ИНЖЕНЕРЛІК ЭНЗИМОЛОГИЯНЫҢ ҚАЗІРГІ ТАҢДАҒЫ ДАМУЫ ЖӘНЕ МАҢЫЗЫ

ИНЖЕНЕРЛІК ЭНЗИМОЛОГИЯНЫҢ ҚАЗІРГІ ТАҢДАҒЫ

Инженерлік энзимология–биотехнологиялық процестерді қарқындандыру қажеттілігіне  байланысты пайда болған  жаңа ғылыми-техникалық бағыт.

Инженерлік энзимологияның міндеттері-клеткадан бөлініп алынған  немесе онда орналасқан  ферменттер мен полиферменттік  жүйелердің  негізіне «берілген  қасиеттері»  бар  органикалық катализаторларды  конструкцияландыру.

«Берілген қасиет» термині осы қасиеттердің  алынған катализатордың  практикалық қажеттіліктері, ферментативті процестерді жүргізу жағдайы, арнайылығы, қажетті өнімділігі және т.б. туындағандығын білдіреді.

Тірі ағзалар  үнемі қозғалыста және тепе-теңдікте болады, яғни ағзаға сырттан  қоректік заттар еніп тұрады және  керексіз өнімдер сыртқа шығарылады. Бұл  құбылысты  зат алмасу процесі деп атайды. Зат алмасудың  қалыпты жүруін  орталық жүйке жүйесі және эндокрин (ішкі секреция)  бездерінің  гормондары реттейді. Эндокрин бездері  өз әсерін  ферменттер  әсері арқылы іске асырады.

Егер ферменттер қатыспаса,  ағзадағы химиялық реакциялар өте баяу да тәртіпсіз жүрер еді. Мұндай жағдайда тіршіліктің өзі де болмайды. Сондықтан да  ферменттер барлық тіршілік процестерінің  негізі болып табылады. Ал  ферменттер әсерінің қандай болмасын  бұзылуы әртүрлі жайсыз құбылыстарға душар етеді.

Ферменттер  деп ағзада жүретін алуан түрлі биохимиялық  процестерге  катализатор ретінде  әсер ететін белоктік  табиғаты бар қосындыны айтады.

Әдетте химиялық реакциялардың  жүру жылдамдығын  шапшаңдататын заттарды  катализаторлар деп атайтыны белгілі. Ал ферменттер-өсімдіктер мен жануарлар және  микроорганизмдер клеткаларынан  бөлінетін белок тектес, ағзадағы биохимиялық реакцияларды сан мың есе  шапшаңдататын қабілеті бар зат. Мұның қатысуынсыз  қоректік заттардың ағзаға сіңуі мүмкін емес. Осыған байланысты  ферменттерді биологиялық  катализаторлар деп атайды, өйткені олар зат алмасу процесіне тікелей ат салысады. Фермент (латынның  fermentum-ашу деген мағына береді) деген терминмен қатар  әдебиетте  энзим     (enaym,  en-ішкі,  zyme-ашытқы деген мағына береді) деген сөз де қолданылады.

Ферменттерді және  олар катализдейтін  реакцияларды зерттейтін бөлім энзимология деп аталады.

Ферменттер қатысатын процестерді  ғылыми тұрғыдан зерттеу XVII ғасырдың орта кезінен басталды. Осы кезде  Гельмонт  қанты бар  сұйық

заттардың ерекше  қоздырушылар көмегімен  жүретінін анықтаған.  Осыдан

кейін  Лавуазье ашу кезінде қант  түгелдей көмірқышқыл газға және спиртке айналатынын  анықтады.

XIX ғасырдың  ортасында кейбір фермент препараттары (уыттан-амилаза, қарын сөлінен-пепсин, т.б.)  бөлініп алынды. Сөйтіп, катализ және  катализаторлар жөніндегі ілім  жарыққа шықты.

Жалпы өндірістерде  ферменттерді қолданудың  көптеген  тиімділігі бар.

Экономикалық  маңызды  заттар алу үшін, өнім  беретін клеткалар  мен  ұлпаларды  өндіріс жағдайында өсіру- биотехнологияның  жаңа бағыты. Егер дәстүрлі  биотехнологияда  құнды биологиялық активті заттар алу үшін  тұтас организмдерді: микроорганизмдер, жануарлар, өсімдіктер  пайдаланылып келсе, ал қазіргі биотехнология-клеткалық биотехнологияға  бағытталған,  тап  осы жағдайда  өсімдіктердің  ерікті және орнықтырылған (иммобильденген) клеткаларын  жасанды ортада  өсіруге негізделген.

