El concepte d'enzims immobilitzats va aparèixer per primera vegada a la segona meitat del segle XX. Mentrestant, l'any 1916, es va trobar que la sacarosa sorbida al carboni conservava la seva activitat catalítica. L'any 1953, D. Schleit i N. Grubhofer van realitzar la primera unió de pepsina, amilasa, carboxipeptidasa i RNasa amb un transportador insoluble. El concepte d'enzims immobilitzats es va legalitzar l'any 1971. Això va passar a la primera conferència sobre enzimologia d'enginyeria. Actualment, el concepte d'enzims immobilitzats es considera en un sentit més ampli que a finals del segle XX. Fem una ullada més de prop a aquesta categoria.
Informació general
Els enzims immobilitzats són compostos que s'uneixen artificialment a un transportador insoluble. No obstant això, conserven les seves propietats catalitzadores. Actualment, aquest procés es considera en dos aspectes: en el marc de la limitació parcial i completa de la llibertat de moviment de les molècules de proteïnes.
Dignitat
Els científics han establert certs beneficis dels enzims immobilitzats. Actuant com a catalitzadors heterogenis, es poden separar fàcilment del medi de reacció. Com a part de la investigació, es va trobar que l'ús d'enzims immobilitzats es pot repetir. Durant el procés d'enllaç, les connexions canvien les seves propietats. Adquireixen especificitat i estabilitat del substrat. Al mateix temps, la seva activitat comença a dependre de les condicions ambientals. Els enzims immobilitzats són duradors i tenen un alt grau d'estabilitat. És més gran que, per exemple, la dels enzims lliures en milers, desenes de milers de vegades. Tot això garanteix una alta eficiència, competitivitat i economia de tecnologies en les quals estan presents els enzims immobilitzats.
Mitjans
J. Poratu va identificar les propietats clau dels materials ideals per ser utilitzats en la immobilització. Els portadors han de tenir:
- Insolubilitat.
- Elevada resistència biològica i química.
- La capacitat d'activar-se ràpidament. Els operadors haurien de tornar-se reactius fàcilment.
- Hidrofilia significativa.
- Permeabilitat necessària. El seu indicador hauria de ser igualment acceptable tant per a enzims com per a coenzims, productes de reacció i substrats.
En l'actualitat no hi ha cap material que compleixi totalment aquests requisits. No obstant això, a la pràctica, s'utilitzen portadors adequats per a la immobilització.determinada categoria d'enzims en condicions específiques.
Classificació
Depenent de la seva naturalesa, els materials, en relació amb els quals es converteixen els compostos en enzims immobilitzats, es divideixen en inorgànics i orgànics. La unió de molts compostos es realitza amb suports polimèrics. Aquests materials orgànics es divideixen en 2 classes: sintètics i naturals. En cadascun d'ells, al seu torn, es distingeixen grups en funció de l'estructura. Els portadors inorgànics estan representats principalment per materials fets de vidre, ceràmica, argila, gel de sílice i negre de grafit. Quan es treballa amb materials, els mètodes de química seca són populars. Els enzims immobilitzats s'obtenen recobrint suports amb una pel·lícula d'òxids de titani, alumini, zirconi, hafni o processant-los amb polímers orgànics. Un avantatge important dels materials és la facilitat de regeneració.
Portadors de proteïnes
Els més populars són els materials lipídics, polisacàrids i proteics. Entre aquests últims, cal destacar els polímers estructurals. Aquests inclouen principalment col·lagen, fibrina, queratina i gelatina. Aquestes proteïnes estan àmpliament distribuïdes al medi natural. Són assequibles i econòmics. A més, tenen un gran nombre de grups funcionals per a la unió. Les proteïnes són biodegradables. Això permet ampliar l'ús d'enzims immobilitzats en medicina. Mentrestant, les proteïnes també tenen propietats negatives. Els desavantatges de l'ús d'enzims immobilitzats sobre portadors de proteïnes són l' alta immunogenicitat d'aquests últims, així comla capacitat d'introduir només determinats grups d'ells en les reaccions.
Polisacàrids, aminosacàrids
D'aquests materials, la quitina, el dextran, la cel·lulosa, l'agarosa i els seus derivats s'utilitzen amb més freqüència. Per fer que els polisacàrids siguin més resistents a les reaccions, les seves cadenes lineals estan entrecreuades amb epiclorhidrina. Diversos grups ionogènics s'introdueixen lliurement a les estructures de la xarxa. La quitina s'acumula en grans quantitats com a residus durant el processament industrial de gambes i crancs. Aquesta substància és resistent als productes químics i té una estructura porosa ben definida.
