Fermentlarni kovalent immobillash

Fermentlarni kovalent immobillash
IMMOBILIZATSIYA–to‘xtovsiz kechadigan jarayonlardan foydalanish imkoniyatlarini yaratuvchi fermentlar transformatsiyasiga aytiladi.
Fermentlarni immobilizatsiya qilish quyidagi sabablarga ko‘ra amalga oshiriladi:
1. Immobilizatsiya qilingan fermentlar reaktorda ushlanib qolinadi. Erituvchi ferment esa hosil qilingan reaksiya mahsuloti bilan chiqib ketadi;
2. Immobilizatsiya qilingan ferment o‘z faolligini uzoq vaqt saqlab qoladi;
3. Immobilizatsiya qilingan fermentlarni katalitik jarayonlarni etaplarga qarab ma’lum tartibda joylashtirish imkonini beradi.
Immobilizatsiya qilingan fermentlar ushbu xususiyatlari ulardan ko‘p miqdordagi substratni qayta ishlash qo‘l keladi. Fermentlarni immobilizatsiya qilish ularni kerakli shakl va hajmga to‘plash, bu orqali turli maqsadlarda foydalanish imkoniyatini yaratadi.
Immobillashgan fermentlar — molekulalari polimer birikmalar bilan kovalent bogʻlangan, sunʼiy olinadigan ferment preparatlar. Shuning uchun fermentlar denaturatsiyani vujudga keltiruvchi taʼsirlarga nisbatan chidamli boʻladi. Bunday fermentlar nativ (tabiiy) fermentlarga nisbatan afzalliklarga ega. Ular proteoliz fermentlari va mikroorganizmlar taʼsirida parchalanib ketmaydi; turgʻun no-immunogen xususiyatiga ega boʻladi, shuningdek, organizmning zarur joyida toʻplanadi. Immobillangan fermentlar analitik tadqiqotlar va nozik organik sintez jarayonlarida qoʻllaniladi. Kelajakda ularni tibbiyotda va biotexnologik sanoatda (anti-biotiklar, aminokislotalar, oziq moddalar olishda) qoʻllash mumkin. Fermentlar muhandisligining asosiy vazifasi – biologik sistema tarkibidan yoki hujayra ichidan ajratilgan, suniy ravishda o`sish imkoniyatidan mahrum qilingan fermentlarning katalitik tasiri va unda qo`llaniladigan biotexnologik jarayonlar yaratishdan iborat. Fermentlar muhandisligi o`z oldiga: A) Yangi modda yaratish; B) Malum bir moddani yaxshiroq sifatli qilib olish; V) Texnik – iqtisodiy ko`rsatkichlarni malum jarayonlarga nisbatan yaxshilash maqsadlarni amalga oshirishda ilmiy-tadqiqot ishlarini olib borishni maqsad qilib olgan. Hozirgi zamon fermenlar muxandisligining asosida ferment yoki ferment sistemalarini immobilizatsiya qilish ishlari yotadi. Ammo bu masalani hal qilishdan oldin fermentlar tabiati haqida to`qtalib o`tamiz. Ferment tarixi “Ferment” atamasi XVII asrda gollandiyalik kimyogar Gelmont tomonidan ovqat hazm qilish mexanizmini muhokama qilishda taklif qilgan. XVIII oxiri — XIX boshlarida oshqozon shirasida ovqat qayta hazm bo’lishi, so’lak ta’sirida kraxmal shakarga (glyukozaga) aylanishi ma’lum bo’ldi. Faqat qanday qilib amalga oshishi noma’lum bo’lgan. XIX asrda Lui Paster achitqi ta’sirida uglevodlarning etil spirtiga aylanishini o’rganib, bu jarayonni achitqi hujayrasi kataliz qiladi degan xulosaga kelgan. Bundan 100 yil oldin L. Paster va M. Bertlo, Yu. Libix spirtning bijg’ish jarayonida “ferment” va “enzim” atamalari har xil ma’noni anglatadi deb o’ylagan. 1876 yili V. Kyune “ferment” (lot. fermentum - achitqi) – “tirik ferment”, “enzim” (grekcha - achitqi) – “jonsiz ferment” deb atashni taklif qilgan. L. Paster vafotidan keyin ikki yil o’tib 1897 – yili E. Byuxner tajriba yo’li bilan achitqi hujayrasisiz spirtning bijg’ishi achitqi hujayrasi kabi amalga oshishini “Achitqi hujayrasisiz spirtning bijg’ishi” ishida ko’rsatib berdi, 1907 yili shu ishi uchun “Nobel” mukofotiga sazovor bo’ldi. Tirik organizmlarda sodir bo’ladigan barcha kimyoviy reaksiyalar mahsus katalizatorlar yordamida boradi. Oqsil tabiatga ega bo’lgan, kimyoviy reaksiyalarning tezligini oshiruvchi biologik katalizatorlar fermentlar deb ataladi. Fermentlar tirik organizmdagi 4000 ga yaqin biologik reaksiyalarni katalizlaydi. Organizmdagi moddalar almashinuvida fermentlar juda muhim rol o’ynaydi. Fermentlarni immobillash ikki xil metod bilan amalga oshiriladi: fizikaviy va kimyoviy.
