Khái niệm về enzym cố định lần đầu tiên xuất hiện vào nửa sau của thế kỷ 20. Trong khi đó, vào năm 1916, người ta nhận thấy rằng sucrose hấp thụ carbon vẫn giữ được hoạt tính xúc tác của nó. Năm 1953, D. Schleit và N. Grubhofer thực hiện liên kết đầu tiên của pepsin, amylase, carboxypeptidase và RNase với chất mang không hòa tan. Khái niệm về enzym cố định được hợp pháp hóa vào năm 1971. Điều này đã xảy ra tại hội nghị đầu tiên về enzym học kỹ thuật. Hiện nay, khái niệm enzym cố định được xem xét theo nghĩa rộng hơn so với cuối thế kỷ 20. Chúng ta hãy xem xét kỹ hơn danh mục này.
Thông tin chung
Enzyme cố định là những hợp chất được liên kết nhân tạo với chất mang không hòa tan. Tuy nhiên, chúng vẫn giữ được các đặc tính xúc tác của chúng. Hiện tại, quá trình này được xem xét theo hai khía cạnh - trong khuôn khổ giới hạn một phần và hoàn toàn về sự tự do di chuyển của các phân tử protein.
Nhân phẩm
Các nhà khoa học đã thiết lập một số lợi ích nhất định của enzym cố định. Hoạt động như chất xúc tác dị thể, chúng có thể dễ dàng tách ra khỏi môi trường phản ứng. Là một phần của nghiên cứu, người ta thấy rằng việc sử dụng các enzym cố định có thể được lặp lại. Trong quá trình ràng buộc, các kết nối thay đổi thuộc tính của chúng. Chúng có được tính đặc hiệu và độ ổn định của chất nền. Đồng thời, hoạt động của chúng bắt đầu phụ thuộc vào điều kiện môi trường. Enzyme cố định bền và có độ ổn định cao. Ví dụ, nó lớn hơn của các enzym tự do hàng nghìn, hàng chục nghìn lần. Tất cả điều này đảm bảo hiệu quả cao, khả năng cạnh tranh và tính kinh tế của công nghệ trong đó có mặt các enzym cố định.
Media
J. Poratu đã xác định các đặc tính chính của vật liệu lý tưởng được sử dụng trong quá trình cố định. Người mang phải có:
- Không kiên quyết.
- Kháng sinh học và hóa học cao.
- Khả năng kích hoạt nhanh chóng. Các nhà cung cấp dịch vụ sẽ dễ dàng trở nên phản ứng.
- Tính ưa nước đáng kể.
- Độ thẩm thấu cần thiết. Chất chỉ thị của nó phải được chấp nhận như nhau đối với cả enzym và coenzym, các sản phẩm phản ứng và chất nền.
Hiện tại chưa có chất liệu nào đáp ứng đầy đủ các yêu cầu này. Tuy nhiên, trên thực tế, các tàu sân bay được sử dụng phù hợp để cố định.một số loại enzym trong các điều kiện cụ thể.
Phân loại
Tùy thuộc vào bản chất của chúng, các vật liệu, liên quan đến các hợp chất được chuyển đổi thành các enzym cố định, được chia thành vô cơ và hữu cơ. Sự liên kết của nhiều hợp chất được thực hiện với chất mang cao phân tử. Các vật liệu hữu cơ này được chia thành 2 lớp: tổng hợp và tự nhiên. Trong mỗi người trong số họ, lần lượt, các nhóm được phân biệt tùy thuộc vào cấu trúc. Chất mang vô cơ chủ yếu được thể hiện bằng các vật liệu làm bằng thủy tinh, gốm sứ, đất sét, silica gel và than chì đen. Khi làm việc với vật liệu, các phương pháp hóa học khô là phổ biến. Enzyme cố định thu được bằng cách phủ chất mang bằng một lớp màng titan, nhôm, zirconium, hafnium oxit hoặc bằng cách xử lý với polyme hữu cơ. Một ưu điểm quan trọng của vật liệu là dễ tái sinh.
