Ферменттердің медицинада, химияда және өнеркәсіпте қолданылуы. Биология, 11 сынып, дидактикалық материал.

Ферменттерді қолдану

Селективтіліктің жоғары деңгейіне ие ферменттерді тірі организмдер жоғары жылдамдықта көптеген түрлі химиялық реакцияларды жүргізу үшін қолданады; олар өз белсенділіктерін клетканың микро кеңістігінде ғана емес, сонымен бірге денеден тыс жерде де сақтайды. Ферменттер наубайхана, сыра қайнату, шарап жасау, шай, былғары және тері өндірісі, ірімшік жасау, пісіру (ет өңдеуге арналған) және т.б. салаларда кеңінен қолданылады. Соңғы жылдары ферменттер жұқа химия өнеркәсібінде тотығу, тотықсыздану, дезаминдену, декарбоксилдену, дегидратация, конденсация сияқты органикалық химиялық реакцияларды жүргізу үшін, сонымен қатар L-сериялы аминқышқылдарының изомерлерін бөлу және оқшаулау үшін (химиялық синтездеу кезінде түзілетін ракемиялық қоспалар) химиялық реакцияларды жүргізу үшін қолданыла бастады. Өнеркәсіпте, ауыл шаруашылығында, медицинада қолданылатын L- және D-изомерлер). Ферменттердің нәзік әсер ету тетіктерін игеру, өнімділігі 100% -ға жуық, зертханалық жағдайда пайдалы заттардың үлкен мөлшерде және жоғары жылдамдықта өндірілуіне шексіз мүмкіндік береді.

Қазіргі уақытта ғылымның жаңа саласы - биотехнологияның негізі болып табылатын өндірістік энзимология дамып келеді. Кез-келген органикалық немесе бейорганикалық полимерлі тасымалдаушыға (матрица) ковалентті түрде қосылған фермент иммобилизация деп аталады. Ферменттерді иммобилизациялау әдісі ферментологияның бірқатар маңызды мәселелерін шешуге мүмкіндік береді: ферменттердің әсер етуінің жоғары ерекшелігін қамтамасыз ету және олардың тұрақтылығын, өңдеу жеңілдігі, қайта пайдалану мүмкіндігі, оларды синтетикалық реакцияларда қолдану. Мұндай технологияны өнеркәсіпте қолдану инженерлік энзимология деп аталады. Өнеркәсіптің, медицинаның және ауылшаруашылығының әртүрлі салаларында инженерлік энзимологияның зор әлеуеті туралы көптеген мысалдар дәлел. Атап айтқанда, сүтте қант құрамын азайту үшін, магнитті араластырғыш жолға бекітілген иммобилизацияланған β-галактозидаза қолданылады. тұқым қуалайтын лактоза төзімсіздігі бар науқас баланың денесінде ыдырамайтын өнім. Осылайша өңделген сүт мұздатылған күйде ұзақ сақталады және қалыңдатудан өтпейді.

Целлюлозадан тамақ өнімдерін шығару, оны иммобилизацияланған ферменттердің көмегімен - целлюлазалар - глюкозаға айналдырып, оны тамақ өнімі - крахмалға айналдыру бойынша жобалар жасалды. Ферменттік технологияны қолдану арқылы, негізінен, тамақ өнімдерін, атап айтқанда көмірсуларды сұйық отыннан (майдан) алуға, оны глицералдегидке дейін ыдыратуға, содан кейін ферменттердің қатысуымен одан глюкоза мен крахмалды синтездеуге болады. Фотосинтез процесінің инженерлік энзимологиясының көмегімен модельдеудің болашағы зор екендігі сөзсіз. СО2 түзудің табиғи процесі; Иммобилизациядан басқа, бүкіл адамзат үшін өмірлік маңызы бар бұл процесс жаңа өзіндік тәсілдерді әзірлеуді және бірқатар нақты иммобилизацияланған кофермаларды қолдануды қажет етеді.