Fermentlarni fizikaviy immobillash – bu fermentni shunday bir muhitga joylashtirish bo‘lib, bunda ferment umumiy xajmning bir qismigina kira oladi. Fizikaviy immobillashda ferment bilan tashuvchi kovalent bog‘ bilan bog‘lanmaydi. Fermentlarni bog‘lashni 4 tipi ma’lum:
-yerimaydigan tashuvchilarda adsorbsiyalanish;
- gel porasiga kiritish;
- yarimo‘tkazgich membrana yordamida fermentni reaksion sistemaning qolgan xajmidan fazoviy ajratish;
- ikki fazali muhitga o‘tkazish, bu erda ferment eriydi va fazalardan biridagina joylashishi mumkin.
Adsorbsion immobilizatsiya fermentlarni immobillashning qadimgi usuli bo‘lib, unga 1916 yili asos solingan. Bu usul juda oson va u fermentning suvli eritmasi bilan tashuvchi orasidagi kontakt hisobiga amalga oshadi. Adsorbsiyalanmagan oqsil yuvib tashlangandan so‘ng ferment ishlatishga tayyor bo‘ladi. Tashuvchining yuzasida fermentning adsorbsiyalangan molekulasi tashuvchi va oqsilning yuzaki guruhlarining Van-der-vaals o‘zaro ta’sirlashuvi, vodorod bog‘lari, elektrostatik va gidrofob o‘zaro ta’sirlashuvlar hisobiga ushlanishi mumkin. Har bir bog‘lanish tashuvchining kimyoviy tabiati va ferment molekulasining yuzasidagi funksional guruhlarga bog‘liqdir.
Tashuvchi bilan ferment o‘rtasidagi ta’sir kuchli bo‘lib, biokatalizatorning sorbsiyasi uning strukturasini buzishi mumkin. Masalan, ba’zi o‘simlik hujayralarini sitodeks granulalarida adsorbsiyalanishida hujayra devori tashuvchi zarrachasi yuzasining relefeni takrorlab deformatsiyalanishi mumkin. Adsorbsion immobilizatsiyaning afzalligi uning qulayligi va sorbentlarning arzonligidadir. Ularga istalgan konfiguratsiyani berish va kerakli darajada g‘ovak qilish imkoniyati mavjud. Eng muhimi - bu metodning oddiyligidir. Adsorbsion bog‘lanishda fermentni tozalash ham mumkin. Ushbu metodning kamchiligi tashuvchi, hamda aniq bir fermentni immobillash uchun optimal sharoitni to‘g‘ri tanlay imkonini beradigan umumiy yo‘riqnomaning yo‘qligidir.
