دانلود تحقیق آنزیم ها بعنوان کاتالیزور

آنزیم ها گروه ویژه ای از پروتئین ها هستند و توسط سلول های زنده بمنظور ایفای نقش کاتالیزوری در بیش از هزاران واکنش بیوشیمیایی که جزیی از متابولیسم سلولی را تشکیل می دهند ساخته می شوند.

امروزه متجاوز از 2000 آنزیم متفاوت شناخته شده است و روز بروز بر تعداد آنها نیز افزوده می شود.

از آنجائیکه در دما و pH فیزیولوژیک، واکنش های بدون کاتالیزور، با سرعتی کمتر از حد لازم برای حفظ فعالیتهای حیاتی پیش می روند، لذا وجود آنزیم ها برای متابولیسم ضروری است.

بعنوان مثالف در هضم مواد غذایی توسط سیستم گوارشی، آنزیم های مختلفی شرکت دارند که هیدرولیز پروتئین ها به اسیدهای آمینه، پلی ساکاریدها به قندهای سازنده و غیره (بسته به مقدار و نوع ماده غذایی) را طی مدت زمان 3 الی 6 ساعت کاتالیز می نمایند.

و این در حالی است که واکنش های مشابه در غیاب آنزیم طی مدت متجاوز از 30 سال به نتیجه خواهند رسید!

آنزیم ها نیز مثل همه کاتالیزورها از قوانین معمول کاتالیز واکنش ها پیروی می کنند.

در نتیجه با توجه به قوانین ترمودینامیکی، یک کاتالیزور قادر به تسریع یک واکنش امکان ناپذیر نیست.

کاتالیزور در طی واکنش بمصرف نمی رسد و تعداد بسیار ناچیزی از مولکول های آن قادر است یک واکنش را بدفعات زیاد کاتالیز نماید.

و در نهایت اینکه یک کاتالیزور نقطه تعادل واکنش را تغییر نمی دهد.

در نقطه تعادل واکنش، سرعت واکنش روبه پیش برابر با سرعت واکنش در جهت عکس آن خواهد بود و در آن نقطه سوبسترا و محصول واکنش هر کدام دارای غلظت تعادلی معینی خواهند بود که از خصوصیات ویژه آن واکنش محسوب می شود.

این نقطه تعادل ممکن است در جهت بیشینه حضور محصول واکنش مانند : 1% سوبسترا: 99% محصول یا به نفع سوبسترا موردی مانند، 80% : 20% و یا بصورت تعادل همگن مانند 50% : 50% باشد.

برای مثال ایزومریزاسیون گلوکز به فروکتوز توسط آنزیمی به نام گلوکز ایزومراز کاتالیز می شود.

وقتی واکنش از حالت 100% گلوکز شروع شده و در جهت رسیدن به تعادل پیش رود، بعد از برقراری حالت تعادل، 45% فروکتوز و 55% گلوکز خواهیم داشت.

کاتالیزور نقطه تعادل واکنش را تغییر نمی دهد، اما از زمان لازم برای رسیدن به حالت مزبور می کاهد.

آنزیم ها از نقطه نظر موارد ذکر شده تفاوتی با سایر کاتالیزورها ندارند، اما دو ویژگی خاص خود را دارند بطوریکه میزان حضور آنها محدودتر از دیگر کاتالیزورها بوده و دیگر اینکه در مقایسه از ویژگی و فعالیت کاتالیزوری بمراتب بالاتری برخوردارند.

ویژگی عمل و جایگاه فعال شاید بتوان گفت بارز ترین خصوصیت واکنش های آنزیمی ویژگی عمل آنها است.

کاتالیزورهای شیمیائی انتخابگری بسیار محدودی نشان می دهند، حال آنکه آنزیم ها ویژگی بسیار بالائی را نسبت به واکنش دهنده ها و همچنین نوع پیوندهای شرکت کننده در واکنش، ابراز می کنند.

میزان ویژگی عمل آنزیم در واکنش تحت دامنه مطلق تا نسبتاً گسترده متفاوت است.

برای مثال، اوره آز (Urease) روی سوبسترای خود یعنی اوره (NH2-CO-NH2)، بصورت کاملاً اختصاصی عمل می کند بطوریکه حتی مقادیر ناچیزی از مشابه های ساختمانی آن (نظیر تیواوره NH2-SO-NH2) نیز توسط این آنزیم قابل هیدرولیز نیستند.

