Acceleratori biologici

Come testimoniano le leggende e i racconti popolari dell'antichità, persone da tempo immemorabile hanno preparato vino con succo d'uva, fatto formaggio con latte acido, colpito nemici e animali selvatici con frecce, le cui punte erano sature di veleno mortale. L'uomo ha osservato e utilizzato molte trasformazioni sorprendenti che avvengono negli organismi viventi e nei materiali da essi prelevati, come la coagulazione del sangue, la maturazione (e la decomposizione) di carne, pesce e prodotti vegetali. Ma perché tutto questo sta accadendo, non ha saputo spiegare per molto tempo. Fu solo all'inizio del XIX secolo che le sostanze attive che causavano tali trasformazioni furono scoperte in oggetti biologici.

Si chiamano enzimi. I primi enzimi puri isolati negli anni '30 del XX secolo sotto forma di cristalli si sono rivelati proteine, e tutti quelli ottenuti successivamente (ora sono circa duemila) sono anche tipi speciali di proteine.

Ora sappiamo che gli enzimi sono incommensurabilmente superiori ai catalizzatori artificiali in molti modi. Prima di tutto, dalla forza dell'azione. Migliaia di reazioni chimiche avvengono negli organismi viventi con la partecipazione di enzimi senza alte temperature e pressioni milioni e miliardi di volte più velocemente che in presenza dei migliori catalizzatori chimici.

Gli enzimi hanno un altro vantaggio, il più importante. Si differenziano dai catalizzatori artificiali per la sorprendente razionalità delle loro azioni, rigorosamente dirette ed efficaci. Ogni enzima funziona in modo ottimale, senza cercare "soluzioni tecnologiche ottimali", convertendo solo uno o un gruppo di composti strettamente correlati. Inoltre, si trasforma in una direzione strettamente definita.

Queste sono le incredibili capacità che gli enzimi hanno scoperto. Tuttavia, conoscendo molto sulle loro proprietà, i ricercatori, anche alle soglie del nostro secolo, non hanno saputo rispondere alla domanda su cosa siano. È vero, anche allora scienziati di spicco come I. Pavlov, A. Bach, E. Fischer, F.Hopkins erano convinti che l'attività vitale di qualsiasi organismo, il metabolismo, non fosse altro che un insieme di innumerevoli reazioni chimiche che si verificano nelle cellule viventi rigorosamente ordinate. . E gli enzimi sono il tipo di "agenti delle forze dell'ordine" (o meglio, i suoi organizzatori). Quindi è chiaro quale ruolo importante svolgono nel metabolismo. E lui, a sua volta, è la base di tutte le funzioni biologiche: nutrizione, riproduzione, sviluppo, eredità, irritabilità, mobilità.

Dopo tutto, a cosa servono questi "misteriosi sconosciuti" - enzimi? Ci sono voluti anni di lavoro, riflessione e sperimentazione prima che diventasse chiaro che negli organismi non solo accelerano le reazioni metaboliche, ma servono anche come strumenti importanti per le parti "funzionanti" delle cellule. Questo è stato mostrato per la prima volta negli anni '30 del secolo scorso da V. Engelhardt e M. Lyubimova. Hanno scoperto che la proteina contrattile muscolare e l'enzima che rilascia energia per la contrazione sono identici. Engelhardt ha suggerito che gli enzimi costituiscono una parte essenziale dell'intera massa di proteine ​​cellulari.

Questa idea è stata pienamente confermata. Inoltre, si è scoperto che gli organi estremamente importanti delle cellule, associati alla sintesi delle proteine, al trasferimento di sostanze e alla respirazione cellulare, sono ciascuno costituiti principalmente da speciali proteine ​​enzimatiche. In altre parole, gli enzimi vengono posti esattamente dove sono necessari come sottile strumento di trasformazione chimica.

Il lettore potrebbe chiedersi: è così importante, dov'è quale enzima è "registrato"? La cosa principale è sapere come funziona. Si scopre che la "topografia" in questo caso è estremamente importante non solo per la scienza, ma anche per la pratica. Dopo tutto, gli enzimi non solo accelerano le reazioni.Loro stessi, a loro volta, sono presi di mira dall'azione della maggior parte dei composti biologicamente attivi: vitamine, ormoni, antibiotici, sostanze medicinali e veleni.

Devo spiegare quali prospettive sono piene sia della definizione esatta delle "coordinate" di alcuni enzimi, sia della capacità di influenzarne l'azione. Ad esempio, composti organici complessi che attaccano uno degli enzimi essenziali per il funzionamento dei centri nervosi hanno dimostrato di essere un potente trattamento per diverse gravi malattie degli occhi e nervose. Per chiarire la struttura e le funzioni degli enzimi, la scienza è alla ricerca di metodi per il controllo pratico dei processi fisiologici e di nuovi modi per proteggere gli organismi viventi dagli effetti nocivi.

