1. عنوان: نانو زیست‏کاتالیست‌ها
نویسندگان : 1- خدیجه حاجی بابایی 2- امیر لندرانی اصفهانی

3. آنزیم‌ها
آنزیمها کاتالیزورهایی هستند که سرعت واکنش‌های بیوشیمیایی را در سلولهای زنده افزایش می‌دهند.
به آنزیمها کاتالیزورهای حیاتی (Bio catalyst) نیز گفته می‌شود.
آنزیمها به عنوان کاتالیزورهای سبز در شیمی اهمیت پیدا کرده‌اند.
دنیای نانو زیست‏کاتالیست‏ها به بررسی و مطالعه عملکرد آنزیم‏ها در محیط‏ یا ساختار‏های نانو می‏پردازد.

4. آنزیم‌ها
مزایای استفاده از آنزیم‌ها در مقایسه با کاتالیستهای شیمیایی عبارتند از:
گزینش‌پذیری بالا در مخلوط پیچیده
خلوص بالای محصولات و عدم تولید محصول جانبی
هزینه تولید پایین محصول
شرایط ملایم واکنش
انتخابگری خاص

5. ساختار آنزیمها
آنزیم‌ها پروتئینهایی هستند که واکنش بیولوژیکی درون سلول زنده را کاتالیز می‌کنند.
ساختار آنزیم‌ها مانند سایر پروتئینها از ترتیب یا توالی مختلف 20 نوع اسید آمینه تشکیل شده است.

6. ساختار آنزیمها
پروتئینها آنزیمهای خطی می‏باشند که در آن آمینواسیدها به صورت متوالی از طریق پیوند پپتیدی به هم متصل شده‌اند.
این ترکیبات زیستی دارای جرم مولکولی نسبتاً بالایی هستند و با وجود زنجیر طولانی جهت کاهش فضای اشغال شده در خود پیچ و تاب خورده‏اند.

7. نحوه عمل آنزیمها
در حیطه شیمی آلی، آنزیمها کاتالیستهای قدرتمندی برای انجام واکنشهای فضا‌گزین (Streoselective) و مکان‌گزین (Regioselective) هستند.
در شیمی آنزیمها مانند دیگر کاتالیست‌ها:
تغییری در انرژی آزاد ایجاد نمی‌کنند.
منجر به تغییر مکانیسم انجام واکنش خواهند شد.
غلظت مؤثر ماده اولیه را از طریق پیش‌تغلیظ آن بر سایتهای فعال خود افزایش می‌دهند.
یعنی انرژی فعالسازی کل واکنش را کم می‌کنند.

8. نحوه عمل آنزیمها بررسی عملکرد کاتالیستی آنزیمها:
آنزیمها از طریق سایت‏های فعال خود به ماده اولیه متصل خواهند شد.
این اتصال از طریق پیوندهای غیرکوالانسی است.
انواع پیوندهای غیرکوالانسی
پیوندهای هیدروژنی
برهمکنش پای (π)
برهمکنشهای دوقطبی-دوقطبی
اثرات هیدروفوبیک
نیروهای واندروالسی
برهمکنشهای الکتروستاتیک

9. نحوه عمل آنزیمها
در همه انواع برهمکنش‏ها، واکنشهای آنزیمی در طی سه مرحله کلی انجام می‌شود:
ثابت شدن ماده اولیه بر آنزیم
انجام واکنش
جداسازی محصول یا محصولات

10. نحوه عمل آنزیمها ثابت شدن ماده اولیه بر آنزیم "سایت فعال”:
ثابت شدن ماده اولیه بر آنزیم
"سایت فعال”:
موقعیتی خاص درون آنزیم، که ماده اولیه در آن قرار گرفته و عمل کاتالیز شدن در آنجا انجام می‌شود.

11. نحوه عمل آنزیمها سایت فعال آنزیم مانند یک شکاف عمل می‌کند.
این سایت ماده اولیه خاص و مورد نظر خود را شناسایی کرده و به صورت گزینشی واکنش مربوط به آن گروه از مواد را کاتالیز می‌کند.
کارکرد آنزیم و مواد اولیه مانند مدل قفل و کلید است که با ورود ماده اولیه به سایت فعال آنزیم، واکنش مورد نظر انجام می‌گیرد.

12. نحوه عمل آنزیمها انجام واکنش
با توجه به نوع واکنش و قابلیت آنزیم مانند اکسید و احیا و هیدرولیز، واکنش در زمان مشخصی انجام شده و واکنشگر از سطح آنزیم جدا می‏گردد.