در مقابل هگزوکیناز (Hexokinase) از عملکرد اختصاصی کمتری برخوردار است و نسبت به تعداد معدود مولکول های هگزوز با توجه به گروه عاملی مشترک آنها ویژگی عمل نشان می دهد.

این آنزیم علاوه بر گلوکز، فسفوریلاسیون چندین قند دیگر نظیر مانوز و فروکتوز را نیز کاتالیز می کند، اما قادر به کاتالیز واکنش مشابه روی گالاکتوز، گزیلوز و مالتوز و یا ساکارز نیست.

آنزیم ها علاوه بر اینکه نسبت به سوبسترا بصورت اختصاصی عمل می کنند بطور روشنی، نسبت به محصول واکنش نیز ویژگی عمل دارند و بدینوسیله اطمینان از آلوده نشدن محصول نهایی با دیگر محصولات جانبی واکنش را تأمین می نمایند.

در نتیجه در فسفوریلاسیون اشاره شده برای گلوکز، محصول واکنش انحصاراً گلوکز6- فسفات خواهد بود و در طی واکنش مزبور هیچ فسفوگلوکز دیگری (نظیر گلوکز -1- فسفات) تشکیل نخواهد شد.

تشکیل محصول فرعی در طی واکنش های جانبی ناخواسته یکی از مشکلات مهم واکنش هایی است که در آنها با ویژگی ناچیز کاتالیزورهای شیمیائی درگیر هستیم.

یکی از امتیازهای مفید عملکرد اختصاصی آنزیم، در تعداد مواردی است که می توانند بین ایزومرهای فضایی مربوط به یک مولکول سوبسترا بطور انتخابی تمیز قائل شوند.

ویژگی فضایی مزبور را می توان در مورد آنزیم D- آمینو اسید اکسیداز که بطور اختصاصی فقط روی D- آمینو اسیدها عمل می کند و اکسیداسیون ایزومرهای فضائی نوع L- آمینو اسید را کاتالیز نمی کند، نشان داد.

کلام آخر اینکه، گروههائی از آنزیم ها نسبت به نوع پیوندهای شرکت کننده در واکنش ویژگی عمل ابراز می دارند.

این مورد به وضوح در پروتئازها دیده می شود.

پروتئازها پیوندهای پپتیدی بین باقیمانده های اسید آمینه در زنجیرهای پپتیدی را هیدرولیز می نمایند.

پروتئازهای مختلف نسبت به پیوندهای پپتیدی موجود بین باقیمانده اسید آمینه های معین، ویژگی عمل نشان می دهند.

برای مثال، ترومبین (Thrombin)، یک پروتئاز موجود در خون، با ویژگی عمل خود صرفاً پیوند پپتیدی بین باقیمانده های آرژنین و گلیسین یعنی Arg-Gly- را هیدرولیز می کند.

تریپسین (Tripsin)، پروتئاز پانکراس، پیوندهای پپتیدی را که در مجاورت باقیمانده اسیدهای آمینه دارای بار مثبت هستند (یعنی لیزین یا آرژنین)، را هیدرولیز می کند Lys-Y- یا Arg-X – سایر پروتئازها نظیر پپسین (Pepsin) و سابتیلیزین (Subtilysin) ویژگی عمل بمراتب کمتری دارند و قادر به هیدرولیز پیوندهای پپتیدی متعددی در یک زنجیر پلی پپتیدی می باشند.

ویژگی عمل برای واکنش آنزیمی یک خصوصیت ذاتی محسوب می شود چرا که واکنش در ناحیه معینی از آنزیم که ساختار هماهنگی با گروه های خاصی از عوامل شرکت کننده در واکنش را دارد صورت می پذیرد.

این ناحیه را جایگاه فعال می نامند (شکل 1-1).

جایگاه فعال عموماً یک جیب، شکاف و یا محفظه ای در سطح آنزیم است.

ساختار جایگاه فعال بنحوی است که تعداد معدودی از ریشه های اسید آمینه در تماس با ملکول سوبسترا قرار می گیرند.

از آنجائیکه باقیمانده های اسید آمینه تشکیل دهنده جایگاه فعال ترجیحاً با گروه ها یا نواحی مستقر روی مولکول سوبسترا بر هم کنش نشان می دهند، لذا جایگاه تمایل شدیدی نسبت به سوبسترای مربوطه دارد.