Chất mang protein
Phổ biến nhất là nguyên liệu lipid, polysaccharid và protein. Trong số những chất sau, cần làm nổi bật các polyme cấu trúc. Chúng chủ yếu bao gồm collagen, fibrin, keratin và gelatin. Các protein như vậy phân bố rộng rãi trong môi trường tự nhiên. Chúng có giá cả phải chăng và kinh tế. Ngoài ra, chúng có một số lượng lớn các nhóm chức năng để ràng buộc. Protein có thể phân hủy sinh học. Điều này cho phép mở rộng việc sử dụng các enzym cố định trong y học. Trong khi đó, protein cũng có đặc tính âm tính. Những bất lợi của việc sử dụng các enzym cố định trên chất mang protein là tính sinh miễn dịch cao của chất sau, cũng nhưkhả năng chỉ giới thiệu một số nhóm nhất định trong số họ tham gia phản ứng.
Polysaccharid, aminosaccharid
Trong số các vật liệu này, chitin, dextran, cellulose, agarose và các dẫn xuất của chúng thường được sử dụng nhất. Để làm cho các polysaccharid có khả năng chống lại các phản ứng tốt hơn, các chuỗi mạch thẳng của chúng được liên kết chéo với epichlorohydrin. Các nhóm ion khác nhau được đưa vào cấu trúc mạng một cách tự do. Chitin tích tụ với số lượng lớn dưới dạng chất thải trong quá trình chế biến tôm và cua công nghiệp. Chất này có khả năng kháng hóa chất và có cấu trúc xốp được xác định rõ.
Polyme tổng hợp
Nhóm vật liệu này rất đa dạng và dễ tiếp cận. Nó bao gồm các polyme dựa trên axit acrylic, styren, polyvinyl alcohol, polyurethane và polyamide. Hầu hết chúng đều mạnh về mặt cơ học. Trong quá trình biến đổi, chúng cung cấp khả năng thay đổi kích thước lỗ chân lông trong một phạm vi khá rộng, giới thiệu các nhóm chức năng khác nhau.
Phương pháp ràng buộc
Hiện tại, có hai lựa chọn cơ bản khác nhau để cố định. Đầu tiên là thu được các hợp chất không có liên kết cộng hóa trị với chất mang. Phương pháp này là vật lý. Một lựa chọn khác liên quan đến sự xuất hiện của một liên kết cộng hóa trị với vật liệu. Đây là một phương pháp hóa học.
Hấp phụ
Với sự trợ giúp của nó, các enzym cố định thu được bằng cách giữ thuốc trên bề mặt của chất mang dosự phân tán, kỵ nước, tương tác tĩnh điện và liên kết hydro. Hấp phụ là cách đầu tiên để hạn chế tính di động của các nguyên tố. Tuy nhiên, ngay cả bây giờ tùy chọn này vẫn không mất đi tính phù hợp của nó. Hơn nữa, hấp phụ được coi là phương pháp cố định phổ biến nhất trong ngành công nghiệp.
Tính năng của phương pháp
Các công bố khoa học mô tả hơn 70 enzym thu được bằng phương pháp hấp phụ. Chất mang chủ yếu là thủy tinh xốp, nhiều loại đất sét, polysaccharid, nhôm oxit, polyme tổng hợp, titan và các kim loại khác. Sau này là những thứ thường được sử dụng nhất. Hiệu quả của sự hấp phụ của thuốc trên chất mang được xác định bởi độ xốp của vật liệu và diện tích bề mặt cụ thể.
Cơ chế hoạt động
Sự hấp phụ enzyme trên vật liệu không hòa tan rất đơn giản. Nó đạt được bằng cách tiếp xúc dung dịch nước của thuốc với chất mang. Nó có thể truyền theo cách tĩnh hoặc động. Dung dịch enzym được trộn với cặn mới, ví dụ, titan hydroxit. Hợp chất sau đó được làm khô trong điều kiện nhẹ. Hoạt động của enzyme trong quá trình cố định như vậy được giữ lại gần như 100%. Đồng thời, nồng độ cụ thể đạt tới 64 mg mỗi gam chất mang.