Қаржылық қызметтер / ұйымдарды таңдауда көмек

Ферменттердің иммобилизациясының және оларды өнеркәсіпте қолданудың мысалы ретінде аланин аминқышқылын өндіру және коэнзимнің (атап айтқанда NAD) модельдік жүйеде регенерациясының үздіксіз процесінің схемасын ұсынамыз. Бұл жүйеде бастапқы субстрат (сүт қышқылы) құрамында NAD + және NAD-қа тәуелді екі дегидрогеназалар бар реактор камерасына сорылады, олар декстранда иммобилизацияланады: лактат және аланинді дегидрогеназалар; реактордың қарама-қарсы жағынан реакция өнімі - аланин - алдын ала белгіленген жылдамдықпен ультрафильтрация арқылы алынады.

Аланин аминқышқылдарын өндіру және коэнзимді (әсіресе NAD) регенерациялаудың үздіксіз процесінің схемасы модель жүйелерінде

Мұндай реакторлар фармацевтика өнеркәсібінде, мысалы, гидрокортизоннан преднизолонның антирематоидты препаратының синтезінде қолданылуын тапты. Сонымен қатар, олар алмастырылмайтын факторлардың синтезі мен өндірісінде қолдануға үлгі бола алады, өйткені иммобилизацияланған ферменттер мен коферменттердің көмегімен конъюгацияланған химиялық реакцияларды (соның ішінде алмастырылмайтын метаболиттердің биосинтезін) бағыттауға болады, осылайша тұқым қуалайтын метаболикалық ақаулардағы заттардың жетіспеушілігін жояды. Осылайша, жаңа әдіснамалық тәсілдің көмегімен ғылым «синтетикалық биохимия» саласындағы алғашқы қадамдарын жасайды.

Зерттеудің маңызды бағыттары - жасушалық иммобилизация және гендік инженерия (гендік инженерия) әдісімен дәрумендер мен маңызды амин қышқылдарын өндіретін өндірістік микроорганизм штамдарын құру. Биотехнологияның жетістіктерін медициналық қолдану мысалы биологиялық сұйықтықтарда немесе тіндердің сығындыларындағы қалқанша қоздырғыш гормонын анықтау үшін қалқанша безінің жасушаларын иммобилизациялау болып табылады. Келесі қадам - ​​қоректік емес тәттілерді өндірудің биотехнологиялық әдісін құру, яғни. тағамды қантты алмастырғыштар, олар жоғары калориясыз тәттілік сезімін тудыруы мүмкін. Осындай перспективті заттардың бірі - диптаптид метил эфирі - аспартилфенилаланин болып табылатын аспартам. (Ертерек қараңыз). Aspartame қантқа қарағанда 300 есе тәтті, зиянсыз және ағзадағы табиғи бос аминқышқылдарға бөлінеді: аспарт қышқылы (аспартат) және фенилаланин. Aspartame сөзсіз медицинада да, тамақ өнеркәсібінде де кеңінен қолданылады (мысалы, АҚШ-та ол балалар тағамы үшін қолданылады және қанттың орнына Coca-Cola диетасына қосылады). Генетикалық әдістермен аспартамды алу үшін тек бос аспарт қышқылы мен фенилаланинді (прекурсорларды) ғана емес, сонымен қатар осы дипептидтің биосинтезін катализдейтін бактериалды ферментті алу қажет.

Болашақта инженерлік энзимологияның, жалпы биотехнологияның маңызы артады. Сарапшылардың пікірінше, химия, фармацевтика, тамақ өнеркәсібіндегі, медицина мен ауылшаруашылығындағы барлық биотехнологиялық процестердің әлемде бір жыл ішінде алынған өнімдері 2000 жылға қарай ондаған миллиард долларға жетеді. Біздің елімізде 2000 жылға қарай өндіріс реттелетін болады. L-треонин мен В2 витаминінің гендік инженериясы. 1998 жылға қарай бірқатар ферменттер, антибиотиктер, α1-, β-, γ-интерферондар шығару жоспарлануда; инсулин мен өсу гормонының препараттарын клиникалық зерттеу. Елдегі гибридома технологиясы биологиялық сұйықтықтағы көптеген химиялық компоненттерді анықтауға арналған иммуноферментативті әдістерге арналған реагенттер өндірісін бастады.

