymen hebben nog een ander voordeel - het belangrijkste. Ze verschillen van kunstmatige katalysatoren in de opvallende rationaliteit van hun acties, strikt gericht en meest effectief. Elk enzym werkt optimaal, zonder te zoeken naar "optimale technologische oplossingen", en zet slechts één of een groep nauw verwante verbindingen om. Bovendien transformeert het in een strikt gedefinieerde richting.

Dit zijn de verbazingwekkende vermogens die enzymen hebben gevonden. Omdat ze echter veel wisten over hun eigenschappen, konden onderzoekers, zelfs op de drempel van onze eeuw, de vraag niet beantwoorden wat ze zijn. Het is waar dat zelfs toen prominente wetenschappers als I. Pavlov, A. Bach, E. Fischer, F. Hopkins ervan overtuigd waren dat de vitale activiteit van elk organisme, metabolisme niets meer is dan een reeks ontelbare chemische reacties die plaatsvinden in levende cellen die strikt geordend zijn. . En enzymen zijn het soort "wetshandhavers" (of liever: de organisatoren). Het is dus duidelijk wat een belangrijke rol ze spelen in de stofwisseling. En hij is op zijn beurt de basis van alle biologische functies: voeding, voortplanting, ontwikkeling, erfelijkheid, prikkelbaarheid, mobiliteit.

Wat zijn tenslotte deze "mysterieuze vreemden" - enzymen? Het kostte jaren van werk, reflectie en experiment voordat duidelijk werd dat ze in organismen niet alleen metabolische reacties versnellen, maar ook dienen als belangrijke instrumenten voor de "werkende" delen van cellen. Dit werd voor het eerst aangetoond in de jaren 30 van de vorige eeuw door V. Engelhardt en M. Lyubimova. Ze ontdekten dat het spiercontractiele eiwit en het enzym dat energie afgeeft voor contractie identiek zijn. Engelhardt suggereerde dat enzymen een essentieel onderdeel vormen van de gehele massa cellulaire eiwitten.

Dit idee werd volledig bevestigd. Bovendien bleek dat de uiterst belangrijke organen van cellen, geassocieerd met de synthese van eiwitten, de overdracht van stoffen, cellulaire ademhaling, elk voornamelijk zijn opgebouwd uit speciale enzymatische eiwitten. Met andere woorden, enzymen worden precies daar geplaatst waar ze nodig zijn als een subtiel instrument voor chemische transformatie.

De lezer kan zich afvragen: is het zo belangrijk, waar is welk enzym "geregistreerd"? Het belangrijkste is om te weten hoe het werkt. Het blijkt dat "topografie" in dit geval buitengewoon belangrijk is, niet alleen voor de wetenschap, maar ook voor de praktijk. Enzymen versnellen immers niet alleen reacties.Ze zijn op hun beurt het doelwit van de werking van de meeste biologisch actieve verbindingen - vitamines, hormonen, antibiotica, medicinale stoffen en gifstoffen.

Moet ik uitleggen welke vooruitzichten beladen zijn met de precieze definitie van de "coördinaten" van bepaalde enzymen, en het vermogen om hun werking te beïnvloeden? Complexe organische verbindingen die een van de enzymen aanvallen die essentieel zijn voor het functioneren van zenuwcentra, hebben bijvoorbeeld bewezen een krachtige behandeling te zijn voor verschillende ernstige oog- en zenuwaandoeningen. Om de structuur en functies van enzymen op te helderen, zoekt de wetenschap naar manieren om fysiologische processen praktisch te beheersen en naar nieuwe manieren om levende organismen te beschermen tegen schadelijke effecten.

Tegenwoordig zijn er meer dan vijfhonderd aangeboren stofwisselingsafwijkingen bij de mens bekend, waarvan de oorzaak een erfelijke, genetisch bepaalde schending van de synthese van een bepaald enzym is. Zo leidt bijvoorbeeld de aangeboren afwezigheid van een enzym dat de laatste fase van de biosynthese van het aminozuur tyrosine versnelt, tot een scherpe verstoring van de lichamelijke en geestelijke ontwikkeling van kinderen. Defecten in de vorming van bepaalde enzymen van het suikermetabolisme leiden tot gevaarlijke verstoringen van de stabiliteit van bloedcellen.

De onovertroffen selectiviteit van de werking van enzymen maakt ze van onschatbare waarde voor biochemische analyse - het meten van de inhoud van een bepaalde suiker, aminozuur, enz. In een complex mengsel van gelijkaardige, verwante verbindingen, evenals voor fijne organische synthese. Aldus heeft het gebruik van enzympreparaten (of microbiële cellen die er rijk aan zijn) in de industrie de kosten van zulke belangrijke biochemische preparaten als ascorbinezuur en steroïdhormonen vele malen verlaagd.