در نتیجه با اتصال سوبسترا، کمپلکس آنزیم – سوبسترا (ES) تشکیل می شود.

در تشکیل اتصال مزبور بین سوبسترا و باقیمانده های اسید آمینه جایگاه فعال، هیچگونه بر هم کنش از نوع کوالان وجود ندارد.

لذا مولکول سوبسترا باید دارای شکل و یا گروه های عاملی مناسبی باشد که بتواند با قرار گرفتن در جایگاه فعال آنزیم در برهم کنش ها شرکت نماید.

آنزیم هائی که ویژگی عمل مطلق دارند نیازمند برهم کنش و شکل بسیار دقیقی هستند که صرفاً در مولکول های خاصی از سوبستراها یافت می شود.

آنزیم هایی که ویژگی عمل آنها کمتر است، از جایگاه فعال انعطاف پذیرتری برخوردارند و در نتیجه می توانند گستره وسیعی از مولکول های سوبسترا را پذیرا باشند.

ریشه های اسید آمینه جایگاه مستقیماً در واکنش کاتالیزوری شرکت می کنند و در بالا بردن قدرت کاتالیزوری واکنش های آنزیمی به میزان زیادی مسئول هستند ویژگی عمل برای واکنش آنزیمی یک خصوصیت ذاتی محسوب می شود چرا که واکنش در ناحیه معینی از آنزیم که ساختار هماهنگی با گروه های خاصی از عوامل شرکت کننده در واکنش را دارد صورت می پذیرد.

ریشه های اسید آمینه جایگاه مستقیماً در واکنش کاتالیزوری شرکت می کنند و در بالا بردن قدرت کاتالیزوری واکنش های آنزیمی به میزان زیادی مسئول هستند قدرت کاتالیزوری در طی هر واکنش، مقداری از واکنشگرها به حالتی که در آن پیوندهای داخلی سوبسترا بطور کامل نشکسته و پیوندهای جدید در محصول بطور کامل شکل نگرفته اند وارد می شوند (شکل 2-1).

این شرایط را حالت گذار می نامند.

حالت گذار وابسته به انرژی است، زیرا برای تشکیل و یا شکستن پیوندهای شیمیائی در آن، نیاز به انرژی است (برای یک پیوند کوالان KJ 350 برای هر مولکول).

مورد مزبور نشان دهنده سد انرژی برای یک واکنش انجام پذیر است که خود نشانگر سرعت پیشروی ناچیز واکنش در غیاب یک کمک خارجی می باشد.

می توان با استفاده از انرژی حرارتی، فشار بالا یا شرایط بد pH در جهت تضعیف پیوندها و یا با اضافه کردن کاتالیزورهای آنزیمی بمراتب موثر تر از کاتالیزورهای شیمیایی، سد انرژی را در جهت تسهیل تشکیل حالت گذار و در نتیجه افزایش سرعت واکنش، کاهش داد.

کارآئی کاتالیزهای آنزیمی متفاوت است اما در کل می توان گفت که اغلب آنزیم ها قادرند سرعت یک واکنش کاتالیز شده را با ضریبی از 10 تا 10 افزایش دهند.

یکی از موثر ترین آنزیم ها کربنیک انیدراز می باشد : این آنزیم تحت شرایط بهینه می تواند در هر ثانیه هیدراسیون متجاوز از 600000 مولکول CO2 را کاتالیز کند.

کربنیک انیدراز غالباً در گلبول های سرخ خون یافت می شود و بدینوسیله در تثبیت تعادل اسید- باز بدن نقش حیاتی ایفا می کند.

وجود این آنزیم انتقال سریع CO2 مولکولی حاصل از تنفس سلولی را از محل تشکیل (بافت ها) به ریه ها برای بازدم را میسر می سازد.

قدرت کاتالیزوری آنزیم را با کمیتی موسوم به عدد ترن اور معرفی می کنند.

عدد ترن اور در شرایط اشباع کامل آنزیم توسط سوبسترای مربوطه بصورت تعداد مولکول های سوبسترا که در هر ثانیه به محصول تبدیل می شوند تعریف می گردد.

جدول 1-1 فهرست کوتاهی از عدد ترن اور تعدادی از آنزیم ها را ارائه می کند.

قدرت کاتالیزوری آنزیم ها از کنش های مولکولی دقیقی که در محل جایگاه فعال روی می دهند – و بدینوسیله با کاستن از سد انرژی تشکیل حالت گذار را میسر می سازند- نشأت می گیرد.