Ko‘rsatilgan kamchiliklarni immobillangan fermentlarni gelga kiritish bilan bartaraf qilish mumkin. Ushbu metodning maqsadi – ferment molekulasini polimer zanjirlaridan to‘qilgan 3 fazali to‘rga (gelga) o‘tkazishdir. Geldagi qo‘shni zanjirlar orasidagi o‘rtacha masofa kiritilgan ferment molekulasining razmeridan kichikdir. Shuning uchun u polimer matritsani tark etolmaydi va atrofdagi eritmaga chiqolmaydi, ya’ni immobillangan holatga bo‘la olmaydi. Fermentlarni gelda immobillashning 2 ta asosiy usuli ma’lum. Birinchisida ferment monomerning suvli eritmasiga solinadi, keyin polimerizatsiyalanadi. Natijada polimerli gel hosil bo‘ladi. Reaksion aralashmada ko‘pincha polimerga uch o‘lchamli to‘r strukturasini beruvchi bifunksional (molekulasida 2 ta qo‘sh bog‘i bor bo‘lgan) agentlar qo‘shiladi. Ikkinchi holatda ferment tayyor polimer eritmasiga solinadi va unga gelsifat holatga o‘tkaziladi. Fermentlarni polimer gelga kiritish bilan immobillash preparatga istalgan geometriya konfiguratsiya berish bilan birga tashuvchida biokatalizatorlarni tekis taqsimlash mumkin. Metod universal hisoblanadi, deyarli barcha fermentlar, poliferment sistemalar, hujayra fragmentlari va hujayralarni immobillash uchun qulay. Gelga kiritilgan ferment bakteriyalar bilan zararlanishdan himoyalangan. Membranalar yordamida fermentlarni immobillashning mohiyati shundaki, bunda fermentning suvli eritmasi substratning suvli eritmasidan yarimo‘tkazuvchan membrana yordamida ajratiladi. Yarimo‘tkazuvchan membrana substratning kichik molekulalarini oson o‘tkazadi, katta molekulalarni esa o‘tkazmaydi. Membrana tipidagi sistemadan foydalanish tarkibida ko‘p miqdorda ferment bo‘lgan immobillangan preparatlarni olish imkonini beradi. Bu metod ham universal va qulay. Ikki fazali muhit yordamida fermentni immobillashda ferment sistemaning bir fazasidagina eriydi. Substrat va mahsulot qaysi fazada erishiga qarab ikkala fazaaro taqsimlanadi. Fazalarning tabiati mahsulot qaysi fazada to‘planishi va u erda ferment bo‘lmasligiga ko‘ra tanlanadi. reaksii yakunlangandan so‘ng bu fazani ajratib undan mahsulot ajaratib olinadi. Fermentli fazani esa navbatdagi jarayonda qayta ishlatish mumkin.
Kimyoviy metod bilan immobillashda ferment molekulasi, xususan oqsil, bilan tashuvchi o‘rtasida yangi kovalent bog‘ hosil bo‘ladi. Ushbu yo‘l bilan immobillangan fermentlarning preparatlari 2 ta muhim yutuqqa ega. Birinchidan, tashuvchi bilan ferment o‘rtasidagi kovalent bog‘ hosil bo‘lgan kon’yugatning mustahkam bo‘lishini ta’minlaydi, tashqi muhit omillari, masalan rN, harorat o‘zgarganda ferment tashuvchidan desorbsiyalanmaydi, olinayotgan mahsulotlarni ifloslantirmaydi. Bu esa tibbiyot va oziq ovqatga mo‘ljallangan jarayonlarni amalga oshirishda juda muhim. Ikkinchidan, fermentlarni kimyoviy modifikatsiyalab ularning katalitik faolligi, barqarorligi kabi xossasini o‘zgartirish mumkin. Bunda fermentning faol markazini iloji boricha saqlab qolish kerak. Adsorbsion immobilizatsiya fermentlarni immobillashning qadimgi usuli bo'lib, unga 1916-yili asos solingan. Bu usul juda oson va u fermentning suvli eritmasi bilan tashuvchi orasidagi kontakt hisobiga amalga oshadi. Adsorbsiyalanmagan oqsil yuvib tashlangandan so'ng ferment ishlatishga tayyor bo'ladi. Tashuvchi-ning yuzasida fermentning adsorbsiyalangan molekulasi tashuvchi va oqsilning yuzaki guruhlarining Van-der-Vaals o'zaro ta'sir-lashuvi, vodorod bog'lari, elektrostatik va gidrofob o'zaro ta'sir-lashuvlar hisobiga ushlanishi mumkin. Har bir bog'lanish tashuv-chining kimyoviy tabiati va ferment molekulasining yuzasidagi funksional guruhlarga bog'liqdir.
