§39. Ферменттерді химияда, өнеркәсіпте және медицинада пайдалану
Бұл тақырыптың оқу мақсаты: ферменттерді химияда, өнеркәсіпте және медицинада пайдалану мүмкіндігін талқылау.
Ферменттер дегеніміз не? Негізінен органикалық заттардың қандай класы ферменттер болып табылады? Ферменттерге қатысты мынадай пікір нені білдіреді: «құлыпқа кілт сияқты сәйкес келеді». Ферменттердің белсенділігі және ерекшелігі, олардың жағдайға: рН, температураға және т.б. тәуелділігі дегенді қалай түсінесіңдер?
Тақырыпты табысты меңгеру үшін 8-сыныптан 5-параграфты, 9-сыныптан 58-параграфты; 10-сыныптан 5-параграфты; осы оқулықтан 2-параграфты қайталау керек.
Өнеркәсіптік өндірістегі ферменттер. XX ғасыр басында ашыту және микробиологиялық өнеркәсіп белсенді дамыды. Осы жылдары ашытқылардан алынған антибиотиктерді, тамақ концентраттарын өндіруді жолға қоюға, өсімдіктекті және жануартекті өнімдердің ферментациясын бақылауға алғашқы қадамдар жасалды.
Сол кезден бастап ферменттер өнеркәсіптік өндірісте сәтті қолданылуда. Қазіргі кезде тамақ өнеркәсібінің ірімшік жасау және ашымалы сүт өнімдерін, алкогольді өнімдер (бірінші кезекте шарап жасау және сыра қайнату) өндіру сияқты дәстүрлі бағыттары ферменттерсіз жүзеге асырылмайды. Сонымен, ферменттер ерте кезден бастап сыра қайнату, мал азығын сүрлеу, былғары өндірісінде және т.б. қолданылды. Бірақ қазір ферменттер салыстырмалы түрде жаңа ұн өнеркәсібі, шырын жасау, кір жуғыш ұнтақтар шығару, фармакология, өсімдік шикізаттарын өңдеудің алуан түрлері сияқты және т.б. салаларда қолданыла бастады. Ферменттер химия өнеркәсібінің, азық-түлік өнімдерін шығаруға байланысты емес өнеркәсіптік орындардың ақаба суын және басқа шығарындыларын тазарту кезінде де қолданылады.
Мысалы, ферментті (араластырғыштың магнитті өзегіне байланған 3-галактозидаза) сүттегі сүт қантының мөлшерін төмендету үшін қолданады. Бұл өнім лактозаны ағзасы қабылдамайтын балалар үшін арнайы жасалады. Осы жолмен алынған сүт басқа аналогтарымен салыстырғанда мұздатылған күйінде ұзақ сақталады және қоюланбайды.
Ферменттерді өнеркәсіпте пайдаланудың артықшылықтары мен кемшіліктері. Ферменттерде классикалық химиялық катализаторлармен салыстырғанда артықшылықтары да, кемшіліктері де бар. Ферменттер нәруыздар екені белгілі. Демек, олар бұзылады – қолайсыз факторлар әсерінен денатурацияланады. Жоғары температура, күшті сілтілер немесе қышқылдар, оттектің жоғары мөлшері, тіпті жағымсыз факторлар қатысынсыз ұзақ уақыт сақталғанда «тозуы» мүмкін. Бұл – ферменттер жоғары температура, өте қышқыл немесе сілтілік орта, жоғары қысым және т.б. байланысты реакцияларда қолданылмайды дегенді білдіреді. Сонымен қатар, мысалы, платина сияқты катализаторлар жоғарыда аталған жағдайларға төзімді, өте жақсы катализдік белсенділік көрсетеді және тозбайды.
Екінші кері жағдай – ферменттер өндірісі көбінесе бейорганикалық катализаторлардан арзан болмайды және нәруызды қатаң белгілі бір аминқышқылды ретпен синтездеу керек. Бар-жоғы тек 1 аминқышқыл ретін өзгерту ферментті катализдік белсенділіктен айыруы мүмкін. Сондықтан олардың өндірісі өте күрделі және мұқияттылықты талап етеді.
Ферменттерді өнеркәсіптік ауқымда қолдануды тиімсіз ететін үшінші және ең маңызды жағдай – реакциядан кейін фермент молекуласын субстраттан бөлу өте қиын. Бірақ бұл проблема шешімін сәтті тапты. Ферментті және олардың химиялық немесе физикалық қосылыстарын қандай да бір негізге (полимерлік немесе гельді бет, металл өзектер және т.б.) енгізу арқылы иммобилизациялық ферменттер жасалды. Мұндай фермент ерімейді және реакция өнімдерімен араласпайды, үдеріс аяқталған соң оңай алынады әрі жақсы сақталады.
