آنزیم ها و زیست فناوری
قسمت اول: معرفی کاتالیزورهای حیاتی
زندگی از طریق انجام واکنش های شیمیایی تداوم می یابد. اکثر این واکنش ها به خودی خود بسیار کند پیش می روند. بنابراین برای تداوم حیات نیاز است که این واکنش ها سرعت یابند، از این رو کاتالیزورهایی به نام آنزیم سرعت انجام این واکنش ها را به میزان قابل توجه ای افزایش می دهند. قدرت کاتالیتیکی آنزیم ها باعث تداوم حیات در سیستم های زیستی از باکتری تا انسان شده است، به گونه ای که ادامه ی حیات بدون آنها غیر ممکن خواهد بود.
موجودات زنده به واسطه ی انجام انواع گوناگون واکنش های بیوشیمیایی توانایی حیات را کسب نموده اند که تقریباً همگی آنها به وسیله ی دسته ای از مواد زیستی به نام آنزیم صورت می گیرند. از مهم ترین خصوصیاتی که عملکرد آنزیم ها در فرایندهای بیولوژیکی و صنعتی را متمایز و برجسته کرده است توان کاتالیتیکی بالا و همچنین قابل تنظیم بودن فعالیت آنها است. مشخص شده است که آنزیم ها سرعت واکنش های بیوشیمیایی را حداقل به میزان حدود یک میلیون برابر افزایش می دهند. و این افزایش ممکن است تا بالاتر از هزاران میلیار برابر برسد!
نکته ی ممتاز کننده ی دیگر آنزیم ها نسبت به دیگر کاتالیزوهای شیمیایی این است که در واکنش های آنزیمی هیچ گونه مواد جانبی تولید نمی شود و راندمان عمل تقریباً صد در صد است. با توجه به این ویژگی ها همچنین وجود ساختارهای شیمیایی و فرم های ایزومری مختلف آنزیم ها، کاربرد آنها در سنتز مواد بخصوص مواد دارویی بسیار مورد توجه و مطرح است. از سوی دیگر با پیشرفت دانش مربوط به خصوصیات آنزیم ها در حلال های غیر آلی و یونی، در سال های آینده بیش از پیش شاهد کاربردهای بسیار متنوع و گسترده ی این بیوکاتالیزورها در صنایع شیمیایی – دارویی خواهیم بود.
بسیار از امراض ناشی از فعالیت غیر طبیعی آنزیم ها می باشد. بر این اساس میزان قابل ملاحظه ای از تحقیقات دارویی به یافتن مهار کننده های خاصی می پردازد که فعالیت این آنزیم ها را تنظیم نماید. از این رو جزئیات مربوط به خصوصیات و نحوه عمل آنزیم ها از دیرباز مورد توجه دانشمندان بوده و امروزه یکی از بحث های مهم در بیوتکنولوژی محسوب می شود.
علم مطالعه ی آنزیم ها، آنزیمولوژی است و قدمتی برابر با اولین روزهای ظهور دانش بیوشیمی دارد و در جریان توجه به فرایندهای تخمیری، در اوایل قرن نوزدهم پا به عرصه وجود گذاشت. لوئی پاستور و سایرین با مشاهده ی انجام نشدن واکنش ها در محیط آزمایشگاه این طور تصور نمودند که سیستم های زنده تحت تاثیر نیروی حیاتی هستند که باعث می شود آنها بر خلاف قوانین طبیعی حاکم بر مواد بی جان واکنش دهند. در این میان برخی محققانی از جمله Justus Von Leibig عنوان کردند که فرایندهای حیاتی تحت تاثیر مواد شیمیایی که آنها را «فرمنت» (ferment) نامیدند، صورت می گیرند. در واقع واژه ی آنزیم از دو لغت یونانی en به معنای «در» و zyme به معنای «مخمر» در سال 1878 و به منظور تاکید بر وجود عاملی در مخمر، غیر از خود مخمر، که فرایند تخمیر را انجام می داد شکل گرفت.
