เอ็นไซม์ตรึงและการใช้งาน

2024 ผู้เขียน: Angel Austin | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2023-12-17 05:43

แนวคิดของเอ็นไซม์ที่ทำให้เคลื่อนที่ไม่ได้ปรากฏตัวครั้งแรกในช่วงครึ่งหลังของศตวรรษที่ 20 ในขณะเดียวกัน ย้อนกลับไปในปี 1916 พบว่าซูโครสที่ถูกดูดซับด้วยคาร์บอนยังคงรักษากิจกรรมการเร่งปฏิกิริยาไว้ ในปี 1953 D. Schleit และ N. Grubhofer ได้ทำการจับ pepsin, amylase, carboxypeptidase และ RNase ครั้งแรกกับตัวพาที่ไม่ละลายน้ำ แนวคิดของเอนไซม์ตรึงถูกกฎหมายในปี พ.ศ. 2514 ซึ่งเกิดขึ้นในการประชุมครั้งแรกด้านวิศวกรรมเอนไซม์ ในปัจจุบัน แนวคิดของเอ็นไซม์ที่ถูกตรึงนั้นได้รับการพิจารณาในความหมายที่กว้างกว่าที่เคยเป็นในปลายศตวรรษที่ 20 มาดูหมวดนี้กันดีกว่า

ข้อมูลทั่วไป

เอ็นไซม์ตรึงคือสารประกอบที่จับเทียมกับตัวพาที่ไม่ละลายน้ำ อย่างไรก็ตาม พวกมันยังคงคุณสมบัติตัวเร่งปฏิกิริยาไว้ ในปัจจุบัน กระบวนการนี้ได้รับการพิจารณาในสองด้าน - ภายในกรอบของการจำกัดเสรีภาพในการเคลื่อนที่ของโมเลกุลโปรตีนบางส่วนและทั้งหมด

ศักดิ์ศรี

นักวิทยาศาสตร์ได้สร้างประโยชน์บางประการของเอนไซม์ตรึง โดยทำหน้าที่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาที่ต่างกัน พวกมันสามารถแยกออกจากตัวกลางของปฏิกิริยาได้อย่างง่ายดาย จากการวิจัยพบว่าการใช้เอนไซม์ตรึงสามารถทำซ้ำได้ ในระหว่างกระบวนการผูกมัด การเชื่อมต่อจะเปลี่ยนคุณสมบัติ พวกเขาได้รับความจำเพาะและความเสถียรของพื้นผิว ในเวลาเดียวกัน กิจกรรมของพวกเขาก็เริ่มขึ้นอยู่กับสภาพแวดล้อม เอนไซม์ตรึงมีความทนทานและมีความคงตัวสูง มากกว่าตัวอย่างเช่น เอ็นไซม์อิสระหลายพันเท่า ทั้งหมดนี้ทำให้มั่นใจได้ถึงประสิทธิภาพ ความสามารถในการแข่งขัน และความประหยัดของเทคโนโลยีที่มีเอ็นไซม์ตรึงอยู่

สื่อ

จ. Poratu ระบุคุณสมบัติหลักของวัสดุในอุดมคติที่จะใช้ในการตรึง ผู้ถือต้องมี:

1. ละลายไม่ได้
2. ทนทานต่อสารเคมีและชีวภาพ
3. ความสามารถในการเปิดใช้งานอย่างรวดเร็ว ผู้ให้บริการควรจะมีปฏิกิริยาอย่างง่ายดาย
4. ชอบน้ำมาก
5. การซึมผ่านที่จำเป็น ตัวบ่งชี้ควรเป็นที่ยอมรับอย่างเท่าเทียมกันสำหรับทั้งเอ็นไซม์และโคเอ็นไซม์ ผลิตภัณฑ์จากปฏิกิริยา และซับสเตรต

ปัจจุบันไม่มีวัสดุที่ตรงตามข้อกำหนดเหล่านี้โดยสมบูรณ์ อย่างไรก็ตามในทางปฏิบัติมีการใช้พาหะที่เหมาะสำหรับการตรึงเอนไซม์บางประเภทภายใต้สภาวะเฉพาะ