Қоректік ортада  өскен клеткалардың   ферменттері  қатысуымен  арзан  және қоры мол  бастапқы  заттардан  биологиялық  активті  қосылыстарды  синтездеуге  болады,  бұл  процессті  биотрансформация деп атайды.

Клеткалық биотехнологияның  келесі қадамы,  иммобилизденген, яғни орнықтырылған  өсімдік клеткаларын  пайдалану.

Дәстүрлі  өсімдіктер  шикізатын  алуымен салыстырғанда,  қоректік  ортада  өсетін клеткалардың  бірнеше артықшылықтары бар:

1.өнімді алу климатқа, жыл мерзіміне,  топырақ  жағдайына  байланысты емес;

2.жасанды ортада өсірудің  ең  жақсы  жағдайларын  стандарттауға  болады;

3.барлық  процестерді  толық автоматтандырып  компьютерлік бақылауға алуға мүмкіндік.

Қазір ферменттерді  кеңінен қолданып отырған елдер: Жапония, АҚШ, Англия, Чехословакия, Голландия, Германия. Жапонияда ферменттерді қолданудың  қарқындап дамуы соншалық, одан түсетін табыс  ұлттық бюджеттің  20%- на тең келеді.

Ферменттер  халық шаруашылығының нан пісіру саласында  да өз тиімділігін дәлелдеп жүр. Мысалы,  бір тонна қамырға небәрі 300 грамдай  фермент қосқанда  оның  қабаруы  анағұрлым артады, нанның иісі, дәмі жақсарып, шапшаң пісетін  болады. Ферментті препараттар  қамырдың ашуын тездету арқылы   нан пісіруге кететін  уақытты  25%-ға дейін қысқартады. Демек, осы үнемделген  уақыт ішінде  тағы да бірнеше мыңдаған тонна нан өндіруге  болады.

Мысалы, Жапонияда ірі масштабта торғайшөптің клеткаларын жасанды ортада өсіріп, одан шиконин өндіру  жолға қойылған. 20000 литрлік ферменттерде  убихинон -10 өнімін беретін темекі клеткалары ортаның  үзілмейтін ағынында   3 ай бойы өсірілген. Убихинон-10-ның  бір күндік өнімділігі   1л  суспензияға шаққанда    5,582г болған.

Қазіргі уақытта  дүние жүзінің әр түрлі елдерінде  экономика жағынан маңызды заттар өндіруге  бағытталған биосинтездік  өнеркәсібінде  елуден астам өсімдіктер түрлерінің клеткалары қолдануда, олардың ішінде женьшень, раувольфия, оймақ гүл және дельта тәрізді диоскорея, торғайшөп, итжидек, сасық меңдуана, меруертгүл, агава, апиын т.б.

Ферменттік препараттарды тамақ өнеркәсібінде  нан, сыраның сапасын жақсарту үшін, дайын өнімнің шығымын көбейту үшін қалданады.

Азық-түліктердің  сақтау мерзімін ұзартып, тұрықтылығын арттыратын заттарға: антисептиктер, антибиотиктер, тотығуға қарсы заттар жатады. Бұл заттарды қолдану  азықтың сақталу кезінде бүлінуден, сапасын жоғалтудан сақтайды.

Биокатализатордың  жаңа түрі- иммобилизденген, яғни байланысқан  ферменттерді жасау  қолданбалы энзимологияның  алдында жаңа көрініс ашты. Иммобилизденген ( латын тілінде immobilis-қозғалмайтын деген сөз) ферменттер  дегеніміз  қатты  таянышқа  (полимерге, целлюлозаға, әйнекке) бекіген ферменттер.Бұлар ерімейтін материалмен ковалентті байланысады. Бекітілген ферменттерді қолдану  бұрыннан белгілі мысалы, 1916жылы   Дж.Нельсон мен Гриффин көмірге адсорбцияланған  интерфаза өзінің каталитикалық  белсенділігін сақтайтынын көрсеткен. Бірақ, 1939 жылы тері өңдеу үшін ағаш үгінділеріне адсорбцияланған протиолитикалық  ферменттерді пайдалануды ұсынған Дж.Пфанмюллер мен Г.Шлейхке иммобилизденген ферменттерді пайдалануға бірінші  патент берді.            1959 жылы Н. Грубкофер  мен Д.Шлейт ферменттерді иммобилиздеу үшін жаңа әдістеме- ковалентті байланыстыруды  алғаш рет қолданған.