خصوصیات آنزیم ها
به طور کلی آنزیم ها تابع همان قوانین حاکم بر رفتار سایر مواد هستند، به علاوه آنزیم ها در مقایسه با کاتالیزورهای شیمیایی دارای ویژگی های اختصاصی می باشند که در اینجا به برخی از آنها اشاره می شود:1. سرعت واکنش های آنزیمی بیشتر است. سرعت واکنش هایی که توسط آنزیمها کاتالیز می شوند عموماً 106 تا 1012 مرتبه بیشتر از واکنش ها معادل فاقد کاتالیزور است و حداقل چندین برابر بیش از واکنش های مشابهی است که توسط کاتالیزورهای شیمیایی کاتالیز می شوند.
2. شرایط واکنش های آنزیمی معمولاً ملایم تر است. واکنش های آنزیمی معمولاً در شرایط نسبتاً ملایم مانند دمای نه چندان بالا، فشار اتمسفری و pH نزدیک به خنثی انجام می شوند. در حالیکه کاتالیزورهای قوی شیمیایی بر خلاف آنزیم ها، اغلب به دما و فشار بالا و pH اسیدی یا بازی قوی نیاز دارند.
3. آنزیم ها نسبت به واکنش هایی که کاتالیز می کنند بسیار اختصاصی عمل می کنند. آنزیم ها در مقایسه با کاتالیزورهای شیمیایی، ویژگی فوق العاده اختصاصی تری نسبت به ماهیت سوبسترا و فراورده های واکنش نشان می دهند. این به این معنی است که واکنش های آنزیمی به ندرت دارای فراورده های جانبی ناخواسته هستند.
4. آنزیم ها قابلیت تنظیم دارند. فعالیت کاتالیتیکی بسیاری از آنزیم ها نسبت به تغییرات غلظت موادی به جز سوبسترا، حساس است. و از طریق مواد خاصی که در آنزیم جایگاه اتصال دارند می توان فعالیت آنزیم را افزایش یا کاهش داد.
نکته ی قابل توجه دیگر در خصوص کابرد صنعتی آنزیم ها این است که در ابتدای پیدایش علم آنزیمولوژی، استفاده از آنزیم ها تنها به منظور بررسی جزئیات ساختمانی و مکانیسم واکنش های متابولیکی و همچنین مطالعات دیگر که صرفاً جنبه ی علمی دارد، در حد میکرو گرم مطرح بوده است، در صورتی که استفاده از آنزیم ها در صنایع شیمیایی، دارویی، غذایی، نساجی، مواد شوینده و ... در حد تن مطرح می باشد. از این رو روش های بیوتکنولوژی کلونینگ ژن های مربوط به آنزیم و کشت سلول، برای تولید انبوه آنزیم ها به کار می آید.
امروزه همچنین در زمینه های تحقیقاتی کابردی، تلاش زیادی به منظور دستیابی به آنزیم های جدید با خصوصیات منحصر به فرد صورت می گیرد. باور این است که برای انجام هر واکنشی که از نظر ترمودینامیکی امکان پذیر است می توان آنزیم خاصی پیدا کرد که آن واکنش را کاتالیز نماید. در حال حاضر 2500 واکنش آنزیمی که توسط انجمن بین المللی بیوشیمی (IUB) ثبت شده، حدود 100 آنزیم در صنایع مختلف مورد استفاده قرار می گیرند و این روند از نظر تعداد و مقدار تولید رو به افزایش است.
سمانه سادات عنایتی
بخش دانش و زندگی تبیان
منابع:
M. Nemat Gorgani et al. Applied enzymology. University of Tehran press (1383).
S. Shanmugam and T. Sathishkumar. Enzyme Technology. (2009).
مطالب مرتبط:
شما از بیوتکنولوژی چی می خواهید بدانید؟
کلونینگ ژن قسمت دوم ،گام دوم: ترنسفورماسیون