Ферменттердің артықшылықтары да өте көп: 1) тиімділігі жоғары (бейорганикалық катализаторлардан көбінесе жүз және мың еседей артық); 2) ерекшелігі жоғары – ферменттер әдетте тек бір реакцияны катализдейді және сәйкесінше басқа химиялық үдерістерге «араласа алмайды» және оларды бұзбайды. Олар, мысалы, күкірт қышқылы сияқты «химиялық белсенді емес». Сондықтан ферменттер едәуір қауіпсіз, оңай тасымалданады және сақталады.
Ферменттерді медицина саласында пайдалануды оларды ветеринария, фармакология, селекция, ауылшаруашылығында қолданылуынан бөліп қарауға болмайды.
Гендік инженерияда адам білімінің жаңа саласы ретінде ферменттер жұмысы қолданылады. Мақсатқа сай генетикалық материалдың in vitro (сынауықта) жаңа үйлесімін жасауға байланысты барлық үдерістер де тірі жасушадағы барлық басқа тіршілік әрекетінің үдерістері сияқты ферменттер арқылы бақыланады. Молекулярлық-генетикалық зерттеулер кезінде бактерия жасушасында ДНҚ молекуласын қатаң белгілі бір бөліктерде фрагменттерге «кесуге» қабілетті рестриктаза-ферменттер болатыны анықталған. Сонымен қатар ДНҚ фрагменттерін қосатын («тігетін») лигаза-ферменттер де болады. Зерттеу қорытындысында прокариот жасушаларында да, эукариот жасушаларында да тұқымқуалаушылық ақпараттың өзін-өзі көшіру және жүзеге асыру үдерісін бақылайтын барлық ферменттер біртіндеп сәйкестендірілді.
Гендік инженерия негізіне іргелі төрт жаңалық алынды:
1. ДНҚ-ны «кесетін» ферменттер – эндонуклеаз бен экзонуклеаз немесе рестриктазаның ашылуы.
2. ДНҚ-ны «тігетін» ферменттер – лигазаның ашылуы.
3. ДНҚ және РНҚ синтезін жүзеге асыратын жасуша ферменттері – полимеразаның ашылуы. Репликация ферменттері: ДНҚ-тәуелді ДНҚ-полимераза. Транскрипция ферменттері: ДНҚ-тәуелді РНҚ-полимераза немесе транскриптаза. РНҚ матрицасы бойынша ДНҚ синтезін катализдеуге қабілетті құрамында РНҚ бар вирус ферменттері – РНҚ-тәуелді ДНҚ-полимераза немесе олардың едәуір қарапайым атауы – кері транскриптаза басқа ферменттерден кейіндеу анықталды. Бұл жерде тек негізгі ферменттер аталды. Шын мәнінде, жасушада тұқымқуалаушылықты жүзеге асыру үшін едәуір көп ферменттер қажет.
4. Бөтен геном фрагментінің басқа жасушаға орналасуын жүзеге асыруға қабілетті «вектор» – ДНҚ-ның кішкентай фрагменттерінің ашылуы және зерттелуі.
Соңғы жаңалық ферменттердің ашылуымен және зерттелуімен тікелей байланысты болмаса да, жоғарыда үш пунктте аталған ферменттерсіз адамзатта ДНҚ-мен манипуляция, «будан» молекулаларды жасау және оларды жасушаға енгізу мүмкіндігі болмайтын еді.
Генотерапия технологиясы ең алғаш 1990 жылы иммунодефициттің ауыр формасынан зардап шеккен 4 жастағы қыз – Ашанти де Сильваны емдеу кезінде қолданылды. Оның аденозиндезаминаза (ADA) нәруызын өндіру үшін нұсқау болатын гені зақымданған. ADA нәруызы болмаса, қанның ақ жасушалары тіршілігін жояды, ол ағзаны вирустар мен бактериялардан қорғансыз етеді.
Жұмыс істейтін ADA генінің көшірмесі Ашанти қанының жасушаларына модификацияланған вирус көмегімен енгізілді. Жасушалар өздері қажет нәруызды өндіру мүмкіндігіне ие болды. 6 айдан кейін қыз ағзасындағы ақ жасушалар мөлшері қалыпты деңгейге дейін көтерілген. ADA тапшылығы қосымша инъекциялар арқылы толықтырылды.