การจำแนก

ขึ้นอยู่กับลักษณะของพวกมัน วัสดุที่เกี่ยวข้องกับสารประกอบที่จะถูกแปลงเป็นเอ็นไซม์ที่ทำให้เคลื่อนที่ไม่ได้จะถูกแบ่งออกเป็นอนินทรีย์และอินทรีย์ การจับกันของสารประกอบหลายชนิดจะดำเนินการกับตัวพาโพลีเมอร์ วัสดุอินทรีย์เหล่านี้แบ่งออกเป็น 2 ชั้น: สังเคราะห์และธรรมชาติ ในทางกลับกันกลุ่มจะแตกต่างกันไปตามโครงสร้าง สารพาหะอนินทรีย์ส่วนใหญ่แสดงด้วยวัสดุที่ทำจากแก้ว เซรามิก ดินเหนียว ซิลิกาเจล และกราไฟท์แบล็ก เมื่อทำงานกับวัสดุ วิธีการเคมีแบบแห้งเป็นที่นิยม เอ็นไซม์ที่ถูกตรึงนั้นได้มาจากตัวพาการเคลือบด้วยฟิล์มของไททาเนียม อลูมิเนียม เซอร์โคเนียม แฮฟเนียมออกไซด์ หรือโดยการแปรรูปด้วยโพลีเมอร์อินทรีย์ ข้อได้เปรียบที่สำคัญของวัสดุคือความง่ายในการสร้างใหม่

พาหะโปรตีน

วัสดุที่นิยมคือลิปิด โพลีแซ็กคาไรด์ และโปรตีน ในระยะหลังควรเน้นที่โพลีเมอร์ที่มีโครงสร้าง ซึ่งรวมถึงคอลลาเจน ไฟบริน เคราติน และเจลาตินเป็นหลัก โปรตีนดังกล่าวมีการกระจายอย่างกว้างขวางในสภาพแวดล้อมทางธรรมชาติ พวกเขามีราคาไม่แพงและประหยัด นอกจากนี้ยังมีกลุ่มฟังก์ชันจำนวนมากสำหรับการผูก โปรตีนสามารถย่อยสลายได้ทางชีวภาพ นี้ช่วยให้ขยายการใช้เอนไซม์ตรึงในยา ในขณะเดียวกันโปรตีนก็มีคุณสมบัติเชิงลบเช่นกัน ข้อเสียของการใช้เอ็นไซม์ที่ทำให้เคลื่อนที่ไม่ได้กับตัวพาโปรตีนคือการสร้างภูมิคุ้มกันในระดับสูงเช่นเดียวกับความสามารถในการแนะนำเฉพาะบางกลุ่มในปฏิกิริยา

โพลีแซคคาไรด์, อะมิโนแซ็กคาไรด์

ในบรรดาวัสดุเหล่านี้ ไคติน เดกซ์ตรอน เซลลูโลส อากาโรส และอนุพันธ์ของสารเหล่านี้มักถูกใช้บ่อยที่สุด เพื่อให้พอลิแซ็กคาไรด์มีความทนทานต่อปฏิกิริยามากขึ้น สายโซ่เชิงเส้นของพวกมันจะถูกเชื่อมขวางกับอีพิคลอโรไฮดริน กลุ่มไอโอนิกต่างๆ ได้รับการแนะนำอย่างอิสระในโครงสร้างเครือข่าย ไคตินสะสมในปริมาณมากเป็นของเสียในระหว่างกระบวนการผลิตกุ้งและปูทางอุตสาหกรรม สารนี้ทนต่อสารเคมีและมีโครงสร้างเป็นรูพรุนที่ชัดเจน

โพลีเมอร์สังเคราะห์

วัสดุกลุ่มนี้มีความหลากหลายและเข้าถึงได้ง่าย ประกอบด้วยโพลีเมอร์ที่มีกรดอะคริลิก สไตรีน โพลิไวนิลแอลกอฮอล์ โพลียูรีเทนและโพลีเอไมด์โพลีเมอร์ ส่วนใหญ่มีความแข็งแรงทางกล ในกระบวนการของการเปลี่ยนแปลง สิ่งเหล่านี้ให้ความเป็นไปได้ในการเปลี่ยนขนาดรูพรุนภายในช่วงที่ค่อนข้างกว้าง โดยแนะนำกลุ่มการทำงานต่างๆ

วิธีการผูก

ปัจจุบัน มีสองตัวเลือกที่แตกต่างกันโดยพื้นฐานสำหรับการตรึง อย่างแรกคือการได้สารประกอบที่ไม่มีพันธะโควาเลนต์กับตัวพา วิธีนี้เป็นวิธีการทางกายภาพ อีกทางเลือกหนึ่งเกี่ยวข้องกับการเกิดพันธะโควาเลนต์กับวัสดุ นี่คือวิธีทางเคมี

