Máy gia tốc sinh học

Như những truyền thuyết và câu chuyện dân gian thời xa xưa đã chứng thực, con người từ thời xa xưa đã chế biến rượu từ nước nho, làm pho mát từ sữa chua, dùng mũi tên tấn công kẻ thù và động vật hoang dã, những mũi tên được tẩm chất độc chết người. Con người đã quan sát và sử dụng nhiều biến đổi đáng kinh ngạc xảy ra trong các sinh vật sống và các vật liệu lấy từ chúng, chẳng hạn như đông máu, chín (và phân hủy) của thịt, cá và các sản phẩm thực vật. Nhưng tại sao tất cả những điều này lại xảy ra, anh không thể giải thích trong một thời gian dài. Chỉ đến đầu thế kỷ 19, người ta mới phát hiện ra các hoạt chất gây biến đổi như vậy trong các vật thể sinh học.

Chúng được gọi là enzym. Những enzyme tinh khiết đầu tiên được phân lập vào những năm 30 của thế kỷ XX ở dạng tinh thể hóa ra là protein, và tất cả những enzyme thu được sau này (hiện nay có khoảng 2.000 trong số chúng) cũng là những loại protein đặc biệt.

Bây giờ chúng ta biết rằng các enzym vượt trội hơn rất nhiều so với các chất xúc tác nhân tạo theo nhiều cách. Trước hết, bởi sức mạnh của hành động. Hàng nghìn phản ứng hóa học diễn ra trong cơ thể sống với sự tham gia của các enzym mà không cần nhiệt độ và áp suất cao, nhanh hơn hàng triệu tỷ lần so với khi có mặt các chất xúc tác hóa học tốt nhất.

Enzyme có một lợi thế nữa - một lợi thế quan trọng nhất. Chúng khác với chất xúc tác nhân tạo ở tính hợp lý nổi bật trong các hành động của chúng, được chỉ đạo chặt chẽ và hiệu quả nhất có thể. Mỗi enzym hoạt động tối ưu, không cần tìm kiếm "giải pháp công nghệ tối ưu", chỉ chuyển đổi một hoặc một nhóm các hợp chất có liên quan chặt chẽ với nhau. Hơn nữa, nó biến đổi theo một hướng xác định nghiêm ngặt.

Đây là những khả năng tuyệt vời mà enzyme đã được tìm thấy. Tuy nhiên, biết nhiều về tài sản của chúng, các nhà nghiên cứu dù ở ngưỡng cửa của thế kỷ chúng ta cũng không thể trả lời được câu hỏi rốt cuộc chúng là gì. Đúng vậy, ngay cả khi đó các nhà khoa học lỗi lạc như I. Pavlov, A. Bach, E. Fischer, F. Hopkins đã tin chắc rằng hoạt động quan trọng của bất kỳ sinh vật nào, sự trao đổi chất chẳng qua là một tập hợp của vô số phản ứng hóa học xảy ra trong các tế bào sống. . Và enzym là loại "người bảo vệ trật tự" (hay đúng hơn là người tổ chức nó). Do đó, rõ ràng vai trò quan trọng của chúng trong quá trình trao đổi chất là gì. Và anh ta, đến lượt nó, là cơ sở của tất cả các chức năng sinh học: dinh dưỡng, sinh sản, phát triển, di truyền, cáu kỉnh, di động.

Rốt cuộc, những “người lạ bí ẩn” - những enzym để làm gì? Phải mất nhiều năm làm việc, suy ngẫm và thử nghiệm trước khi người ta thấy rõ rằng trong các sinh vật, chúng không chỉ đẩy nhanh các phản ứng trao đổi chất mà còn đóng vai trò là công cụ quan trọng cho các bộ phận "làm việc" của tế bào. Điều này được V. Engelhardt và M. Lyubimova thể hiện lần đầu tiên vào những năm 30 của thế kỷ trước. Họ phát hiện ra rằng protein co cơ và enzyme giải phóng năng lượng để co lại là giống hệt nhau. Engelhardt cho rằng các enzym là một phần thiết yếu của toàn bộ khối lượng protein tế bào.

