مشاهده فعالیت آنزیم كاتالاز در گیاهان مختلف، جلسه اول

هدف: در این پروژه، آنزیم کاتالاز به عنوان یک مدل آنزیمی که قابل استخراج از گیاهان مختلف است، معرفی شده و با استفاده از روشی ساده و ابتکاری سرعت عمل آن اندازه‌گیری می‌شود.

حداقل زمان مورد نیاز برای انجام پروژه: 4 هفته

هزینه برآوردی: كم‌

سطح دشواری: متوسط

پیر و ناتوان شدن یكی از واقعیت‌های زندگی ما انسان‌ها است. از میان بیش‌از 300 نظریه اثبات نشده درباره مكانیسم‌های پیر شدن، نظریه رادیكال‌های آزاد بیشترین طرفدار را دارد و نتایج آزمایش‌های مختلفی نیز درستی آن را نشان می‌دهد(Giorgio M, Trinei M, Migliaccio E, Pelicci PG. Hydrogen peroxide: a metabolic by product or a common mediator of ageing signals? nature reviews\molecular cell biology. 2007.Giorgio M, Trinei M, Migliaccio E, Pelicci PG. Hydrogen peroxide: a metabolic by product or a common mediator of ageing signals? nature reviews\molecular cell biology. 2007.) . این نظریه تنفس را عامل غیر مستقیم پیر شدن معرفی می‌كند و به عبارتی ما در هر بار نفس كشیدن یك قدم به پیری (Aging) نزدیك شده‌ایم. نتایج تحقیقات متعددی نشان می‌دهد كه طی فرآیندهای مختلف سوخت و ساز هوازی، مشتقاتی از اكسیژن ((Reactive Oxygen Specie’s (ROS) به عنوان محصول جانبی تولید شده (‌مانند پراكسید هیدروژن ) ((Hydrogen peroxide (H2o2)كه این تركیبات بسیار اكسنده و خطرناكند چرا كه با حمله به تمام مولكول‌های سر راهشان (خواه پروتئین باشد و خواه DNA) آنها را اكسید و در نتیجه خراب می‌كنند. البته سلول‌ها نیز با روش‌های مختلفی از خودشان دفاع كرده و آسیب‌های آنها را به كمترین مقدار ممكن می‌رسانند، در غیر این‌صورت احتمالا عدد امید به زندگی ما ایرانی‌ها بسیار كمتر از 73 سال می‌شد.(گزارش انجمن ملی آمار ایران در آخرین سرشماری نفوس و مسكن ( 1390) )

فكر می‌كنید بدن از چه راه حلی استفاده می‌كند؟ مثلا می‌تواند مانند اوره (Urea) برای از بین بردن پراكسید هیدروژن از روش تصفیه و دفع (چیزی مانند دستگاه دفع ادرار) استفاده نماید؟ از آنجا كه این تركیبات خیلی سریع وارد واكنش می‌شوند بهترین راه حل این است كه به سرعت به تركیبات بی‌خطری تبدیل شوند‌. بدین منظور تك تك سلول‌های ما به آنزیم‌هایی (Enzyme) با كارایی بسیار بالا مجهز شده‌اند كه با تجزیه و تبدیل مواد خطرناك به تركیبات بی‌خطر، به بدن كمك نمایند. در این پروژه با یكی از انواع این آنزیم‌ها كه پراكسید هیدروژن را تجزیه می‌كند، آشنا شده و سرعت عمل آن را با چشم خودتان مشاهده خواهید كرد.

مقدمه

آنزیم‌ها چه ویژگی‌هایی دارند؟

آنزیم‌ها مولكول‌های ویژه‌ای هستند كه مسئولیت به انجام رساندن واكنش‌های شیمیایی بدن را به عهده دارند. در هر سلول هزاران آنزیم وجود دارد كه واكنش‌های شیمیای سلول را تسریع و ممكن می‌سازند. تمام آنزیم‌ها در ویژگی‌های زیر مشترك می ‌باشند:

1- انجام واكنش‌های شیمیایی را تسریع می‌نمایند.

2- اختصاصی عمل می‌کنند. یعنی؛ برای انجام هر واكنش به خصوص در بدن آنزیم‌هایی متفاوتی ساخته و مورد بهره برداری قرار می‌گیرد.

3- بعد از انجام شدن واكنش شیمیایی، خودشان صحیح و سالم باقی‌می‌مانند و می‌توانند در واکنش‌های دیگر استفاده شوند.

4- نسبت به شرایط محیط واكنش مانند دما، اسیدیته‌، غلظت نمك‌ها و غیره حساسند. جالب است بدانید حساسیت تمام آنزیم‌ها مشابه هم نبوده و آنزیم‌های مختلف از نظر شرایطی که هر یک تحمل می‌كنند، با هم متفاوتند. یكی از زمینه‌های مورد علاقه محققین آنزیم شناس، شناسایی شرایط مناسب برای عملكرد هر آنزیم و همچنین مقاوم كردن آنزیم‌های مختلف به شرایط جدید (‌به‌عنوان نمونه شرایط داخل ماشین لباسشویی برای آنزیم‌هایی که به پودر لباسشویی اضافه می‌شوند) است.