การดูดซับ

ด้วยความช่วยเหลือของเอ็นไซม์ตรึงได้จากการถือยาไว้บนพื้นผิวของพาหะเนื่องจากการกระจายตัว ปฏิกิริยาไม่ชอบน้ำ ไฟฟ้าสถิต และพันธะไฮโดรเจน การดูดซับเป็นวิธีแรกในการจำกัดการเคลื่อนที่ขององค์ประกอบ อย่างไรก็ตาม แม้กระทั่งตอนนี้ ตัวเลือกนี้ก็ไม่ได้สูญเสียความเกี่ยวข้องไป นอกจากนี้ การดูดซับถือเป็นวิธีการตรึงที่พบมากที่สุดในอุตสาหกรรม

คุณสมบัติของวิธีการ

สิ่งพิมพ์ทางวิทยาศาสตร์อธิบายเอนไซม์มากกว่า 70 ชนิดที่ได้จากวิธีการดูดซับ สารพาหะส่วนใหญ่เป็นแก้วที่มีรูพรุน ดินเหนียวต่างๆ โพลิแซ็กคาไรด์ อะลูมิเนียมออกไซด์ โพลีเมอร์สังเคราะห์ ไททาเนียม และโลหะอื่นๆ หลังเป็นที่นิยมใช้กันมากที่สุด ประสิทธิภาพการดูดซับยาบนตัวพาจะพิจารณาจากความพรุนของวัสดุและพื้นที่ผิวจำเพาะ

กลไกการออกฤทธิ์

การดูดซับเอ็นไซม์บนวัสดุที่ไม่ละลายน้ำทำได้ง่าย ทำได้โดยการสัมผัสสารละลายของยากับตัวพา มันสามารถผ่านในลักษณะคงที่หรือไดนามิก สารละลายของเอนไซม์ผสมกับตะกอนสด เช่น ไททาเนียมไฮดรอกไซด์ จากนั้นสารประกอบจะถูกทำให้แห้งภายใต้สภาวะที่ไม่รุนแรง กิจกรรมของเอนไซม์ในระหว่างการตรึงดังกล่าวจะคงอยู่เกือบ 100% ในเวลาเดียวกันความเข้มข้นจำเพาะถึง 64 มก. ต่อกรัมของผู้ให้บริการ

ช่วงเวลาเชิงลบ

ข้อเสียของการดูดซับรวมถึงความแรงต่ำเมื่อจับกับเอ็นไซม์และตัวพา ในกระบวนการเปลี่ยนแปลงสภาวะของปฏิกิริยา สามารถสังเกตการสูญเสียองค์ประกอบ การปนเปื้อนของผลิตภัณฑ์ และการคายโปรตีนได้ เพื่อเพิ่มความแข็งแกร่งตัวพาที่มีผลผูกพันถูกแก้ไขล่วงหน้า โดยเฉพาะอย่างยิ่ง วัสดุได้รับการบำบัดด้วยไอออนของโลหะ โพลีเมอร์ สารประกอบที่ไม่เข้ากับน้ำ และสารโพลีฟังก์ชันอื่นๆ ในบางกรณี ตัวยาเองจะถูกดัดแปลง แต่บ่อยครั้งสิ่งนี้ทำให้กิจกรรมลดลง

รวมในเจล

ตัวเลือกนี้ค่อนข้างธรรมดาเนื่องจากมีเอกลักษณ์และความเรียบง่าย วิธีนี้ไม่เหมาะสำหรับองค์ประกอบแต่ละอย่างเท่านั้น แต่สำหรับสารเชิงซ้อนที่มีหลายเอนไซม์ด้วย การรวมตัวในเจลสามารถทำได้สองวิธี ในกรณีแรกยาจะถูกรวมเข้ากับสารละลายน้ำของโมโนเมอร์หลังจากนั้นจะทำปฏิกิริยาพอลิเมอไรเซชัน เป็นผลให้มีโครงสร้างเจลเชิงพื้นที่ปรากฏขึ้นซึ่งมีโมเลกุลของเอนไซม์ในเซลล์ ในกรณีที่สอง ยาจะถูกนำเข้าสู่สารละลายของพอลิเมอร์สำเร็จรูป จากนั้นนำไปแช่ในสถานะเจล

