ت آنزيمي شود. هرچند چنين محيطهايي هميشه باعث افزايش واکنشهاي جانبي هيدرولازي ميشوند. همچنين اسيد حاصل از اين واکنشها ممکن است باعث کاهش pH و از دست رفتن فعاليت آنزيمي شود.
حلالهايي که به خوبي توسط اين آنزيمها تحمل ميشوند – هيدروکربنهاي آروماتيک و آليفاتيک، اترها، و الکلها (بجز متانول)- فقط به صورت ضعيفي با آنزيم برهمکنش ميدهند و ميتوان حدس زد که اين حلالها کم و بيش فقط براي آنزيم يک فضاي خالي ايجاد ميکنند. تنها الکلها که تشکيل دهنده پيوند هيدروژني هستند ميتوانند ليپازها را غيرفعال کنند. حلالهايي که برهمکنش بسيار قوي با پروتئينها ميدهند، مانند دي متيل سولفوکسيد15 (DMSO) و دي متيل فرمآميد16 (DMF) نيز باعث غيرفعال شدن برگشتناپذير آنزيمها ميشوند. بنابراين آنزيمها برهمکنشهاي قوي با هيچ مادهاي به جز آب را نميتوانند تحمل کنند (Van Rantwijk, 2007).
نامشخص بودن pH در محيط بدون آب يک عامل پيچيده در آنزيمشناسي است. آنزيم توزيع بار الکتريکي (pH ظاهري) را مطابق با آخرين محلول آبي، مثلا بافر ليوفيليز، حفظ ميکند (Zaks and Klibanov 1985). البته pH بهينه ظاهري تحت تأثير نوع حلال و aW تغيير ميکند (Yang et al., 1993). چنين اثرات مشابهي در محيط مايعات يوني نيز قابل انتظار است.
در حقيقت بيشترين اطلاعات درباره رفتار آنزيم در محيط غيرآبي، حاصل از مطالعات آنزيمها در حلالهاي آلي است. اما حلال هاي آلي براي طبيعت زيان آور هستند بنابراين در سالهاي اخير تلاش زيادي در جهت يافتن جايگزين پاکتري براي محيطهاي واکنش انجام شده است.از جمله محلولهاي دوستدار محيط زيست مايعات يوني را ميتوان نام برد که ميتوانند جايگزين حلالهاي آلي شوند.
علاقه عمومي براي افزايش سرعت واکنشهاي آنزيمي در حلالهاي آلي نيز عامل پيشبرنده ديگر به سمت مايعات يوني بوده است. يکي از دلايل کاهش فعاليت آنزيمي در حلالآلي (در مقايسه با محيط آبي) پايدارسازي مواد واکنش دهنده در حلال است (Klibanov et al., 1997). اين اثر که در واقع همان افزايش حلاليت (افزايش Km) است، با به کارگيري غلظتهاي بالاتري از ماده واکنشدهنده قابل جبران است (Halling et al., 2004). بقيه کاهش فعاليت، در حد 1 تا 2 برابر، مربوط به اثر مجموعهاي از عوامل شامل ناپايدار شدن حالت گذار واکنش (Clark et al., 2004)، تغييرات کنفورماسيون و از دست دادن انعطافپذيري ميباشد (Halling et al., 2004, Clark et al., 2004 ). ثابت ديالکتريک پايين محيطهاي آلي معمولي باعث افزايش انرژي حالت گذار شديدا قطبيده در مقايسه با آب ميشود و بنابراين ناپايدار شدن حالت گذار را در پي خواهد داشت (Clark et al., 2004).