Tegenwoordig zijn in de meeste technisch ontwikkelde landen gespecialiseerde ondernemingen opgericht die enzympreparaten produceren. Deze medicijnen worden gebruikt in veel gebieden van de lichte, voedings- en farmaceutische industrie, verhogen en verlagen de productiekosten. Het gebruik ervan kan bijvoorbeeld de voedingswaarde van voer in de veehouderij verhogen.

Het lijkt erop dat de mogelijkheden om dergelijke medicijnen te gebruiken eindeloos zijn. Maar in feite, ondanks de opmerkelijke katalytische eigenschappen van enzymen, was hun praktische gebruik tot voor kort relatief beperkt. Oorzaak? De instabiliteit van enzymen en de moeilijkheid om ze van de reactieproducten te scheiden. Hierdoor werd het hergebruik van enzymen geëlimineerd en werd deze methode in veel gevallen onrendabel.

Onlangs zijn deze tekortkomingen grotendeels verholpen. De methode van de zogenaamde immobilisatie van enzymen hielp hierbij. Wat als een onstabiel enzym wordt gehecht met behulp van sterke chemische bindingen of op een andere manier aan polymere onoplosbare dragers van verschillende aard - cellulosederivaten, ionenuitwisselingsplastics, poreus glas, organosilicaatgels? Dit principe doet enigszins denken aan het enten van zuidelijke appelboomvariëteiten op vorstbestendige noordelijke variëteiten. Maar het herinnert me natuurlijk alleen op afstand. Hier zijn verschillende schalen, verschillende, veel subtielere mechanismen. En de vraag is hier heel natuurlijk: blijven de waardevolle eigenschappen van enzymen überhaupt behouden nadat dergelijke bewerkingen erop zijn uitgevoerd?

En het bleek: ja, dat zijn ze. Bovendien hebben geïmmobiliseerde enzymen, terwijl ze een aanzienlijk deel van de katalytische activiteit behouden, in veel gevallen een significant verhoogde stabiliteit.

U begrijpt wat er kan worden gedaan als de plaats van de katalysatoren van vandaag, nogal grof, 'inflexibel' in vergelijking met enzymen, in de industrie, de landbouw, de geneeskunde wordt ingenomen door nieuwe versnellers en reactievertragers die de beste eigenschappen van enzymen bezitten, maar tegelijkertijd tijd de weerstand van kunstmatige katalysatoren. Als dergelijke "centauren" op de juiste manier in de economie worden "aangewend", gedwongen om met volledige toewijding voor hun behoeften te werken, kan dit leiden tot een ernstige toename van de productie-efficiëntie.

Het is geen toeval dat er nu grote hoop wordt gevestigd op deze nieuwe tak van onderzoek - de zogenaamde "engineering fermentology". Het belooft veel industrieën aanzienlijk te vereenvoudigen en fundamenteel nieuwe te creëren. Ondanks de extra kosten voor de productie van geïmmobiliseerde enzymen, maakt de mogelijkheid van herhaald gebruik de nieuwe technologie economisch verantwoord.

Wetenschappers verwachten dat met het gebruik van geïmmobiliseerde enzymen in de toekomst het mogelijk zal zijn om een ​​aantal complexe problemen van niet alleen fijne organische synthese, maar ook chemische energie op te lossen, bijvoorbeeld voor het creëren van biokatalytische systemen voor het fixeren van atmosferische stikstof, synthese van vloeibare organische brandstof uit kooldioxide en aardgas.

Het behoeft geen betoog dat de oplossing van deze en andere toegepaste problemen die verband houden met biologische katalyse slechts mogelijk is met een voldoende hoog niveau van fundamenteel onderzoek naar de structuur en functie van enzymen. De chemie en biochemie van enzymen zijn betrokken bij veel onderzoeksinstituten en instellingen voor hoger onderwijs. Binnenlandse wetenschappers hebben een aantal belangrijke, internationaal erkende bijdragen geleverd aan dit wetenschapsgebied.

De mens ging de concurrentie aan met de natuur in gebieden die gisteren fundamenteel onbereikbaar leken. Hij beheerst de geheimen van enzymen, dwingt hen zichzelf te dienen, hun welzijn te vergroten en hun gezondheid te beschermen, en hij schrijft een nieuwe pagina in het grote boek van onze kennis over de wereld.

A. Braunstein

Vergelijkbare publicaties

Wat is een kooi?

Hoe eiwitstructuren worden gebouwd

Neurale impulsen en RNA