บุกรุกโครงสร้างโปร่งแสง

สาระสำคัญของวิธีการตรึงนี้คือการแยกสารละลายของเอนไซม์ที่เป็นน้ำออกจากสารตั้งต้น ด้วยเหตุนี้จึงใช้เมมเบรนแบบกึ่งซึมผ่านได้ ช่วยให้องค์ประกอบน้ำหนักโมเลกุลต่ำของโคแฟคเตอร์และซับสเตรตสามารถผ่านเข้าไปและรักษาโมเลกุลขนาดใหญ่ของเอ็นไซม์ได้

ไมโครแคปซูล

มีหลายตัวเลือกสำหรับการฝังในโครงสร้างโปร่งแสง ในจำนวนนี้ ไมโครเอนแคปซูเลชันและการรวมโปรตีนเข้ากับไลโปโซมเป็นสิ่งที่น่าสนใจที่สุด ตัวเลือกแรกเสนอในปี 2507 โดย ต.ช้าง ประกอบด้วยความจริงที่ว่าสารละลายเอนไซม์ถูกนำเข้าสู่แคปซูลปิดซึ่งผนังทำจากกึ่งซึมผ่านได้พอลิเมอร์ การปรากฏตัวของเมมเบรนบนพื้นผิวเกิดจากปฏิกิริยาของการรวมตัวของสารประกอบพอลิคอนเดนเสท หนึ่งในนั้นละลายในสารอินทรีย์และอีกตัวหนึ่ง - ในระยะที่เป็นน้ำ ตัวอย่างคือการก่อรูปของไมโครแคปซูลที่ได้จากการควบแน่นของกรดเซบาซิกเฮไลด์ (เฟสอินทรีย์) และเฮกซาเมทิลีนไดเอมีน-1, 6 (ตามลำดับ เฟสที่เป็นน้ำ) ความหนาของเมมเบรนคำนวณในหน่วยร้อยไมโครมิเตอร์ ขนาดของแคปซูลคือหลายร้อยหรือสิบไมโครเมตร

รวมเข้ากับไลโปโซม

วิธีการตรึงนี้ใกล้เคียงกับไมโครแคปซูล ไลโปโซมถูกนำเสนอในระบบแผ่นหรือทรงกลมของไขมันไบเลเยอร์ วิธีนี้ใช้ครั้งแรกในปี 1970 เพื่อแยกไลโปโซมออกจากสารละลายไขมัน ตัวทำละลายอินทรีย์จะระเหยไป ฟิล์มบางที่เหลือจะกระจายตัวในสารละลายที่เป็นน้ำซึ่งมีเอนไซม์อยู่ ในระหว่างกระบวนการนี้จะเกิดการประกอบตัวเองของโครงสร้างไขมันสองชั้น เอนไซม์ตรึงดังกล่าวค่อนข้างเป็นที่นิยมในทางการแพทย์ นี่เป็นเพราะความจริงที่ว่าโมเลกุลส่วนใหญ่มีการแปลเป็นภาษาท้องถิ่นในเมทริกซ์ไขมันของเยื่อหุ้มชีวภาพ เอ็นไซม์ที่ทำให้เคลื่อนที่ไม่ได้ซึ่งรวมอยู่ในไลโปโซมเป็นเอกสารการวิจัยที่สำคัญที่สุดในการแพทย์ ซึ่งทำให้สามารถศึกษาและอธิบายรูปแบบของกระบวนการที่สำคัญได้