Oggigiorno sono noti più di cinquecento difetti metabolici congeniti negli esseri umani, la cui causa è una violazione ereditaria e geneticamente determinata della sintesi di un certo enzima. Quindi, ad esempio, l'assenza congenita di un enzima che accelera l'ultimo stadio della biosintesi dell'amminoacido tirosina, porta a una brusca interruzione dello sviluppo fisico e mentale dei bambini. Difetti nella formazione di alcuni enzimi del metabolismo dello zucchero provocano pericolosi disturbi nella stabilità delle cellule del sangue.

L'insuperabile selettività dell'azione degli enzimi li rende reagenti inestimabili per l'analisi biochimica, misurando il contenuto di un determinato zucchero, amminoacido, ecc. In una miscela complessa di composti simili e correlati, nonché ai fini della sintesi organica fine. Pertanto, l'uso di preparati enzimatici (o cellule microbiche ricche di essi) nell'industria ha ridotto di molte volte il costo di preparati biochimici così importanti come l'acido ascorbico e gli ormoni steroidei.

Oggi, nella maggior parte dei paesi tecnicamente sviluppati, sono state create imprese specializzate che producono preparati enzimatici. Questi farmaci sono utilizzati in molte aree dell'industria leggera, alimentare e farmaceutica, intensificano e riducono i costi di produzione. Ad esempio, il loro utilizzo può aumentare il valore nutritivo dei mangimi nell'allevamento di animali.

Sembrerebbe che le possibilità di utilizzare tali farmaci siano infinite. Ma in realtà, nonostante le notevoli proprietà catalitiche degli enzimi, il loro uso pratico fino a poco tempo fa era relativamente limitato. Causa? L'instabilità degli enzimi e la difficoltà di separarli dai prodotti di reazione. Ciò ha eliminato il riutilizzo degli enzimi e in molti casi ha reso questo metodo non redditizio.

Di recente, queste carenze sono state ampiamente superate. Il metodo della cosiddetta immobilizzazione degli enzimi ha aiutato qui. Cosa succede se un enzima instabile viene attaccato usando forti legami chimici o con altri mezzi a veicoli insolubili polimerici di varia natura: derivati ​​della cellulosa, materie plastiche a scambio ionico, vetri porosi, gel di organosilicato? Questo principio ricorda in qualche modo l'innesto di varietà meridionali di meli su varietà settentrionali resistenti al gelo. Ma, ovviamente, mi ricorda solo da lontano. Qui ci sono scale diverse, meccanismi diversi, molto più sottili. E la domanda è abbastanza naturale qui: le preziose qualità degli enzimi sono preservate del tutto dopo che tali operazioni sono state eseguite su di loro?

E si è scoperto: sì, lo sono. Inoltre, gli enzimi immobilizzati, pur conservando una parte significativa dell'attività catalitica, in molti casi hanno una stabilità notevolmente aumentata.

Capisci cosa si può fare se il posto dei catalizzatori odierni, piuttosto grossolani, "inflessibili" rispetto agli enzimi, vengono presi nell'industria, nell'agricoltura, nella medicina da nuovi acceleratori e ritardanti di reazione che possiedono tutte le migliori qualità di enzimi, ma tempo la resistenza dei catalizzatori artificiali. Se tali “centauri” vengono adeguatamente “imbrigliati” nell'economia, costretti a lavorare per i suoi bisogni con piena dedizione, ciò può portare a un serio aumento dell'efficienza produttiva.

Non è un caso che ora si ripongono grandi speranze su questo nuovo ramo della ricerca, la cosiddetta "fermentologia ingegneristica". Promette di semplificare in modo significativo molti settori e crearne di fondamentalmente nuovi. Nonostante i costi aggiuntivi per la produzione di enzimi immobilizzati, la possibilità del loro uso ripetuto rende la nuova tecnologia economicamente giustificata.

Gli scienziati si aspettano che in futuro con l'uso di enzimi immobilizzati sarà possibile avvicinarsi alla soluzione di una serie di problemi complessi non solo di sintesi organica fine, ma anche di energia chimica, ad esempio la creazione di sistemi biocatalitici per il fissaggio atmosferico azoto, sintesi di combustibile organico liquido da anidride carbonica e gas naturale.

Inutile dire che la soluzione di questi ed altri problemi applicati legati alla catalisi biologica è possibile solo con un livello sufficientemente elevato di ricerca fondamentale sulla struttura e funzione degli enzimi. La chimica e la biochimica degli enzimi sono coinvolte in molti istituti di ricerca e istituti di istruzione superiore. Scienziati nazionali hanno apportato numerosi contributi importanti e riconosciuti a livello internazionale a questo campo della scienza.

L'uomo è entrato in competizione con la natura in zone che ieri sembravano fondamentalmente inaccessibili. Padroneggiando i segreti degli enzimi, costringendoli a servire se stessi, aumentare il loro benessere, proteggere la loro salute, scrive una nuova pagina nel grande libro della nostra conoscenza del mondo.

A. Braunstein

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