Ý tưởng này đã được xác nhận đầy đủ. Hơn nữa, hóa ra các cơ quan cực kỳ quan trọng của tế bào, liên quan đến tổng hợp protein, vận chuyển các chất và hô hấp tế bào, đều được xây dựng chủ yếu từ các protein enzym đặc biệt. Nói cách khác, các enzym được đặt chính xác ở nơi chúng cần thiết như một công cụ tinh vi của quá trình biến đổi hóa học.

Bạn đọc có thể hỏi: nó quan trọng như vậy, loại men nào được “đăng ký”? Điều chính là biết nó hoạt động như thế nào. Hóa ra "địa hình" trong trường hợp này cực kỳ quan trọng không chỉ đối với khoa học, mà còn đối với thực tiễn. Rốt cuộc, các enzym không chỉ tăng tốc độ phản ứng.Đến lượt mình, chúng lại được nhắm mục tiêu bởi hoạt động của hầu hết các hợp chất có hoạt tính sinh học - vitamin, hormone, kháng sinh, dược chất và chất độc.

Tôi có cần giải thích những triển vọng nào có đầy đủ cả định nghĩa chính xác về "tọa độ" của một số enzym nhất định và khả năng ảnh hưởng đến hành động của chúng hay không. Ví dụ, các hợp chất hữu cơ phức tạp tấn công một trong những enzym cần thiết cho hoạt động của các trung tâm thần kinh đã được chứng minh là một phương pháp điều trị hiệu quả đối với một số bệnh nặng về mắt và thần kinh. Làm sáng tỏ cấu trúc và chức năng của các enzym, khoa học đang tìm cách kiểm soát thực tế các quá trình sinh lý và những cách mới để bảo vệ sinh vật sống khỏi những ảnh hưởng có hại.

Ngày nay, hơn năm trăm khuyết tật trao đổi chất bẩm sinh ở người đã được biết đến, nguyên nhân của chúng là do di truyền, được xác định về mặt di truyền trong quá trình tổng hợp một loại enzym nhất định. Vì vậy, ví dụ, sự thiếu hụt bẩm sinh của một loại enzyme đẩy nhanh giai đoạn cuối của quá trình sinh tổng hợp axit amin tyrosine dẫn đến sự gián đoạn mạnh mẽ trong sự phát triển thể chất và tinh thần của trẻ em. Những khiếm khuyết trong việc hình thành một số enzym chuyển hóa đường dẫn đến những xáo trộn nguy hiểm trong sự ổn định của các tế bào máu.

Tính chọn lọc vượt trội của hoạt động của các enzym khiến chúng trở thành thuốc thử vô giá để phân tích sinh hóa - đo hàm lượng của một loại đường nhất định, axit amin, v.v. trong một hỗn hợp phức tạp của các hợp chất tương tự, có liên quan, cũng như cho mục đích tổng hợp hữu cơ tốt. Do đó, việc sử dụng các chế phẩm enzyme (hoặc các tế bào vi sinh vật giàu chúng) trong công nghiệp đã làm giảm giá thành của các chế phẩm sinh hóa quan trọng như axit ascorbic và hormone steroid xuống nhiều lần.

Ngày nay, ở hầu hết các nước có kỹ thuật phát triển đã hình thành các xí nghiệp chuyên biệt sản xuất các chế phẩm enzym. Những loại thuốc này được sử dụng trong nhiều lĩnh vực của ngành công nghiệp nhẹ, thực phẩm và dược phẩm, tăng cường và giảm chi phí sản xuất. Ví dụ, việc sử dụng chúng có thể làm tăng giá trị dinh dưỡng của thức ăn trong chăn nuôi.

Có vẻ như khả năng sử dụng các loại thuốc như vậy là vô tận. Nhưng trên thực tế, mặc dù có các đặc tính xúc tác đáng chú ý của enzym, việc sử dụng chúng trong thực tế cho đến gần đây là tương đối hạn chế. Nguyên nhân? Tính không ổn định của các enzym và khó tách chúng ra khỏi các sản phẩm phản ứng. Điều này đã loại trừ việc tái sử dụng các enzym và làm cho phương pháp này không có lợi trong nhiều trường hợp.

