9.9. Іммобілізовані ензими та їх застосування в медицині

Під імобілізацією розуміють такий процес, внаслідок якого молекула ензиму тим чи іншим способом прикріплюється до певних об’єктів (носіїв), нерозчинних у воді (англ. immobilis – нерухомий). Ці об’єкти разом із ензимом легко відокремлюються від розчину після завершення реакції.

Іммобілізовані ензими є моделлю стуктурно-організованих у клітині ензимів (мембрана – це нерозчинна основа для з’єднання з ензимом).

У 70-х роках XX ст. сформувався новий науково-інженерний напрям – інженерна ензимологія, стрімкий розвиток якої зумовив створення нових типів гетерогенних біоорганічних каталізаторів – іммобілізованих ензимів.

Ензими та ензимні системи застосовують у різних галузях практичної діяльності: в харчовій, фармацевтичній, текстильній, хутряній, шкіряній та інших галузях промисловості, у медицині, сільському господарстві, органічному синтезі, хімічному аналізі. Впровадження біокаталітичних процесів у хімічну технологію призводить до економії сировини й енергії, зменшення шкоди, яку сучасна промисловість завдає навколишньому середовищу.

Застосування ензимів у різних галузях народного господарства призвело до їх промислового виробництва. Сировиною для одержання ензимів є не тільки тканини різних рослин і тварин, але й мікроорганізми, які вирощують на селективних середовищах. Наприклад, методами селекції та генної інженерії вдалося отримати штами різних видів бактерій, які продукують ензими в значних кількостях.

Іммобілізація ензимів здійснюється шляхом їх фізичної адсорбції на нерозчинному матеріалі; включенням ензимів у структуру гелю, а також ковалентним зв’язуванням ензиму з нерозчинним матеріалом або молекул ензиму між собою з утворенням поліензимних комплексів. У якості адсорбентів використовують шкло, силікагель, гідроксиапатити, целюлозу та її похідні, хітин, декстрани тощо.

При отриманні іммобілізованих ензимів вживають всіх заходів безпеки для збереження активності ензиму. Іммобілізовані ензими, зазвичай, є менш активними порівняно з нативними, оскільки взаємодія з носієм ослаблює індукційний ефект та контакт із субстратом.

Однак іммобілізовані ензими мають низку переваг порівняно з нативними при їх використанні з прикладною метою. По-перше, іммобілізований ензим як гетерогенний каталізатор можна легко відділити від реакційного середовища, що дає можливість:

• зупинити в потрібний момент реакцію;

• використати каталізатор повторно;

• отримати продукт, не забруднений ензимом, що особливо важливо для харчового і фармацевтичного виробництва.

По-друге, використання гетерогенних каталізаторів дозволяє здійснювати ензимний процес безперервно, наприклад, у проточних колонках і регулювати швидкість каталізованої реакції, а також вихід продукту шляхом зміни швидкості потоку.

По-третє, іммобілізація або модифікація ензиму сприяє цілеспрямованій зміні властивостей каталізаторів, у тому числі їх специфічності, залежності каталітичної активності від рН, іонного складу й інших параметрів середовища, і, що важливо, їх стійкості до впливу різних денатуруючих впливів.

По-четверте, іммобілізація ензимів дає можливість регулювати їх каталітичну активність шляхом зміни властивостей носія під дією деяких фізичних чинників (світло, звук тощо).

9.9.1. Природні носії-ліпіди. Питання білково-ліпідних взаємодій давно привертають увагу дослідників, оскільки in vivo більшість ензимних реакцій перебігає поблизу або на поверхні біомембран – білок-ліпідних утворів. Тому іммобілізація ензимів на природних ліпідних носіях може розглядатися як найоптимальніше наближення до умов функціонування ензимних систем у живій клітині.

Для такого виду іммобілізації, зазвичай, використовують природні ліпіди – компоненти біомембран (фосфатидилхолін, фосфатидилетаноламін, холестерин тощо). Ліпідні носії застосовують у вигляді моношарів на різних поверхнях (здебільшого, сферичної форми) – ліпосомах (міхурці розміром від 20 – 30 нм до 1 – 2 мкм, отримані з різних природних або синтетичних фосфоліпідів). Використовують моношари ліпідів на твердих поверхнях, наприклад, силікагелі, аеросилі. Для приготування ліпосом найчастіше використовують фосфатидилхолін (лецитин), кардіоліпіни, сфінгомієліни. Вміщені всередину ліпосом ензими захищені від швидкого руйнування протеїназами організму, тому знаходяться в ньому відносно тривалий час, проявляючи відповідну дію.

Так, наприклад, іммобілізовану 3-галактозидазу (ензим, який розщеплює лактозу на глюкозу та галактозу) використовують для зменшення вмісту лактози в молоці, що дає можливість вирішити проблему несприйняття лактози у окремих осіб. Таке молоко в замороженому стані зберігається значно довше.

У медичній практиці іммобілізовані ензими застосовують з лікувальною та діагностичною метою. Так, препарат дальцекс-трипсин, який є лікарською формою трипсину, імобілізованого на діальдегідцелюлозі, використовують для очищення гнійних ран, поліпшення процесу їх регенерації, оскільки він чинить пролонговану протеолітичну дію. Інший препарат трипсину – пакс-трипсин – іммобілізований ензим на полотні трикотажного поліаміду, його застосовують як перев’язочний матеріал.

Фармпрепарат стрептодеказа, утворений на основі іммобілізації препарату стрептокінази (проявляє тромболітичну активність) на водорозчинній матриці полісахаридної природи, здатний тривалий час існувати в системі кровообігу, при цьому чинить пролонговану фібринолітичну дію в крові впродовж 48 – 72 годин. Стрептодеказу успішно застосовують при тромбозах, інфаркті міокарда, вона має великі переваги над стрептокіназою та фібринолізином, які швидко руйнуються після введення в організм.

З діагностичною метою іммобілізовані ензими використовують у проведенні імуноензимних досліджень.

За допомогою інженерної ензимології моделюють процес фотосинтезу з використанням іммобілізованих ензимів, що має велике майбутнє.

Проводяться роботи з іммобілізації не лише ензимів, але й кофакторів, гормонів, інгібіторів й інших біологічно активних речовин. Це зменшує дефіцит деяких ензимів в організмі; усуває вже відмерлі денатуровані структури під впливом, здебільшого, протеолітичних ензимів (зокрема, трипсину та хімотрипсину); забезпечує лізис тромбів, детоксикацію організму тощо.

Іммобілізовані ензими почали використовувати в спеціальних колонках для перфузії (очищення) крові типу „штучна нирка”, „штучна печінка”. Їх застосовують для отримання амінокислот, гідроксикислот, а також природних речовин із дуже складною структурою, наприклад, стероїдів, порфіринів, алкалоїдів, простагландинів, антибіотиків тощо.

243