Polímers sintètics
Aquest grup de materials és molt divers i accessible. Inclou polímers a base d'àcid acrílic, estirè, alcohol polivinílic, polímers de poliuretà i poliamida. La majoria d'ells són mecànicament forts. En el procés de transformació, ofereixen la possibilitat de variar la mida dels porus dins d'un rang força ampli, introduint diversos grups funcionals.
Mètodes d'enllaç
Actualment, hi ha dues opcions fonamentalment diferents per a la immobilització. El primer és obtenir compostos sense enllaços covalents amb el portador. Aquest mètode és físic. Una altra opció implica l'aparició d'un enllaç covalent amb el material. Aquest és un mètode químic.
Adsorció
Amb l'ajuda d'aquest, s'obtenen enzims immobilitzats subjectant el fàrmac a la superfície del portador a causa dedispersió, interaccions hidrofòbiques, electrostàtiques i ponts d'hidrogen. L'adsorció va ser la primera manera de limitar la mobilitat dels elements. Tanmateix, encara ara aquesta opció no ha perdut la seva rellevància. A més, l'adsorció es considera el mètode d'immobilització més comú a la indústria.
Característiques del mètode
Les publicacions científiques descriuen més de 70 enzims obtinguts pel mètode d'adsorció. Els suports eren principalment vidre porós, diverses argiles, polisacàrids, òxids d'alumini, polímers sintètics, titani i altres metalls. Aquests últims són els més utilitzats. L'eficàcia de l'adsorció del fàrmac al transportador està determinada per la porositat del material i la superfície específica.
Mecanisme d'acció
L'adsorció d'enzims sobre materials insolubles és senzilla. S'aconsegueix pel contacte d'una solució aquosa del fàrmac amb el transportador. Pot passar de manera estàtica o dinàmica. La solució enzimàtica es barreja amb sediment fresc, per exemple, hidròxid de titani. A continuació, el compost s'asseca en condicions suaus. L'activitat enzimàtica durant aquesta immobilització es manté gairebé al 100%. Al mateix temps, la concentració específica arriba als 64 mg per gram de portador.
Moments negatius
Els desavantatges de l'adsorció inclouen la baixa resistència en unir l'enzim i el transportador. En el procés de canvi de les condicions de reacció, es pot observar la pèrdua d'elements, la contaminació de productes i la desorció de proteïnes. Per millorar la forçaels suports d'enquadernació estan pre-modificats. En particular, els materials es tracten amb ions metàl·lics, polímers, compostos hidròfobs i altres agents polifuncionals. En alguns casos, el propi fàrmac es modifica. Però sovint això comporta una disminució de la seva activitat.
Inclusió al gel
Aquesta opció és força habitual per la seva singularitat i senzillesa. Aquest mètode és adequat no només per a elements individuals, sinó també per a complexos multienzim. La incorporació al gel es pot fer de dues maneres. En el primer cas, el fàrmac es combina amb una solució aquosa del monòmer, després de la qual es realitza la polimerització. Com a resultat, apareix una estructura de gel espacial, que conté molècules d'enzims a les cèl·lules. En el segon cas, el fàrmac s'introdueix a la solució del polímer acabat. Després es posa en estat de gel.
Intrusió en estructures translúcides
L'essència d'aquest mètode d'immobilització és la separació d'una solució enzimàtica aquosa del substrat. Per a això, s'utilitza una membrana semipermeable. Permet que els elements de baix pes molecular de cofactors i substrats passin i reté grans molècules d'enzims.
Microencapsulació
Hi ha diverses opcions per incrustar en estructures translúcides. D'aquests, la microencapsulació i la incorporació de proteïnes als liposomes són de major interès. La primera opció va ser proposada l'any 1964 per T. Chang. Consisteix en el fet que la solució enzimàtica s'introdueix en una càpsula tancada, les parets de la qual estan fetes de semipermeables.polímer. L'aparició d'una membrana a la superfície és causada per la reacció de policondensació interfacial dels compostos. Un d'ells es dissol a l'orgànic i l' altre a la fase aquosa. Un exemple és la formació d'una microcàpsula obtinguda per policondensació d'halogenur d'àcid sebàcic (fase orgànica) i hexametilendiamina-1, 6 (respectivament, fase aquosa). El gruix de la membrana es calcula en centèsimes de micròmetre. La mida de les càpsules és de centenars o desenes de micròmetres.