Những khoảnh khắc tiêu cực
Nhược điểm của hấp phụ bao gồm độ bền thấp khi liên kết enzym và chất mang. Trong quá trình thay đổi điều kiện phản ứng, có thể ghi nhận sự mất mát các nguyên tố, sự nhiễm bẩn của sản phẩm và quá trình giải hấp protein. Để cải thiện sức mạnhcác sóng mang ràng buộc được sửa đổi trước. Đặc biệt, vật liệu được xử lý bằng các ion kim loại, polyme, các hợp chất kỵ nước và các chất đa chức năng khác. Trong một số trường hợp, bản thân thuốc được sửa đổi. Nhưng thường thì điều này dẫn đến giảm hoạt động của nó.
Bao gồm trong gel
Tùy chọn này khá phổ biến do tính độc đáo và đơn giản của nó. Phương pháp này không chỉ phù hợp với các nguyên tố riêng lẻ mà còn phù hợp với các phức hợp đa enzym. Việc kết hợp vào gel có thể được thực hiện theo hai cách. Trong trường hợp đầu tiên, thuốc được kết hợp với dung dịch nước của monome, sau đó quá trình trùng hợp được thực hiện. Kết quả là, một cấu trúc gel không gian xuất hiện, chứa các phân tử enzyme trong tế bào. Trong trường hợp thứ hai, thuốc được đưa vào dung dịch của polyme thành phẩm. Sau đó, nó được đưa vào trạng thái gel.
Xâm nhập vào cấu trúc mờ
Thực chất của phương pháp cố định này là tách dung dịch nước enzym ra khỏi cơ chất. Đối với điều này, một màng bán thấm được sử dụng. Nó cho phép các phần tử có trọng lượng phân tử thấp của đồng yếu tố và chất nền đi qua và giữ lại các phân tử lớn của enzym.
Vi nang
Có một số tùy chọn để nhúng vào cấu trúc mờ. Trong số này, vi bao và kết hợp các protein vào liposome là mối quan tâm lớn nhất. Phương án đầu tiên được đề xuất vào năm 1964 bởi T. Chang. Nó bao gồm thực tế là dung dịch enzym được đưa vào một viên nang kín, thành của chúng được làm bằng chất bán thấm.polyme. Sự xuất hiện của một lớp màng trên bề mặt là do phản ứng của sự đa tụ giữa các hợp chất. Một trong số chúng được hòa tan trong chất hữu cơ, và chất còn lại - trong pha nước. Một ví dụ là sự hình thành vi nang thu được bằng quá trình đa tụ của axit sebacic halogenua (pha hữu cơ) và hexamethylenediamine-1, 6 (tương ứng, pha nước). Độ dày của màng được tính bằng phần trăm micromet. Kích thước của viên nang là hàng trăm hoặc hàng chục micromet.
Kết hợp thành liposome
Phương pháp cố định này gần với phương pháp vi bao. Liposome được trình bày trong hệ thống hình cầu hoặc phiến của lớp lipid kép. Phương pháp này được sử dụng lần đầu tiên vào năm 1970. Để tách liposome khỏi dung dịch lipid, dung môi hữu cơ được làm bay hơi. Màng mỏng còn lại được phân tán trong dung dịch nước trong đó có mặt của enzym. Trong quá trình này, quá trình tự lắp ráp các cấu trúc lớp kép lipid xảy ra. Enzyme cố định như vậy được sử dụng khá phổ biến trong y học. Điều này là do thực tế là hầu hết các phân tử được định vị trong chất nền lipid của màng sinh học. Các enzym cố định có trong liposome là tài liệu nghiên cứu quan trọng nhất trong y học, giúp nghiên cứu và mô tả các mô hình của các quá trình quan trọng.