13. انواع آنزیمها و نامگذاری آنها
دسته بندی آنزیم‏ها با توجه به نوع واکنش خاصی که کاتالیز می‌کنند:
اکسیدو رداکتازها (Oxidoreductase)
این آنزیمها واکنشهای اکسید و احیا را کاتالیز می‌کنند.

14. انواع آنزیمها و نامگذاری آنها
دسته بندی آنزیم‏ها با توجه به نوع واکنش خاصی که کاتالیز می‌کنند:
دهیدروژناز (Dehydrogenase): انتقال هیدرید

15. انواع آنزیمها و نامگذاری آنها
دسته بندی آنزیم‏ها با توجه به نوع واکنش خاصی که کاتالیز می‌کنند:
پراکسیداز (Peroxidase): انتقال الکترون به پراکسیدها

16. انواع آنزیمها و نامگذاری آنها
دسته بندی آنزیم‏ها با توجه به نوع واکنش خاصی که کاتالیز می‌کنند:
اکسیژناز(Oxygenase): انتقال الکترون از مولکول اکسیژن

17. انواع آنزیمها و نامگذاری آنها
ترانسفرازها (Transferase)
این آنزیمها انتقال گروه‌های عاملی را انجام می‌دهند.
اکثر آنها به حضور کوآنزیم نیاز مند هستند.
قسمتی از مولکول اولیه به آنزیم یا کوآنزیم آن، به صورت کووالانسی متصل می‌شود.

18. انواع آنزیمها و نامگذاری آنها
هیدرولازها (Hydrolase):
این دسته از آنزیمها واکنش‌های هیدرولیز را کاتالیز می‌کنند.
در گروهی از ترانسفرازها، آب به عنوان گیرنده گروه منتقل شده عمل می‌کند.
بسته به نوع پیوندی که می‌شکنند به پروتئاز، آمیلازها، آسیلازها، لیپازها و استرازها تقسیم بندی می‌شوند.

19. انواع آنزیمها و نامگذاری آنها
لیازها (Lyase):
واکنشهای حذفی غیراکسنده و غیرهیدرولیتیک را کاتالیز می‌کنند.
شکست ماده اولیه یا تولید پیوند دوگانه را نیز انجام می‌دهند.
واکنشهای حذفی برای تولید، پیوند دوگانه را کاتالیز می‌کنند.
لیاز می‌تواند افزایش یک گونه به پیوند دوگانه در ماده اولیه را کاتالیز نماید.
این نوع لیاز "سیتاز" نامیده می‌شود.

20. انواع آنزیمها و نامگذاری آنها
ایزومرازها (Isomerase)
واکنشهای ایزومریزاسیون را کاتالیز می‌کنند.
در این دسته واکنشها ماده اولیه و محصول یکی است.
پس ساده‌ترین واکنشهای آنزیمی محسوب می‌شوند.

21. انواع آنزیمها و نامگذاری آنها
لیگازها(Ligase)
اتصال دو ماده اولیه را کاتالیز می‌کنند.
در این واکنشها انرژی پتانسیل شیمیایی به صورت یک نوکلئوزید تری فسفات یا ATP خارج می‌شود.
لیگازها، تحت سینتتاز هم نامیده می‌شوند.

22. اجزای ساختاری آنزیم
آنزیم نیازمند مولکولهای افزودنی است که به عملکرد آنها کمک می‌کنند.
این مولکولها از جنس پروتئین نبوده و کوآنزیم یا کوفاکتور نامیده می‌شوند.
کوآنزیم معمولاً یک مولکول آلی کوچک و کوفاکتور یونهای معدنی است.
کوآنزیم یا کوفاکتور به فعالیت کاتالیتیکی آنزیم کمک می‌کند.

23. اجزای ساختاری آنزیم
کوفاکتورها از طریق حمله نوکلئوفیلی یا الکتروفیلی به ماده اولیه واکنش را آغاز می‌کنند.
به بخش پروتئینی آنزیم بدون کوفاکتور، آپوآنزیم گویند.

24. عوامل محیطی تاثیرگذار برفعالیت آنزیم‌ها
دما:
دما سرعت حرکت مولکولی را افزایش می‌دهد.
باعث تغییر شکل آنزیم می‌شود.
افزایش دما بیش از حد خاص فعالیت بیولوژیکی آنزیم را از بین برده و آنزیم غیر فعال می‌شود.
هر آنزیم با توجه به ساختار خود یک دمای بهینه دارد.