برای وارد کردن سوبسترا به حالت گذار حداقل چهار نوع بر هم کنش روی می دهد.

این چهار نوع هر یک به تنهائی می توانند زمینه ساز اثر مورد بحث باشند و یا اینکه توأماً اثر مزبور را موجب گردند.

نخست اینکه در بسیاری از آنزیم ها جایگاه فعال یک موضع غیر قطبی را بوجود می آورد و بدینوسیله امکان برداشتن سوبسترا از محلول آبی قطبی و قرار دادن آن در شرایط غیر قطبی را فراهم می نماید.

مورد مزبور می تواند تغییر صورت بندی سوبسترا در جهت ورود به حالت گذار را موجب شود.

محیط غیر قطبی همچنین از این نظر که مولکول های آب را از مکان واکنش حذف می کند مفید است (مولکول های آب ممکن است در واکنش دخالت نمایند).

دوم اینکه استقرار دقیق مولکول های سوبسترا در جایگاه فعال، استقرار درست زوایای مربوط به پیوندهای هدف در جهت برخورد مناسب بین واکنش گرها را تأمین می کند و منجر به تشکیل حالت گذار می شود.

سوم اینکه، مولکول سوبسترا در جایگاه فعال توسط تعدادی از برهم کنش های غیر کوالانی بطور محکم نگه داشته می شود و در نتیجه، کوچکترین تغییر در صورتبندی مولکول آنزیم، به جایگاه فعال رسیده و با ایجاد چرخش ساختمانی در مولکول سوبسترا علاوه بر تضعیف پیوندهای هدف، از میزان انرژی مورد نیاز برای ورود به حالت گذار می کاهد.

در نهایت اینکه ریشه های اسید آمینه با تأمین گروه عاملی کاتالیتیک، خود مستقیماً در واکنش شرکت می کنند.

این گروه های عاملی کاتالیزوری جایگاه فعال با افزودن یا گرفتن الکترون ها، پروتون ها (H) یا سایر گروهها، مولکول های سوبسترا را در جهت ورود به حالت گذار یا ری کرده و در نتیجه بر سرعت واکنش می افزایند.

زنجیرهای جانبی اسیدهای آمینه نظیر هیدروکسیل (OH-)، سولفید ریل (SH-)، کربوکسیل (COOH-) و آمینو (NH2-) بسته به شرایط یونیزاسیون زنجیر جانبی می توانند بعنوان دهنده یا گیرنده پروتون عمل کنند.

سایر زنجیرهای جانبی تأثیرات شیمیائی مختلفی را اعمال می دارند و بسیاری از آنزیم ها از کمک اضافی بصورت یک کوفاکتور (Cofactor) بهره مند شده و بدینوسیله تأثیر شیمیائی مورد نظر خود را اعمال می کنند.

برای مثال در واکنش آبدهی CO2 که پیشتر بحث آنرا به میان آوردیم، در جهت تأمین فعالیت آنزیم به ازاء هر مولکول از آن وجود یک اتم روی (Zn) ضروری است.

آنزیم های تثبیت شده Immobilized Enzymes 1-2- مقدمه Introduction حدوداً تا 35 سال پیش، تقریباً در تمام کاتالیزهای بیولوژیکی که طی روش های صنعتی اجرا می شد از سلول ها و بافت های دست نخورده استفاده می گردید.

تغییرات قابل توجهی که در طی این مدت در سلول های میکروبی بعنوان کاتالیز کننده های حیاتی ایجاد شده موجب توسعه هرچه بیشتر صنایع تخمیری گردیده است.

در جریان یک تخمیر معمولی میکروارگانیسم ها ضمن رشد و تکثیر خود از آبگوشت تخمیر، تغذیه کرده و علاوه بر محصول اصلی مورد نظر، ترکیبات گوناگون دیگری را نیز می سازند.

اما کاتالیز با استفاده از سلول های میکروبی چندان مقرون به صرفه نیست چرا که در صد عمده ای از سوبسترای آبگوشت تخمیری برای رشد خود میکرو ارگانیسم و همچنین ساخته شدن محصولات جانبی ناخواسته مورد استفاده قرار می گیرند.

از سوی دیگر مایع تخمیری نهائی معمولاً بصورت مخلوط ناهمگنی از مواد گوناگون خواهد بود