Hình thành mối liên kết mới
Cố định bằng cách hình thành chuỗi cộng hóa trị mới giữa enzym và chất mang được coi là phương pháp phổ biến nhất để thu được chất xúc tác sinh học công nghiệp.điểm đến. Không giống như các phương pháp vật lý, phương án này cung cấp một liên kết bền vững và không thể đảo ngược giữa phân tử và vật liệu. Sự hình thành của nó thường đi kèm với sự ổn định thuốc. Đồng thời, vị trí của enzyme ở khoảng cách xa liên kết cộng hóa trị 1 so với chất mang gây ra những khó khăn nhất định trong việc thực hiện quá trình xúc tác. Phân tử được tách ra khỏi vật liệu bằng phương pháp chèn. Nó thường được sử dụng như các chất đa chức năng và sinh học. Đặc biệt, chúng là hydrazine, cyanogen bromide, glutaric dialhedride, sulfuryl chloride, v.v. Ví dụ, để loại bỏ galactosyltransferase, trình tự sau được chèn vào giữa chất mang và enzyme -CH2- NH- (CH 2 )5-CO-. Trong tình huống như vậy, một chất chèn, một phân tử và chất mang có trong cấu trúc. Tất cả chúng được kết nối với nhau bằng liên kết cộng hóa trị. Điều quan trọng cơ bản là cần phải đưa vào phản ứng các nhóm chức năng không cần thiết cho chức năng xúc tác của nguyên tố. Vì vậy, theo quy luật, glycoprotein được gắn vào chất mang không thông qua protein, mà thông qua phần carbohydrate. Kết quả là thu được các enzym cố định hoạt động và ổn định hơn.
Ô
Các phương pháp được mô tả ở trên được coi là phổ biến cho tất cả các loại chất xúc tác sinh học. Chúng bao gồm, trong số những thứ khác, tế bào, cấu trúc dưới tế bào, sự cố định của chúng gần đây đã trở nên phổ biến. Điều này là do những điều sau đây. Khi tế bào được cố định, không cần phải phân lập và tinh chế các chế phẩm enzym hoặc đưa các đồng yếu tố vào phản ứng. Kết quả là, có thểhệ thống thực hiện các quy trình liên tục nhiều giai đoạn.
Sử dụng enzym cố định
Trong thú y, công nghiệp và các ngành kinh tế khác, thuốc thu được bằng các phương pháp trên khá phổ biến. Các phương pháp tiếp cận được phát triển trong thực tế cung cấp giải pháp cho các vấn đề của việc phân phối thuốc đúng mục tiêu vào cơ thể. Các enzym cố định làm cho nó có thể thu được các loại thuốc có tác dụng kéo dài với khả năng gây dị ứng và độc tính tối thiểu. Hiện tại, các nhà khoa học đang giải quyết các vấn đề liên quan đến sự chuyển đổi sinh học của khối lượng và năng lượng bằng cách sử dụng các phương pháp tiếp cận vi sinh. Trong khi đó, công nghệ enzym cố định cũng có đóng góp đáng kể cho công trình. Triển vọng phát triển dường như khá rộng. Vì vậy, trong tương lai, một trong những vai trò quan trọng trong quá trình giám sát hiện trạng môi trường nên thuộc về các loại hình phân tích mới. Đặc biệt, chúng ta đang nói về phương pháp xét nghiệm miễn dịch bằng enzym và phát quang sinh học. Các phương pháp tiếp cận tiên tiến có tầm quan trọng đặc biệt trong quá trình chế biến nguyên liệu thô lignoxenluloza. Enzyme cố định có thể được sử dụng làm bộ khuếch đại tín hiệu yếu. Trung tâm hoạt động có thể chịu ảnh hưởng của chất mang siêu âm, ứng suất cơ học hoặc chịu sự biến đổi hóa thực vật.