5- واكنش شیمیایی در بخش خاصی از مولكول آنزیم انجام شده كه به آن جایگاه فعال (Active site) گفته می‌شود.

6- در مورد هر آنزیم مولكول‌هایی شناسایی شده‌اند كه نقش كمكی را برای آنزیم ایفا می‌كنند و البته مولكول‌هایی هم وجود دارند كه مانع فعالیت آنزیم می‌شوند.

7- به مولكولی كه آنزیم بر روی آن عمل می‌كند، پیش‌ماده یا سوبسترا گفته می‌شود.

از اوایل قرن بیستم، ‌دانشمندان مختلفی كه علاقمند به بررسی واكنش‌های شیمیایی عالم حیات بودند، آنزیم‌های بسیاری را از موجودات مختلف استخراج و آن‌ها را مورد مطالعه قرار دادند. تا به امروز حدود ‌60 هزار نوع آنزیم شناسایی شده است كه آنها را با توجه به نوع واكنشی كه كاتالیز می‌كنند در شش گروه طبقه بندی می‌نمایند.

امروزه از آنزیم‌ها در صنایع مختلفی استفاده می‌شود و در زندگی روزمره ما نقش مهمی دارند‌؛ ‌از پودرهای ماشین لباس‌شویی تا كاربردهای گسترده‌ای كه در صنایع غذایی دارند. آنزیم‌هایی كه برای مصارف صنعتی استفاده می‌شوند‌، لازم است ویژگی‌هایی داشته باشند كه استفاده از آنها را در صنعت مقرون به صرفه نماید. بدین منظور شناسایی ویژگی‌های یك آنزیم ( این‌كه نسبت به متغیرهای محیطی چه عكس‌‌العملی دارد) اهمیت بسیاری در استفاده از آن در صنایع دارد.

آینده‌های شغلی یك زیست‌شناس ـ متخصص آنزیم شناسی در كارخانه تولید‌كننده آب میوه

امروزه از آنزیم‌ها در صنایع مختلفی نظیر تولید محصولات بهداشتی، مواد غذایی، چرم، منسوجات، مواد دارویی و غیره استفاده می‌شود. معرفی و تولید آنزیم به هر صنعت در حیطه كار آنزیم‌شناسان است. در واقع متخصص آنزیم‌شناس بیوشیمیدانی است كه حوزه فعالیت‌ وی شناخت آنزیم‌های مختلف، بهینه‌سازی شرایط واكنش و حتی تولید آنزیم‌های جدید با استفاده از روش‌های زیست‌فناوری است. به‌عنوان نمونه در كارخانه تولید‌كننده آب میوه‌ از آنزیم‌های تجزیه‌كننده سلولز و نشاسته به‌منظور شفاف نمودن و شیرین نمودن محصولات نهایی زیر‌نظر متخصص آنزیم‌شناس استفاده می‌شود. معمولاً فارغ التحصیلان رشته‌های بیوشیمی و بیوتكنولوژی در این حرفه به‌كار گرفته می‌شوند.

آنزیم كاتالاز

آب اكسیژنه (H₂O₂) یك از محصولات فرعی واكنش‌های سلول است. این ماده برای سلول بسیار سمی بوده و لازم است به نحوی از بین برده شود. بعضی از سلول‌های ایمنی بدن از آب اكسیژنه برای از بین بردن میكرو‌ب‌ها استفاده می‌كنند. سلول‌ها از آنزیم‌های مختلفی نظیر كاتالاز(Catalase) ، پراكسیداز و غیره برای تجزیه این ماده استفاده می‌كنند. محصول تجزیه آب اكسیژنه‌، آب و اكسیژن است.

تمام سلول‌های گیاهی و جانوری این آنزیم (و یا آنزیم‌های مشابه) را تولید می‌كنند،‌ اما در بعضی از بافت‌ها نظیر بخش‌های ذخیره‌ای گیاه مقدار این آنزیم بسیار زیاد است. در بدن موجودات، تنها آنزیم‌های کاتالاز و یا پراکسیداز نیستند که می‌توانند آب اکسیژنه را تجزیه کنند، بلکه ترکیبات دیگری نیز یافت می‌شوند که توانایی کاتالیز این واکنش را دارند‌. به عنوان نمونه گروه هِم (Hemin) (‌بخش آهن دار پروتئین هموگلوبین (Hemoglobin) در سلول‌های گلبول (Red blood cell) قرمز) نیز با کارایی زیاد می‌تواند آب اکسیژنه را تجزیه کند.