Биохимиктер жұмысының негізінде медицинада және жеңіл, тамақ, химия өнеркәсіптерінде маңызы зор ферменттер өнеркәсібінің дамуы үшін жағдай жасалды. Мысалы, ферменттерді қолдану арқылы медицина және ауылшаруашылығында кеңінен қолданылатын дәрумендердің микробиологиялық синтезін жүзеге асырады. Генетикалық әдістер арқылы өндіріске антибиотиктердің (гені түрлендірілген (генномодификацияланған) бактериялар мен саңырауқұлақтар) белсенділігі жоғары продуценттері (өндірушілері) алынды және енгізілді. Бұл пенициллин, стрептомицин, террамицин және басқа антибиотиктерді шығаруды едәуір арттырды.
Фермент, гендік инженерия., эндонуклеаз бен экзонуклеаз.
Білу және түсіну:
1. «Фермент» сөзінің және оның аудармасының мағынасын түсіндіріңдер. Оны сәтті термин деп ойлайсыңдар ма?
2. Берілген қарама-қарсы пікірлердің мәнін қалай түсінесіңдер: «Ферменттер – тірі ағзалардың тіршілік әрекеті нәтижесінде түзілетін заттар» және «Ферменттер – белгілі бір химиялық реакциялар барысында түзілетін және табиғи ортада үнемі болатын дербес заттар».
Қолдану:
1. «Иммобилизациялық ферменттер»; «иммобилизациялық емес ферменттер» деген түсініктерді салыстырыңдар.
2. Белгілі бір ферменттерді ашпай гендік инженерияның дамуы және рекомбинантты ДНҚ жасау мүмкін болмау себептерін атаңдар.
Талдау:
1. Ферменттердің ашылу сәтінен бастап (дүниежүзі немесе Қазақстан) адам өмірі медицинада, өнеркәсіптің алуан түрлерінде және ауылшаруашылық өндірісінде, экология мен экономикада қалай жақсарғанын мысалдармен дәлелдеңдер. Қосымша дереккөздерден мысалдар келтіріңдер.
2. Ферменттердің температура мен қысымы жоғары реакцияларда қолданылмау себептері туралы пікірлеріңді айтыңдар. Осындай жағдайда ферменттерді қолдану неге апарып соғуы мүмкін?
Синтез:
1. Нәруыздағы бар-жоғы бір аминқышқылы ретінің бұзылу салдары қандай болуы мүмкін? Адам ағзасында бір ферменттің жетіспеуі қандай өзгерістерге апарып соғуы мүмкін? Мысалдармен дәлелдеңдер.
2. Ферменттерді өнеркәсіптік ауқымда өндіру және пайдалану артықшылықтары мен кемшіліктерін жүйелеңдер.
Бағалау:
1. Берілген шынайы жағдаятты талқылаңдар:
«Н. қаласында ингредиенттердің көп мөлшерінен тұратын өте күрделі бейорганикалық катализаторлар өндіретін кәсіпорын ауысыммен тәулік бойы жұмыс істейді. Өндірудің өзі асүйді еске түсіреді. Яғни ингредиенттер «рецепт» бойынша (жасалған технология) араластырылды, кейде (бір катализатор үшін) олар ұсақталды, кейде (басқа катализатор үшін) алдын ала температура немесе басқа әсерге ұшыратылады және т.б. Қажет «дайындама» алынған соң катализатор болуы тиіс қоспа өнеркәсіптік пеште (температураны қажет кезде 30 000°С-қа дейін көтерді) «пісірілді». Сосын дайын катализатор алынды, қапталды да тұтынушыға жіберілді. Барлық құрал-жабдық тазартылды, ұжым келесі күрделі кешенді катализатор алуға кірісті. Түнгі ауысымда өндірілген барлық катализаторлар күндіз өндірілген аналогтарына қарағанда жоғары катализдік белсенділікке ие болатыны байқалды.
Осыған себеп болған факторларды болжаңдар.
2. Шынайы жағдаятпен танысыңдар:
«Қазір құсшаруашылығында азықтық қоспа ретінде жасанды ферменттер тіпті бейорганикалық катализаторлар да қолданылады. Олар құс ағзасында асқорытуды жақсартады және «тамақтың қоректік заттарын сіңіру пайызын» арттырады. Нәтижесінде катализаторлар пайдаланатын, дәстүрлі селекциялық әдіспен алынған геномы бар тауық қолтұқымдары (гені түрлендірілмеген) жеген азық бірлігіне үлкен салмақ қосады. Ауылшаруашылығы жануарлар үшін осындай «азықтық қоспа» қолданудың экономикалық және экологиялық салдарын бағалаңдар.
