Biologische Beschleuniger

Wie die Legenden und Volksmärchen der Antike bezeugen, haben Menschen seit jeher Wein aus Traubensaft zubereitet, Käse aus Sauermilch hergestellt, Feinde und wilde Tiere mit Pfeilen getroffen, deren Spitzen mit tödlichem Gift gesättigt waren. Der Mensch hat viele erstaunliche Veränderungen in lebenden Organismen und daraus entnommenen Materialien beobachtet und angewendet, wie z. B. Blutgerinnung, Reifung (und Zersetzung) von Fleisch, Fisch und pflanzlichen Produkten. Aber warum das alles passiert, konnte er lange nicht erklären. Erst zu Beginn des 19. Jahrhunderts wurden in biologischen Objekten Wirkstoffe entdeckt, die solche Transformationen verursachen.

Sie werden Enzyme genannt. Die ersten reinen Enzyme, die in den 30er Jahren des 20. Jahrhunderts in Form von Kristallen isoliert wurden, erwiesen sich als Proteine, und alle später erhaltenen (jetzt gibt es etwa zweitausend davon) sind ebenfalls spezielle Arten von Proteinen.

Wir wissen jetzt, dass Enzyme künstlichen Katalysatoren in vielerlei Hinsicht unermesslich überlegen sind. Zuallererst die Stärke der Aktion. Tausende chemischer Reaktionen finden in lebenden Organismen unter Beteiligung von Enzymen ohne hohe Temperaturen und Drücke millionen- und milliardenfach schneller statt als in Gegenwart der besten chemischen Katalysatoren.

Enzyme haben einen weiteren Vorteil - den wichtigsten. Sie unterscheiden sich von künstlichen Katalysatoren durch die auffallende Rationalität ihrer Handlungen, die streng gerichtet und am effektivsten sind. Jedes Enzym arbeitet optimal, ohne nach "optimalen technologischen Lösungen" zu suchen, und wandelt nur eine oder eine Gruppe eng verwandter Verbindungen um. Darüber hinaus transformiert es sich in eine genau definierte Richtung.

Dies sind die erstaunlichen Fähigkeiten, die Enzyme gefunden haben. Da die Forscher jedoch viel über ihre Eigenschaften wussten, konnten sie selbst an der Schwelle unseres Jahrhunderts die Frage, was sie sind, nicht beantworten. Selbst dann waren so herausragende Wissenschaftler wie I. Pawlow, A. Bach, E. Fischer und F. Hopkins davon überzeugt, dass die Stoffwechselaktivität eines Organismus nichts anderes ist als eine Reihe unzähliger chemischer Reaktionen, die in lebenden Zellen auftreten streng bestellt. Und Enzyme sind die Art von „Strafverfolgungsbeamten“ (oder besser gesagt deren Organisatoren). Daher ist klar, welche wichtige Rolle sie im Stoffwechsel spielen. Und er wiederum ist die Grundlage aller biologischen Funktionen: Ernährung, Fortpflanzung, Entwicklung, Vererbung, Reizbarkeit, Mobilität.

Wofür sind diese "mysteriösen Fremden" - Enzyme? Es dauerte Jahre der Arbeit, Reflexion und des Experimentierens, bis klar wurde, dass sie in Organismen nicht nur Stoffwechselreaktionen beschleunigen, sondern auch als wichtige Werkzeuge für die "arbeitenden" Teile von Zellen dienen. Dies wurde erstmals in den 30er Jahren des letzten Jahrhunderts von V. Engelhardt und M. Lyubimova gezeigt. Sie fanden heraus, dass das kontraktile Muskelprotein und das Enzym, das Energie für die Kontraktion freisetzt, identisch sind. Engelhardt schlug vor, dass Enzyme einen wesentlichen Teil der gesamten Masse zellulärer Proteine ​​ausmachen.

Diese Idee wurde vollständig bestätigt. Darüber hinaus stellte sich heraus, dass die äußerst wichtigen Organe von Zellen, die mit der Synthese von Proteinen, dem Transfer von Substanzen und der Zellatmung verbunden sind, jeweils hauptsächlich aus speziellen Enzymproteinen aufgebaut sind. Mit anderen Worten, Enzyme werden genau dort platziert, wo sie als subtiles Instrument der chemischen Transformation benötigt werden.

Der Leser kann fragen: Ist es so wichtig, wo welches Enzym "registriert" ist? Die Hauptsache ist zu wissen, wie es funktioniert. Es stellt sich heraus, dass "Topographie" in diesem Fall nicht nur für die Wissenschaft, sondern auch für die Praxis äußerst wichtig ist. Enzyme beschleunigen schließlich nicht nur Reaktionen.Sie selbst sind wiederum von der Wirkung der meisten biologisch aktiven Verbindungen betroffen - Vitamine, Hormone, Antibiotika, Arzneimittel und Gifte.

Ist es notwendig zu erklären, welche Perspektiven sowohl mit der genauen Definition der "Koordinaten" bestimmter Enzyme als auch mit der Fähigkeit, ihre Wirkung zu beeinflussen, behaftet sind? Beispielsweise haben sich komplexe organische Verbindungen, die auf eines der für die Funktion von Nervenzentren essentiellen Enzyme abzielen, als wirksame Behandlung für einige schwere Augen- und Nervenkrankheiten erwiesen. Um die Struktur und Funktionen von Enzymen aufzuklären, sucht die Wissenschaft nach Wegen zur praktischen Kontrolle physiologischer Prozesse und nach neuen Wegen, lebende Organismen vor schädlichen Wirkungen zu schützen.