Incorporació als liposomes
Aquest mètode d'immobilització és proper a la microencapsulació. Els liposomes es presenten en sistemes lamel·lars o esfèrics de bicapa lipídica. Aquest mètode es va utilitzar per primera vegada l'any 1970. Per aïllar els liposomes d'una solució de lípids, s'evapora el dissolvent orgànic. La pel·lícula fina restant es dispersa en una solució aquosa en la qual està present l'enzim. Durant aquest procés, es produeix l'autoassemblatge d'estructures de bicapa lipídica. Aquests enzims immobilitzats són força populars en medicina. Això es deu al fet que la majoria de les molècules estan localitzades a la matriu lipídica de les membranes biològiques. Els enzims immobilitzats inclosos en els liposomes són el material de recerca més important en medicina, que permet estudiar i descriure els patrons dels processos vitals.
Formació de nous vincles
La immobilització mitjançant la formació de noves cadenes covalents entre enzims i portadors es considera el mètode més estès per a l'obtenció de biocatalitzadors industrials.destinació. A diferència dels mètodes físics, aquesta opció proporciona un enllaç irreversible i fort entre la molècula i el material. La seva formació sovint va acompanyada d'estabilització de fàrmacs. Al mateix temps, la ubicació de l'enzim a una distància del primer enllaç covalent en relació amb el portador crea certes dificultats en la implementació del procés catalític. La molècula es separa del material mitjançant una inserció. Sovint s'utilitza com a agents polifuncionals i bifuncionals. En particular, són la hidrazina, el bromur de cianogen, el dialèdrid glutàric, el clorur de sulfuril, etc. Per exemple, per eliminar la galactosiltransferasa, s'insereix la següent seqüència entre el portador i l'enzim -CH2- NH-(CH2)5-CO-. En aquesta situació, una inserció, una molècula i un portador estan presents a l'estructura. Tots ells estan connectats per enllaços covalents. És fonamental la necessitat d'introduir en la reacció grups funcionals que no són essencials per a la funció catalítica de l'element. Per tant, per regla general, les glicoproteïnes s'uneixen al portador no a través de la proteïna, sinó a través de la part dels carbohidrats. Com a resultat, s'obtenen enzims immobilitzats més estables i actius.
Cèl·lules
Els mètodes descrits anteriorment es consideren universals per a tot tipus de biocatalitzadors. Aquests inclouen, entre altres coses, cèl·lules, estructures subcel·lulars, la immobilització de les quals s'ha generalitzat recentment. Això es deu al següent. Quan les cèl·lules estan immobilitzades, no cal aïllar i purificar preparats enzimàtics ni introduir cofactors en les reaccions. Com a resultat, es fa possiblesistemes que duen a terme processos continus en diverses etapes.
Ús d'enzims immobilitzats
A la medicina veterinària, la indústria i altres sectors econòmics, els fàrmacs obtinguts pels mètodes anteriors són força populars. Els enfocaments desenvolupats a la pràctica proporcionen una solució als problemes del lliurament de fàrmacs dirigits al cos. Els enzims immobilitzats van permetre obtenir fàrmacs d'acció prolongada amb al·lergenicitat i toxicitat mínima. Actualment, els científics estan resolent els problemes associats a la bioconversió de massa i energia mitjançant enfocaments microbiològics. Mentrestant, la tecnologia d'enzims immobilitzats també fa una contribució important al treball. Les perspectives de desenvolupament semblen ser força àmplies. Així, en el futur, un dels papers clau en el procés de seguiment de l'estat del medi ambient hauria de pertànyer als nous tipus d'anàlisi. En particular, estem parlant de mètodes bioluminiscents i d'immunoassaig enzimàtic. Els enfocaments avançats són de particular importància en el processament de matèries primeres lignocel·lulòsiques. Els enzims immobilitzats es poden utilitzar com a amplificadors de senyal feble. El centre actiu pot estar sota la influència d'un portador sotmès a ultrasons, estrès mecànic o subjecte a transformacions fitoquímiques.