สร้างพันธะใหม่

การตรึงด้วยการสร้างสายโซ่โควาเลนต์ใหม่ระหว่างเอ็นไซม์และสารพาหะถือเป็นวิธีการที่แพร่หลายที่สุดในการรับตัวเร่งปฏิกิริยาทางชีวภาพทางอุตสาหกรรมปลายทาง. ซึ่งแตกต่างจากวิธีการทางกายภาพ ตัวเลือกนี้ให้พันธะที่ไม่อาจย้อนกลับได้และแข็งแรงระหว่างโมเลกุลกับวัสดุ การก่อตัวของมันมักจะมาพร้อมกับการรักษาเสถียรภาพของยา ในเวลาเดียวกัน ตำแหน่งของเอ็นไซม์ที่ระยะห่างของพันธะโควาเลนต์ที่ 1 ที่สัมพันธ์กับตัวพาทำให้เกิดปัญหาบางประการในการใช้กระบวนการเร่งปฏิกิริยา โมเลกุลถูกแยกออกจากวัสดุโดยใช้เม็ดมีด มักใช้เป็นตัวแทน poly- และ bifunctional โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ได้แก่ ไฮดราซีน ไซยาโนเจนโบรไมด์ กลูตาริกไดอัลเฮดไรด์ ซัลฟูริลคลอไรด์ เป็นต้น ตัวอย่างเช่น ในการกำจัดกาแลคโตซิลทรานส์เฟอเรส ลำดับต่อไปนี้จะถูกแทรกระหว่างตัวพาและเอ็นไซม์ -CH₂- NH-(CH 2₎5_{-CO-. ในสถานการณ์เช่นนี้ เม็ดมีด โมเลกุล และตัวพามีอยู่ในโครงสร้าง ทั้งหมดเชื่อมต่อกันด้วยพันธะโควาเลนต์ ความสำคัญพื้นฐานคือความจำเป็นในการแนะนำกลุ่มฟังก์ชันปฏิกิริยาซึ่งไม่จำเป็นสำหรับฟังก์ชันตัวเร่งปฏิกิริยาขององค์ประกอบ ตามกฎแล้วไกลโคโปรตีนจะยึดติดกับตัวพาไม่ผ่านโปรตีน แต่ผ่านส่วนคาร์โบไฮเดรต เป็นผลให้ได้รับเอ็นไซม์ตรึงที่เสถียรและใช้งานได้มากขึ้น}

เซลล์

วิธีการที่อธิบายไว้ข้างต้นถือเป็นสากลสำหรับตัวเร่งปฏิกิริยาทางชีวภาพทุกประเภท สิ่งเหล่านี้รวมถึงเซลล์โครงสร้างย่อยการตรึงซึ่งเพิ่งเป็นที่แพร่หลาย ทั้งนี้เนื่องมาจากสิ่งต่อไปนี้ เมื่อเซลล์ถูกตรึง ไม่จำเป็นต้องแยกและทำให้การเตรียมเอนไซม์บริสุทธิ์หรือนำปัจจัยร่วมเข้าสู่ปฏิกิริยา ส่งผลให้ระบบที่ดำเนินกระบวนการต่อเนื่องหลายขั้นตอน

การใช้เอนไซม์ตรึง

ในสัตวแพทยศาสตร์ อุตสาหกรรม และภาคเศรษฐกิจอื่น ๆ ยาที่ได้จากวิธีการข้างต้นนั้นค่อนข้างเป็นที่นิยม แนวทางปฏิบัติที่พัฒนาขึ้นในเชิงปฏิบัติช่วยแก้ปัญหาการส่งยาเป้าหมายในร่างกาย เอ็นไซม์ที่ถูกตรึงทำให้สามารถรับยาที่ออกฤทธิ์เป็นเวลานานโดยมีสารก่อภูมิแพ้และความเป็นพิษน้อยที่สุด ปัจจุบันนักวิทยาศาสตร์กำลังแก้ปัญหาที่เกี่ยวข้องกับการแปลงมวลและพลังงานทางชีวภาพโดยใช้วิธีการทางจุลชีววิทยา ในขณะเดียวกัน เทคโนโลยีของเอ็นไซม์ที่ถูกตรึงก็มีส่วนสำคัญในการทำงานเช่นกัน โอกาสในการพัฒนาดูเหมือนจะค่อนข้างกว้าง ดังนั้น ในอนาคต หนึ่งในบทบาทสำคัญในกระบวนการตรวจสอบสถานะของสิ่งแวดล้อมควรเป็นของการวิเคราะห์ประเภทใหม่ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง เรากำลังพูดถึงวิธีการเรืองแสงทางชีวภาพและเอนไซม์อิมมูโนแอสเซย์ วิธีการขั้นสูงมีความสำคัญเป็นพิเศษในการแปรรูปวัตถุดิบลิกโนเซลลูโลส เอนไซม์ตรึงสามารถใช้เป็นเครื่องขยายสัญญาณอ่อนได้ ศูนย์แอคทีฟอาจอยู่ภายใต้อิทธิพลของพาหะที่อยู่ภายใต้อัลตราซาวนด์ ความเค้นทางกล หรืออยู่ภายใต้การเปลี่ยนแปลงของไฟโตเคมิคอล