Ферменттерді қолдану Селективтіліктің жоғары деңгейіне ие ферменттерді тірі ағзалар жоғары жылдамдықта көптеген түрлі химиялық реакцияларды жүргізу үшін қолданады; олар өз белсенділіктерін клетканың микро кеңістігінде ғана емес, сонымен бірге денеден тыс жерде де сақтайды. Ферменттер наубайхана, сыра қайнату, шарап жасау, шай, былғары және тері өндірісі, ірімшік жасау, пісіру (ет өңдеуге арналған) және т.б. салаларда кеңінен қолданылады. Соңғы жылдары ферменттер жұқа химия өнеркәсібінде тотығу, тотықсыздану, дезаминдену, декарбоксилдену, дегидратация, конденсация сияқты органикалық химиялық реакцияларды жүргізу үшін, сонымен қатар L-сериялы аминқышқылдарының изомерлерін бөлу және оқшаулау үшін (химиялық синтезде, L- рационды қоспаларында) қолданыла бастады. өнеркәсіпте, ауыл шаруашылығында және медицинада қолданылатын D-изомерлер). Ферменттердің нәзік әсер ету тетіктерін игеру, өнімділігі 100% -ға жуық, зертханалық жағдайда пайдалы заттардың үлкен мөлшерде және жоғары жылдамдықта өндірілуіне шексіз мүмкіндік береді. Қазіргі уақытта ғылымның жаңа саласы - биотехнологияның негізі болып табылатын өндірістік энзимология дамып келеді. Кез-келген органикалық немесе бейорганикалық полимерлі тасымалдаушыға (матрица) ковалентті түрде қосылған фермент иммобилизация деп аталады. Ферменттерді иммобилизациялау әдісі ферментологияның бірқатар маңызды мәселелерін шешуге мүмкіндік береді: ферменттердің әсер етуінің жоғары ерекшелігін қамтамасыз ету және олардың тұрақтылығын, өңдеу жеңілдігі, қайта пайдалану мүмкіндігі, оларды синтетикалық реакцияларда қолдану. Мұндай технологияны өнеркәсіпте қолдану инженерлік энзимология деп аталады. Өнеркәсіптің, медицинаның және ауылшаруашылығының әртүрлі салаларында инженерлік энзимологияның зор әлеуеті туралы көптеген мысалдар дәлел. Атап айтқанда, сүтте қант құрамын азайту үшін, магнитті араластырғыш жолға бекітілген иммобилизацияланған β-галактозидаза қолданылады. тұқым қуалайтын лактоза төзімсіздігі бар науқас баланың денесінде ыдырамайтын өнім. Осылайша өңделген сүт мұздатылған күйде ұзақ сақталады және қалыңдатудан өтпейді. Целлюлозадан тамақ өнімдерін шығару, оны иммобилизацияланған ферменттердің көмегімен - целлюлазалар - глюкозаға айналдырып, оны тамақ өнімі - крахмалға айналдыру бойынша жобалар жасалды. Ферменттік технологияны қолдану арқылы, негізінен, тамақ өнімдерін, атап айтқанда көмірсуларды сұйық отыннан (майдан) алуға, оны глицералдегидке дейін ыдыратуға, содан кейін ферменттердің қатысуымен одан глюкоза мен крахмалды синтездеуге болады. Фотосинтез процесінің инженерлік энзимологиясын қолдана отырып, 163 модельдеудің үлкен болашағы бар екендігі сөзсіз. СО2 түзудің табиғи процесі; Иммобилизациядан басқа, бүкіл адамзат үшін өмірлік маңызы бар бұл процесс жаңа өзіндік тәсілдерді әзірлеуді және бірқатар нақты иммобилизацияланған кофермаларды қолдануды қажет етеді. Ферменттердің иммобилизациясының және оларды өнеркәсіпте қолданудың мысалы ретінде аланин аминқышқылын өндіру және