Tashuvchi bilan ferment o'rtasidagi ta'sir kuchli bo'lib, bio-katalizatoraing sorbsiyasi uning strukturasini buzishi mumkin. Masalan, ba'zi o'simlik hujayralarini sefadeks granulalarida adsor-bsiyalanishida hujayra devori tashuvchi zarrachasi yuzasining rel-yefirti takrorlab, deformatsiyalanishi mumkin. Adsorbsion immo-bilizaKiyaning afzalligi — uning qulayligi va sorbentlarning arzon-ligidadir. Ularga istaigan konfiguratsiyani berish va kerakli darajada g'ovak qilish imkoniyati mavjud. Eng muhimi — bu metodning oddiyligidir. Adsorbsion bog'lanishda fermentni tozalash ham mumkin. Ushbu metodning kamchiligi tashuvchi hamda aniq bir fermentni immobillash uchun optimal sharoitni to'g'ri tanlash imkonini beradigan umumiy yo'riqnomaning yo'qligidir. Ko'rsatilgan kamchiliklarni immobillangan fermentlarni gelga kiritish bilan bartaraf qilish mumkin. Ushbu metod ferment mole-kulasini polimer zanjirlardan to'qilgan 3 fazali to'rga (gelga) o'tka-zishga asoslangan. Geldagi qo'shni zanjirlar orasidagi o'rtachamaso-fa kiritilgan ferment molekulasining hajmidan kichikbo'lishi kerak.
Faqat shunday holatda ferment polimer matritsani tark etolmaydi va atrofdagi eritmaga chiqa olmaydi, ya'ni immobillangan. holatda qoladi.
Fermentlarni gelda immobillashning 2 ta asosiy usuJi ma'lum. Birinchisida, ferment monomerning suvli eritmasiga soiinadi va keyin polirnerizatsiyalanadi. Natijada polimerli gel hosil bo'ladi. Reaksion aralashmada ko'pincha polimerga uch o'lchamli to'r strukturasini beruvchi bifunksional (molckulasida 2 ta funksional guruhi bor bo'lgan) agentlar qo'shiladi. Ikkinchi holatda ferment tayyor polimer eritmaga soiinadi va unga gelsifat holatga o'lkaziladi. Fermentlarni polimer gelga kiritish bilan immobillash preparatga istalgan geometrik shakllar berish imkoniyatini yaratish bilan birga, tashuvchi molekulasida biokatalizatorlarning bir tekis taqsimlanishi-ni ham ta'minlaydi. Shuning uchun ham bu metod universal hisoblanadi va u deyarli barcha fermentlar, poliferment tizimlar, hujayra fragmentlari va hatto hujayralarni immobillash uchun ham qulaydir. Gelga kiritilgan ferment bakteriyalar bilan zararlanishdan himoyalangan bo'ladi. Membranalar yordamida fermentlarni immobillashning mo-hiyati shundaki, bunda fermentning suvli eritmasi substratning suvli eritmasidan yarimo'tkazuvchan membrana yordamida ajra-tilgan holatda turadi. Yarimo'tkazuvchan membrana substratning kichik molekulalarini oson o'tkazadi, katta molekulalarni esa o'tkazmaydi. Membrana tipidagi tizimdan foydalanish tarkibida ko'p miq-dorda ferment bo'lgan immobillangan preparatlarni olish imkonini beradi. Bu metod ham universal va qulaydir. Ikki fazali muhit yordamida fermentni immobillashda ferment tizimning bir fazasidagina eriydi. Substrat va mahsulot qaysi fazada erishiga qarab ikkala fazaaro taqsimlanadi. Fazalarning tabiati mahsulot qaysi fazada to'planishi va u yerda ferment bo'lmasligiga ko'ra tanlanadi, reaksiya yakunlangandan so'ng bu fazani ajratib, undan mahsulot ajaratib olinadi. Fermentli fazani esa navbatdagi jarayonda qayta ishlatish mumkin bo'ladi.