Heutzutage sind mehr als fünfhundert angeborene Stoffwechselstörungen beim Menschen bekannt, deren Ursache eine erbliche, genetisch bedingte Verletzung der Synthese eines bestimmten Enzyms ist. So führt beispielsweise das angeborene Fehlen eines Enzyms, das das letzte Stadium der Biosynthese der Aminosäure Tyrosin beschleunigt, zu einer starken Störung der körperlichen und geistigen Entwicklung von Kindern. Defekte bei der Bildung bestimmter Enzyme des Zuckerstoffwechsels führen zu gefährlichen Störungen der Stabilität der Blutzellen.

Die unübertroffene Selektivität der Wirkung von Enzymen macht sie zu unschätzbaren Reagenzien für die biochemische Analyse - Messung des Gehalts eines bestimmten Zuckers, einer Aminosäure usw. in einem komplexen Gemisch ähnlicher verwandter Verbindungen sowie zum Zwecke der feinen organischen Synthese. Daher hat die Verwendung von Enzympräparaten (oder von mikrobiellen Zellen, die reich an Mikroben sind) in der Industrie die Kosten für so wichtige biochemische Präparate wie Ascorbinsäure und Steroidhormone um ein Vielfaches gesenkt.

In den meisten technisch entwickelten Ländern wurden heute spezialisierte Unternehmen gegründet, die Enzympräparate herstellen. Diese Medikamente werden in vielen Bereichen der Licht-, Lebensmittel- und Pharmaindustrie eingesetzt, intensivieren und senken die Produktionskosten. Beispielsweise kann ihre Verwendung den Nährwert von Futtermitteln in der Tierhaltung erhöhen.

Es scheint, dass die Möglichkeiten, solche Medikamente zu verwenden, endlos sind. Tatsächlich war ihre praktische Verwendung trotz der bemerkenswerten katalytischen Eigenschaften von Enzymen bis vor kurzem relativ begrenzt. Ursache? Die Instabilität von Enzymen und die Schwierigkeit, sie von den Reaktionsprodukten zu trennen. Dies schloss die Wiederverwendung von Enzymen aus und machte diese Methode in vielen Fällen unrentabel.

In letzter Zeit wurden diese Mängel weitgehend behoben. Hier half die Methode der sogenannten Immobilisierung von Enzymen. Was ist, wenn ein instabiles Enzym unter Verwendung starker chemischer Bindungen oder anderer Methoden an polymere unlösliche Träger verschiedener Art gebunden wird - Derivate von Cellulose, Ionenaustauschkunststoffe, poröse Gläser, Organosilikatgele? Dieses Prinzip erinnert ein wenig an die Veredelung südlicher Apfelsorten mit frostbeständigen nördlichen. Aber es erinnert mich natürlich nur aus der Ferne. Hier gibt es verschiedene Maßstäbe, verschiedene, viel subtilere Mechanismen. Und die Frage ist hier ganz natürlich: Sind die wertvollen Eigenschaften von Enzymen überhaupt erhalten, nachdem solche Operationen an ihnen durchgeführt wurden?

Und es stellte sich heraus: Ja, das sind sie. Darüber hinaus weisen immobilisierte Enzyme in vielen Fällen eine signifikant erhöhte Stabilität auf, während sie einen signifikanten Teil der katalytischen Aktivität beibehalten.

Sie verstehen, was getan werden kann, wenn der Platz der heutigen Katalysatoren, der im Vergleich zu Enzymen eher grob und "unflexibel" ist, in Industrie, Landwirtschaft und Medizin von neuen Beschleunigern und Reaktionsverzögerern eingenommen wird, die die besten Eigenschaften von Enzymen aufweisen und gleichzeitig die Beständigkeit künstlicher Enzyme aufweisen Katalysatoren. Wenn solche „Zentauren“ ordnungsgemäß in die Wirtschaft „eingebunden“ werden und gezwungen sind, mit vollem Einsatz für ihre Bedürfnisse zu arbeiten, kann dies zu einer ernsthaften Steigerung der Produktionseffizienz führen.

Es ist kein Zufall, dass jetzt große Hoffnungen auf diesen neuen Forschungszweig gesetzt werden - die sogenannte "technische Fermentologie". Es verspricht, viele Branchen erheblich zu vereinfachen und grundlegend neue zu schaffen. Trotz der zusätzlichen Kosten für die Herstellung von immobilisierten Enzymen macht die Möglichkeit ihrer wiederholten Verwendung die neue Technologie wirtschaftlich gerechtfertigt.

Wissenschaftler erwarten, dass mit dem Einsatz von immobilisierten Enzymen in Zukunft eine Reihe komplexer Probleme nicht nur der feinen organischen Synthese, sondern auch der chemischen Energie gelöst werden können, beispielsweise bei der Schaffung biokatalytischer Systeme zur Fixierung von Luftstickstoff, der Synthese von flüssigem organischem Kraftstoff aus Kohlendioxid und Erdgas.

Es versteht sich von selbst, dass die Lösung dieser und anderer angewandter Probleme im Zusammenhang mit der biologischen Katalyse nur mit einem ausreichend hohen Maß an Grundlagenforschung zur Struktur und Funktion von Enzymen möglich ist. Die Chemie und Biochemie von Enzymen ist an vielen Forschungsinstituten und Hochschulen beteiligt. Inländische Wissenschaftler haben eine Reihe wichtiger, international anerkannter Beiträge zu diesem Wissenschaftsbereich geleistet.

Der Mensch trat in Bereichen, die erst gestern grundsätzlich unzugänglich erschienen, in Konkurrenz zur Natur. Er beherrscht die Geheimnisse von Enzymen, zwingt sie, sich selbst zu dienen, ihr Wohlbefinden zu steigern, ihre Gesundheit zu schützen, und schreibt eine neue Seite in das große Buch unseres Wissens über die Welt.

A. Braunstein

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