Thời gian qua, những tồn tại này phần lớn đã được khắc phục. Phương pháp gọi là cố định enzym đã giúp ích ở đây. Điều gì sẽ xảy ra nếu một enzym không ổn định được gắn bằng cách sử dụng các liên kết hóa học mạnh hoặc bằng các cách khác với các chất mang không hòa tan cao phân tử có bản chất khác nhau - dẫn xuất cellulose, nhựa trao đổi ion, thủy tinh xốp, gel organosilicat? Nguyên tắc này phần nào gợi nhớ đến việc ghép các giống táo miền Nam với các giống táo miền Bắc chịu được sương giá. Nhưng, tất nhiên, nó chỉ nhắc nhở tôi từ xa. Đây là những quy mô khác nhau, những cơ chế khác nhau, tinh vi hơn nhiều. Và câu hỏi khá tự nhiên ở đây: các phẩm chất quý giá của các enzym có được bảo toàn sau khi các hoạt động như vậy được thực hiện trên chúng không?

Và hóa ra: đúng vậy. Hơn nữa, các enzym cố định, trong khi vẫn giữ được một phần đáng kể hoạt tính xúc tác của chúng, trong nhiều trường hợp có độ ổn định tăng lên đáng kể.

Bạn hiểu điều gì có thể làm được nếu vị trí của các chất xúc tác ngày nay, khá thô, "không linh hoạt" so với các enzym, được sử dụng trong công nghiệp, nông nghiệp, y học bằng các máy gia tốc và chất làm chậm phản ứng mới sở hữu tất cả các phẩm chất tốt nhất của enzym, nhưng đồng thời thời gian kháng của chất xúc tác nhân tạo. Nếu những “nhân mã” như vậy được “khai thác” một cách thích hợp vào nền kinh tế, buộc phải làm việc vì nhu cầu của nó với sự cống hiến hết mình, điều này có thể dẫn đến sự gia tăng nghiêm trọng về hiệu quả sản xuất.

Không phải ngẫu nhiên mà những hy vọng lớn đang được đặt vào nhánh nghiên cứu mới này - cái gọi là "kỹ thuật lên men". Nó hứa hẹn sẽ đơn giản hóa đáng kể nhiều ngành và tạo ra những ngành mới về cơ bản. Bất chấp các chi phí bổ sung cho việc sản xuất các enzym cố định, khả năng sử dụng lặp lại của chúng làm cho công nghệ mới trở nên hợp lý về mặt kinh tế.

Các nhà khoa học kỳ vọng rằng với việc sử dụng các enzym cố định trong tương lai, có thể giải quyết một số vấn đề phức tạp không chỉ về tổng hợp hữu cơ tốt, mà còn cả năng lượng hóa học, ví dụ, để tạo ra các hệ thống xúc tác sinh học để cố định nitơ khí quyển, tổng hợp nhiên liệu hữu cơ lỏng từ carbon dioxide và khí tự nhiên.

Không cần phải nói rằng giải pháp của những vấn đề này và các vấn đề ứng dụng khác liên quan đến xúc tác sinh học chỉ có thể thực hiện được với mức độ nghiên cứu cơ bản đủ cao về cấu trúc và chức năng của các enzym. Nhiều viện nghiên cứu và trường đại học có liên quan đến hóa học và sinh hóa của các enzym. Các nhà khoa học trong nước đã có nhiều đóng góp lớn, được quốc tế công nhận cho lĩnh vực khoa học này.

Con người đã tham gia vào cuộc cạnh tranh với thiên nhiên trong những khu vực mà về cơ bản là không thể tiếp cận chỉ mới ngày hôm qua. Nắm vững bí mật của enzyme, buộc chúng phải phục vụ bản thân, tăng cường hạnh phúc và bảo vệ sức khỏe, ông viết một trang mới trong cuốn sách vĩ đại về kiến ​​thức của chúng ta về thế giới.

A. Braunstein

Các ấn phẩm tương tự

Lồng là gì?

Cấu trúc protein được xây dựng như thế nào

Xung thần kinh và RNA