25. عوامل محیطی تاثیرگذار برفعالیت آنزیم‌ها
pH:
ساختار سه بعدی آنزیم دارای زنجیرهای جانبی زیادی است که یون هیدروژن با آنها پیوند داده است.
شکل بهینه آنزیم از طریق تعداد یونهای هیدروژن متصل شده به آن مشخص می‌شود.
هر آنزیم در یک pH مشخص فعال است.

26. منبع آنزیمها
آنزیمها در سلولهای گیاهان، جانوران یا میکروارگانیسمها سنتز می‌شوند.

27. منبع آنزیمها آنزیمها از منابع زیر بدست می‌آیند: منابع میکروبی
سلولهای یوکاریوت و پروکاریوت
باکتریها، قارچ‌ها و کپکها
منابع گیاهی
منابع حیوانی
بیش از 90 درصد آنزیمها از تخمیر میکروارگانیسمها به دست می‌آیند.

28. تثبیت نمودن آنزیم (Immobilization)
مزایای تثبیت نمودن آنزیم:
تکرار پذیری
جلوگیری از تجمع آنزیم
افزایش پایداری ساختار سه بعدی
جداسازی بهتر و راحت‏تر آنزیم از مواد اولیه
استفاده مکرر افزایش سطح تماس آنزیم با مواد اولیه
جلوگیری ازغیر فعال شدن فعالیت آنزیم در شرایط محیطی مانند:
دما، pH بالا و یا حضور اکسیدان‏ها

29. تثبیت نمودن آنزیم (Immobilization)
معایب تثبیت کردن آنزیم بر بستر
قیمت بالای حامل
کاهش راندمان پیوند پروتئین
احتمال کاهش فعالیت آنزیم به دلیل …
تغییرات شیمیایی پروتئین
ممانعت فضایی
محدودیت انتقال جرم
نسبت آنزیم به نگهدارنده 5 تا 10 درصد وزنی خواهد بود.
این مقدار موجب کاهش فعالیت کاتالیتیکی آنزیم می‌گردد.

30. روشهای تثبت نمودن آنزیم بر بستر
جذب غیرکوالانسی آنزیم بر بستر
در این روش پروتئین و سطح جامد به صورت غیرکووالانسی و برگشت‌پذیر پیوند می‌دهند.
انواع پیوندها:
پیوندهای قوی یونی و هیدروژنی
پیوندهای ضعیف‌تر واندروالسی و برهمکنشهای آب‌گریز

31. روشهای تثبت نمودن آنزیم بر بستر
اگر پیوند بین آنزیم و بستر خیلی ضعیف باشد...
ساختار نوع سوم آنزیم نسبت به محلول پایداری کمتری دارد.
می‌توان با تغییر pH آنزیم جذب شده را از سطح بستر جدا کرد.
در این روش می‏توان آنزیم خراب شده را با آنزیم سالم روی بستر تعویض نمود.
اگر فرایند اتصال به صورت گزینشی روی سطح بستر انجام شود، تثبیت کردن روشی مناسبی برای خالص سازی آنزیم است.

32. روشهای تثبت نمودن آنزیم بر بستر
اتصال کووالانسی آنزیم بر بستر جامد
پیوند کووالانسی بین باقیمانده زنجیر جانبی آمینو اسید آنزیم و گروه‌های فعال سطح بستر انجام می‌شود.
به دلیل پیوند کووالانسی قوی زیست کاتالیست با بسترهای ناهمگن پایداری زیادی خواهد داشت.

33. روشهای تثبت نمودن آنزیم بر بستر
به دام افتادن آنزیم در ژل پلیمری غشا یا کپسول (Encapsulation)
در این روش آنزیم یا کل سلول به صورت فیزیکی در یک پلیمر به دام می‌افتد.
در این روش محدودیت نفوذ (Diffusion Limitation) وجود دارد.
ژلهای پلی آکریل آمید و پلی آکریلات که هیدروفیل‏های مناسبی هستند، توانایی به دام اندازی آنزیمها را دارند.
در مورد کپسوله شدن، پروتئین با دیواره کپسول برهمکنش کووالانسی ندارد.

34. روشهای تثبت نمودن آنزیم بر بستر
اتصال متقاطع آنزیم به ماده‌ای با چند گروه عاملی (Crosslinking)
در این روش اتصال متقاطع شیمیایی بدون افزایش حامل بی‌اثر یا ماتریکس انجام می‌شود.
معمولاً جامد بی‌شکل با کارایی مکانیکی و فعالیت پایین از آنزیم تولید می‌گردد.
این کیفیت پایین آنزیم، به عنوان یک محدودیت برای این روش معرفی می‏شود.
استفاده از این روش زیاد متداول نیست.