Ферменттерді иммобилиздеу-бұл бос  ерітінді фазасынан бөлінген, бірақ онымен субстрат, эффектор немесе ингибитор молекулаларымен алмасуға  қабілеті бар қандай да бір фазаға биокатализатор молекуласын қосатын әдістеме.  Мұндай  бекіген  ферменттер  біртіндеп  өте тұрақтана түседі. Айлар бойы, тіпті ұзақ жылдар бойы  әрекет жасаған иммобилизденген  ферменттер белгілі, олар іс жүзінде  жақсы химиялық катализаторлардан кем емес. Әдетте клеткадан бөлініп алынған  ферменттер тез бұзылады, өзінің активтілігін жоғалтады.

Иммобилизделген ферменттер  кең көлемде амин қышқылы, витаминдер, қант, антибиотиктер  және дәрілер сияқты аса тапшы  азық- түліктің  және жемшөптік заттар өндірісінде  қолданыла бастады. Қазіргі кезде мұндай ферменттерді қолданатын кәсіпорындар  жүздеген тонна өнім шығарады. Мұндай кәсіпорындарда ағаш ұнтағын, сабанды, мақта сабағын, өсімдік қалдықтарын глюкозаға айналдырады да,  кейін одан жемшөптік белок немесе этил спиртін алады.

Соңғы жылдары  бұл бағытта ғалымдар алда. Олар  ферменттер иммобилизденуінен қажетті ферментті синтездейтін  микроорганизмдерді полимерлерге тұрақтандыруға кірісті.

Сүйектің  барлық ауруы кезінде  қан сарысуында сілтілік фосфотазаның  активтілігі артады. Емханаларда кей ауруларды емдеу үшін пепсин, трипсин, химотрипсин  сияқты протиолиттік  ферменттерді қолданады. Былғары өндірісінде мұндай  ферменттер  тері өңдеу үшін және былғары  шикізатын жұмсарту үшін  қолданылады.

Иммобилизделген ферменттердің  нативті ферменттермен салыстырғанда елеулі артықшылықтары бар. Мысалы олар реакциялық ортадан оңай бөлінеді. Бұл реакцияны  кез келген уақытта тоқтатып, катализатормен  ластанбаған  өнімдерді алуға және  фермент препаратын бір немесе бірнеше рет  пайдалануға мүмкіндік  береді.

Иммобилизация әдістерімен,  сәйкес тасымалдаушыларын  іріктеп алу ферменттердің  арнайылығын көрсететін -РН, температурасына  тәуелділігін, және денатурациялаушы әсерлерге  тұрақтылығы сияқты  қасиеттерін мақсатты түрде  өзгертуге болады.

Қорыта келе, инженерлік энзимология  қазіргі кезде қарқынды дамып келе жатқан   биотехнологияның  бір бөлігі, мақсаты  жаңа биотехнологиялық өндірістерде, органикалық  синтезде,  терапия және  диагностикада  жаңа тәсілдерді  құру үшін  ферментті катализаторларды қолданудың  ғылыми негіздерін жасау, сонымен қатар иммобилизденген  ферменттердің  көмегімен  энзимологияның іргелі мәселелерін шешу болып табылады.

Пайдаланылған әдебиеттер:

1.Г.Уалиханова, Қ.Есмағұлов  «Өсімдіктер биотехнологиясының негіздері» Алматы, 1999ж

2.К.С.Сағатов «Биохимия»  Алматы «білім» 2007ж

3.А.А.Жұбанова, Г.Ж.Абдиева Қ.К.Шөпшібаева, П.С.Уәлиева «Биотехнология негіздері» Алматы, 2006ж

4.И.Ф.Мишунин, М.И.Шевченко  «Этюды биотехнологии»

Киев наукова думка, 1999г

5.И.В.Березин с авт. «Инженерная энзимология» уч.пособие. Москва,1997г

6.А.А.Баев «Биотехнология» Москва,1994г

7.Т.Ш.Шарманов  «Тағам гигиенасы»  Алматы, 2005жыл