«Биотехнология» бөлімі бойынша қорытынды
Ауру тудыратын барлық бактерияларды инфекционистер боялуына байланысты ең алғаш дат ғалымы Г. Грам жасаған әрі қолданған грам оң және грам теріс деп бөледі. Грам оң бактериялар қабықшасы едәуір қалың және екі – жасуша мембранасы мен оның үстіндегі пептидогликанның қалың кеуек қабатынан тұрады, бірден боялады (көк-күлгін бояғышпен). Грам теріс бактериялар құрғақ бояулармен (қызыл-қызғылт) қайта бояғаннан кейін ғана көрінеді. Себебі едәуір жұқа 3 қабаттан: сыртқы мембрана, пептидогликанның жұқа қабатынан және жасуша мембранасынан тұрады. Грам оң бактериялар лизоцим, жуғыш заттар арқылы оңай бұзылады, бірінші буын антибиотиктерімен емдеуге болады. Олар: жиі кездесетін және оңай емделетін жұқпалар: пневмония, стафилококктар, стрептококктар. Грам теріс бактериялар лизоцим арқылы бұзылмайды, тек соңғы буын антибиотиктерімен емдеуге болады. Олар менингококк, соз, мерез сияқты және т.б. ауыр, бірақ көп кездеспейтін жұқпалар тудырады. Барлық белгілі бактериялар, соның ішінде патогенді емес бактериялар Грам бойынша қалай болса да боялады.
Рекомбинация – әртүрлі ағзалардың генетикалық материалының үйлесу үдерісі. Жыныстық үдеріс барысында пайда болған барлық ағзалар өздерінде ата-ана ағзасының тұқымқуалаушылық материалын үйлестіреді. Рекомбинантты ДНҚ молекулалары табиғатта: 1) кроссинговер (ата-анасының гомологты хромосомалары арасында); 2) вирус бөлшектерінің жасуша ДНҚ-сына, олардың тіршілігінің жойылуына апарып соқпайтын орналасуы (әйтпесе рекомбинантты ДНҚ тасымалдаушы-ағзалар тіршілігін жойса, жойылып кетер еді) және 3) басқа (вирустық емес) «мобильді генетикалық элементтердің», мысалы, бактерия плазмидасы арқылы орналасуы нәтижесінде пайда болады.
Заманауи ғылыми әдістер рекомбинантты ДНҚ молекулаларын жасанды жолмен шығаруға мүмкіндік береді. Бұл үдеріс:
1) орналастыру үшін гендерді бөліп алу;
2) «вектор» – басқа жасушаға бөтен гендерді енгізетін вирус немесе бактерия ДНҚ-сы бөліктерін таңдау;
3) вектор мен геномның орнатылатын бөлігін қосу;
4) оларды реципиент-жасушаға «толтыру» және әртүрлі ағзалардың ДНҚ-сын химиялық «тігу» үдерісінің жүзеге асуынан тұрады.
Сонымен, ғалымдар трансгенді ағзаларды, мысалы, адам инсулинін өндіретін бактерияларды немесе қажет заттарды өндіретін жануарларды, зиянкес жәндіктерді жоятын бактерия гені бар өсімдіктерді, зиян қалдықтарды ыдыратуға қабілетті бактерияларды және т.б. шығаруға қол жеткізді. Трансгенді ағзаларды жасау әрі қолдану сақтықпен және оларды пайдаланудың мүмкін болатын кері салдарының алдын алып жүзеге асырылуы тиіс.
Клондау – дене (сома) жасушаларынан тұтас ағзаларды жасау үдерісі ретінде жақсы зерттелген, жетілдірілген және ХХ ғасырдың екінші жартысынан бастап өсімдіктерге кеңінен қолданылады. Жануарларды ең алғаш табысты клондау ХХ ғасырдың соңында Ұлыбританияда (Шотландия) жүзеге асырылды. 1996 жылы И. Ушмут басшылығымен зертханада Долли деген атпен қой клоны алынды. Осы бағытта жүргізілетін барлық зерттеулердің жетістіктеріне қарамастан қазіргі кезде жануарларды клондау әдістемесі жеткілікті жетілдірілмеген және кеңінен қолданылмайды. Ауылшаруашылық және өнеркәсіптік өндірісте және медицинада ферменттерді жаппай қолданудың едәуір кең практикалық маңызы бар.