35. عوامل مؤثر در فرایند تثبیت کردن
انتقال جرم (Mass Transfer)
این اثر به معنی انتقال مواد اولیه به کاتالیزور آنزیمی و جدا شدن محصولات ماتریکس از کاتالیزور می‌باشد.
دو نوع انتقال جرم درونی و بیرونی وجود دارد:
در انتقال جرم درونی، ماده اولیه درون سوراخهای ماتریکس به دام می‏افتد.
در انتقال جرم بیرونی، مواد اولیه از محلول اولیه به سطح آنزیم تثبیت شده متصل خواهند شد.
انتقال جرم باعث کاهش فعالیت کلی کاتالیزور می‌شود.

36. عوامل مؤثر در فرایند تثبیت کردن
تقسیم (Partition)
تقسیم به مقداری از مواد اولیه، محصولات و فلزاتی گفته می‌شود که بین آنزیم ناهمگن و محلول اولیه پخش می‌شوند.
معایبی روشهای تثبیت کردن عنوان شده:
قیمت بالای حامل
غیرفعال شدن پروتئین در اثر اتصال
نفوذ محدود ماده اولیه و غیر فعال شدن آن

37. روش‏های جدید تثبیت کردن آنزیم
کریستالهای آنزیم با اتصال متقاطع
در این روش یک ماده اولیه با چند گروه عاملی که توانایی اتصال متقاطع دارد، به درون کریستال پروتئین افزوده می‌شود.
در این حالت هر مولکول آنزیم با مولکول آنزیم دیگر اتصال متقاطع می‌دهد.
در این روش پروتئین اول باید کریستاله شود.
برای هر آنزیم یک روش کریستاله کردن خاص وجود دارد.

38. روش‏های جدید تثبیت کردن آنزیم
سل- ژل
در این روش یک ژل سیلیکا از آنزیم تهیه می‌شود.

39. روش‏های جدید تثبیت کردن آنزیم
پلیمرهای هوشمند
پلیمر با تغییر یکی از پارامترهای محیطی به صورت محلول در می‌آید، این پارامترها عبارتند از: pH
قدرت یونی
دما

40. روشهای تثبیت آنزیمها بر نانوذرات
به دام انداختن نانو (Nanoentrapment)
به دام انداختن نانو روش متداولی برای تهیه نانوذرات حاوی آنزیم است.
در این روش از سیستم میکروامولسیون آب در روغن، که منجر به جدا شدن نانوذرات از میان پلیمر در فاز آبی-روغن یا فاز آبی می‏شود، استفاده می‌شود.
از معایب این روش کنترل اندازه ذرات میسل معکوس ایجاد شده است.

41. روشهای تثبیت آنزیمها بر نانوذرات
در سال 2003 روش سنتزی جدیدی با عنوان نانوذرات آنزیمی واحد گزارش شد.
روش سنتزی نانوذرات آنزیمی واحد سه مرحله می‌باشد:
سطح آنزیم توسط آکریلیشن در آب بهینه می‌شود.
پلیمر وینیل از سطح آنزیم رشد می‌کند.
زنجیره پلیمری تحت پلیمریزاسیون ارتوگونال متصل می‌شود.

42. روشهای تثبیت آنزیمها بر نانوذرات
کشتی در بطری (Ship-in-a-bottle)

43. روشهای تثبیت آنزیمها بر نانوذرات
روش کشتی در بطری (Ship-in-a-bottle) روشی برای تثبیت آنزیمها در محیط نانو ذرات با ساختار گردن بطری می‌باشد.
تصویر TEM مزوپروس سیلیکا:
اولین مرحله از این روش جذب آنزیم بر سطح نانوپروس می‌باشد که با اتصال آنزیم‌ها به همدیگر همراه است.

44. بحث و نتیجه گیری
نانو زیست‏کاتالیستها، وارد کردن آنزیم در داخل ساختارهای نانو می‌باشد.
آنزیمها پروتئین‌هایی هستند که واکنش بیولوژیکی درون سلول زنده را کاتالیز می‌کنند.
موارد مطرح شده:
آنزیمها
ساختار
نام‌گذاری آنها
روشهای تثبیت کردن آنزیمها و معایب و مزایای آنها
روشهای تثبیت آنزیمها بر نانوذرات