Kimyoviy metod bilan immobillashda ferment molekulasi, xususan, oqsil bilan tashuvchi o'rtasida yangi kovalent bog' hosil bo'ladi. Ushbu yo'l bilan immobillangan fermentlarning preparatlari 2 ta muhim yutuqqa ega. Birinchidan, tashuvchi bilan ferment o'rtasidagi kovalent bog' hosil bo'lgan konyugatning mustahkam bo'lishini ta'minlaydi, tashqi muhit omillari, masalan pH, haroratga chidamliroq bo'ladi, ferment tashuvchidan desorbsiyalanmaydi, olinayotgan mahsulotlami ifloslantirmaydi. Bu esa tibbiyot va oziq-ovqatga mo'ljallangan jarayonlarni amalga oshirishda juda muhim-dir. Ikkinchidan, fermentlarni kimyoviy yo'l bilan modifikatsiya qilish ulaming katalitik faolhgini, barqarorUgini va boshqa xossa-larini istalgan tomonga qarab o'zgartirish imkonini beradi. Bunda fermentning faol markazini iloji boricha saqlab qolishga harakat qilinadi. Fermentlarni suvsiz tizimga kuchirib stabillashtirish, oksil injeneriyasi- injenerlik enzimologiyaning vazifasiga kiradi. Injenerlik enzimologiyaning asosiy usuli- fermentlarni immobilizatsiyasi xisoblanadi. Immobilizatiya- fermentlar molekulasini buzilmasdan uz kobiliyatini saklagani xolda uzok muddatlarda tuxtatib kuyish xisoblanadi. Ushbu usul iktisodiy samarali buladi. Masalan: glyukozadan fruktoza olishda immobilizaciyalashtirilgan glyukoizomeraza fermentni yordamida olinsa 2 baravar arzon buladi. Fermentlarni va xujayralarni immobilizaciya usulida izolirovat kilinsa ularning erkin xoldagi xarakteriga xos bulmagan xususiyat paydo buladi. Immobilizatsiya usullari barcha tipdagi biokatalizatorlar- fermentlar, xujayralar, xujayralar organlari, kombinirlangan preparatlar uchun umumiydir. Birok, xar bir usulning fizik xususiyati va anik sharoiti buladi. Adsorbsiya yuli bilan immobilizatiyalashda bioob’ektning yuzasiga noorganik va organik moddalar yopiladi. Agarda achitkilar yuzasi adsorbciya usulida yopilsa nafas olishi erkin xolatdagiga nisbatan yukori buladi. Kimyoviy usulda immobilizaciyalashda biokatalizatorlar yukori samaradorligi va mustaxkam birikkanligi bilan fark kiladi. Polimer strukturaga kushish yuli bilan immobilizaciyalashtirishda- granulalar, plenkalar, tolalar va boshkalar olinadi. Ushbu usulning istikbolligi shundaki xujayra uzining xayotchanligini va yukori katalitik aktivligini saklaydi.
Bunda xam tabiiy, xam sun’iy polimer materiallar ishlatiladi. Polimerlashtirishda tegishli kationlar ( Sa, AE, ,
K va NH₄ ) ning suvdagi eritmasi polimerlanayotgan muxitga tomiziladi. Natijada immobilizacion biokatalizator vazifasini bajaradigan maxsus polemer bulakchalari xosil buladi. Immobilizasiyaning inkapsullash usulida biokatalizatorlarning yuzasi maxsus yarim utkazuvchan pust bilan koplanadi. Bunday pustlog cellyuloza, poliefir, lipidlar va boshkalardan iborat bulishi mumkin. Ushbu usul bilan usimlik yoki xayvonlar xujayralarini sun’iy ustirish yuli bilan ozik-ovkat va medicina uchun kimmatbaxo preparatlar olish imkoniyati tugilmokda. Immobilizatsion biokatalizatorlar apparati xam kimyoviy jarayonlarda kullaniladigan reaktorlarga uxshash. Birok, immobilizacion katalizatorlar granulalarga uxshash bulib, mumkin kadar kattik boglanganligi uchun reaktorlarda bioob’ekt koncentraciyasi juda yukori buladi va kup mikdorda maxsulot beradi.
a) Immobilizatsion fermentlarni olishni dastlabki etapi manbadan ajratish va tozalash xisoblanadi. Ushbu etap eng kup mablag talab kiladi. Birok, mikroorganizmlar, xayvon, usimlik va zamburg xujayralaridan olinadigan fermentlar ancha arzon turadi.
b) Immobilizatsiyaning keyingi etapi fermentlarni stabillashtirish, xisoblanadi. Birok, fermentlarning stabillashishida dikaturacion kayta tuzilish salbiy ta’sir etadi. Birok, dikaturaciya sodir bulsa, A ribonukleaza ta’sir etdirilib uning aktivligini kayta tiklash mumkin.Biokatalizatorlarni stabillashtirishda tegishli sharoitni va immobilizatsiya uslubini tanlashga boglik.
Fermentlarni kovalent immobillash.