коэнзимнің (атап айтқанда NAD) модельдік жүйеде регенерациясының үздіксіз процесінің схемасын ұсынамыз. Бұл жүйеде бастапқы субстрат (сүт қышқылы) құрамында NAD + және NAD-қа тәуелді екі дегидрогеназалар бар реактор камерасына сорылады, олар декстранда иммобилизацияланады: лактат және аланинді дегидрогеназалар; реактордың қарама-қарсы жағынан реакция өнімі - аланин - алдын ала белгіленген жылдамдықпен ультрафильтрация арқылы алынады. Мұндай реакторлар фармацевтика өнеркәсібінде, мысалы, гидрокортизоннан преднизолонның антирематоидты препаратының синтезінде қолданылуын тапты. Сонымен қатар, олар алмастырылмайтын факторлардың синтезі мен өндірісінде қолдануға үлгі бола алады, өйткені иммобилизацияланған ферменттер мен коферменттердің көмегімен конъюгацияланған химиялық реакцияларды (соның ішінде алмастырылмайтын метаболиттердің биосинтезін) бағыттауға болады, осылайша тұқым қуалайтын метаболикалық ақаулардағы заттардың жетіспеушілігін жояды. Осылайша, жаңа әдіснамалық тәсілдің көмегімен ғылым «синтетикалық биохимия» саласындағы алғашқы қадамдарын жасайды. Зерттеудің маңызды бағыттары - жасушалық иммобилизация және гендік инженерия (гендік инженерия) әдісімен дәрумендер мен маңызды амин қышқылдарын өндіретін өндірістік микроорганизм штамдарын құру. Биотехнологияның жетістіктерін медициналық қолдану мысалы биологиялық сұйықтықтарда немесе тіндердің сығындыларындағы қалқанша қоздырғыш гормонын анықтау үшін қалқанша безінің жасушаларын иммобилизациялау болып табылады. Келесі қадам - ​​қоректік емес тәттілерді өндірудің биотехнологиялық әдісін құру, яғни. тағамды қантты алмастырғыштар, олар жоғары калориясыз тәттілік сезімін тудыруы мүмкін. Осындай перспективті заттардың бірі - диптаптид метил эфирі - аспартилфенилаланин болып табылатын аспартам. (Ертерек қараңыз). Aspartame қантқа қарағанда 300 есе тәтті, зиянсыз және ағзадағы табиғи амин қышқылдарының құрамына енеді: аспарт қышқылы (аспартат) және фенилаланин. Aspartame сөзсіз кең қолданылатын болады диета құрамындағы қант Coca-Cola). Генетикалық әдістермен аспартамды алу үшін тек бос аспарт қышқылы мен фенилаланинді (прекурсорларды) ғана емес, сонымен қатар осы дипептидтің биосинтезін катализдейтін бактериалды ферментті алу қажет. Болашақта инженерлік энзимологияның, жалпы биотехнологияның маңызы артады. Сарапшылардың пікірінше, химия, фармацевтика, тамақ өнеркәсібі, медицина және ауылшаруашылығындағы барлық биотехнологиялық процестердің әлемде бір жыл ішінде өндірілген өнімдері 2000 жылға қарай ондаған миллиард долларға жетеді. Біздің елімізде 2000 жылға қарай өндіріс реттелетін болады. L-треонин мен В2 витаминінің гендік инженериясы. 1998 жылға қарай бірқатар ферменттер, антибиотиктер, α1 -, β-, γ-интерферондар шығару жоспарлануда; инсулин мен өсу гормонының препараттарын клиникалық зерттеу. Елімізде гибридома технологиясы биологиялық сұйықтықтағы көптеген химиялық компоненттерді анықтауға арналған иммунды-ферментті ферменттерге арналған реагенттер өндірісін бастады.