1-4- مايعات يوني
از ميان مايعات مختلفي که ميتوان بهعنوان حلال به کار برد تنها تعداد اندکي به طور عمومي مورد استفاده قرار ميگيرند. با معرفي تکنولوژيهاي سبز يک نگراني اصلي، ايجاد جايگزينهاي مناسب براي حلالهاي مخرب است که در صدر جدول مواد شيميايي زيانآور هستند. زيرا اين حلالها در مقادير بالا استفاده ميشوند و به طور معمول مايعات فراري هستند. نمکهاي مرکب17 مايعاتي هستند که فقط يون دارند (مايعات يوني). در صورت انتخاب مواد اوليه مناسب ميتوان مايعات يوني ساخت که در دماي اتاق و در دماي پايينتر از دماي اتاق مايع هستند. مايعات يوني مواد جديدي نيستند. بسياري از آنها سالهاي زيادي است که شناخته شدهاند. براي مثال ميتوان 18[EtNH3][NO3] را نام برد که دماي ذوب 12 درجه سانتيگراد دارد و در سال 1914 معرفي شد. از همان زمان پيشنهاد شد که از مايعات يوني در سنتز شيميايي به جاي حلال استفاده شود. البته تنها در سالهاي اخير تعداد زيادي مقالات در اين زمينه به چاپ رسيده است. برخي خصوصيات فيزيکي ساده مايعات يوني که آنها را به عنوان حلالهاي بالقوه براي سنتز جالب توجه کرده است توسط ولتون بيان گرديده است (Welton et al., 1999):
حلالهاي خوبي براي طيف وسيعي از مواد آلي و غير آلي هستند.
معمولا شامل يونهاي نامتناسبي هستند که امکان قطبيت بالا در آنها را ايجاد ميکند.
طبق مقياس قطبيت نرمال شده که در آن تترامتيل سيلان19 صفر و آب 0/1 در نظر گرفته شده، قطبيت مايعات يوني مرسوم، به طور معمول در محدوده 6/0-7/0 قرار ميگيرد ( مانند فرماميد20 و الکلهاي محلول در آب21 )
(van Rantwijk et al., 2003). همچنين کاهش طول زنجيره آلکيلي متصل به حلقه ايميدازوليوم و اندازه آنيون در مايعات يوني داراي کاتيون ايميدازوليومي، با افزايش قطبيت مايع يوني در ارتباط است (Carmichael and Seddon, 2000). مقدار قطبيت مايع يوني گاهي به دما و حضور آب حساس است (Baker et al., 2002). مايعات يوني به دليل قطبيت بالايي که دارند محيط خوبي براي واکنشهاي شيميايي و بيوشيميايي ايجاد ميکنند. زيرا ميتوانند سوبستراهاي مختلفي شامل ترکيبات آلي قطبي و غيرقطبي و ترکيبات آلي و غير آلي و پليمري را در خود حل کنند.
با تعدادي از حلالهاي آلي غير قابل امتزاج هستند و بنابراين يک جايگزين قطبي غيرآبي براي سيستمهاي دو فازي ميباشند. همچنين مايعات يوني آبگريز را ميتوان به عنوان فاز قطبي غير قابل امتزاج همراه با آب استفاده کرد (Welton et al., 1999).
مايعات يوني فرار نيستند و اين به دليل يوني بودن ماهيت آنها است که فشار بخار ناچيزي دارند. بنابراين ميتوان از آنها بدون ايجاد آلودگي در سيستمهايي با مکش قوي استفاده کرد (Welton et al., 1999).
بنابراين مايعات يوني داراي پايداري دمايي بوده و فاقد فشار بخار ميباشند (Gordon et al., 2001, Brennecke et al., 2001). به علاوه داري خصوصيات استثنائي به عنوان حلال هستند و ميتوانند هر ماده شيميايي را در خود حل کنند. با جايگزين کردن کاتيون، آنيون و اجزاي متصل به آنها، ميتوان خصوصيات اين حلالها را تغيير داد و به اين صورت مايع يوني مناسب براي واکنش خاصي را ايجاد نمود (Brennecke and Maginn, 2001) (شکل 1-3). گرچه هنوز مشخص نيست که مايع يوني چگونه خصوصيات کاتالايتيک آنزيم را تحت تأثير قرار ميدهد، آنزيمها در مايعات يوني مانند [C4MIM][PF6] فعال و به شدت پايدار هستند (Erbeldinger et al., 2000, Cull et al., 2000, Laszlo et al., 2001).

شکل 1-2- آنيونها و کاتيونهاي مرسوم در مايعات يوني مورد استفاده در بيوکاتاليز.

1-5- بيوکاتاليز در مايعات يوني
دليل تمايل به انجام بيوکاتاليز در مايعات يوني در واقع ميل به جايگزين کردن مايعات يوني غيرفرار به جاي حلالهاي آلي فرار بوده است. هرچند اين واکنشها در محيط طبيعي آنزيم يعني محيط آبي قابل انجام است اما حلالهاي آلي به طور وسيعي همراه با آنزيمها مورد استفاده قرار گرفتهاند تا از اين طريق ميزان حلاليت واکنشگرهاي آبگريز را بيشتر کرده و تعادل واکنش را از سمت هيدروليز به سمت سنتز تغيير جهت دهند. همچنين خصوصيات غيرمرسوم مايعات يوني به عنوان حلال، باعث گسترش روشهاي متعدد جديد و بسيار کارآ شده است (Van Rantwijk et al., 2007).
1-5-1- آنزيمها در مخلوطهاي مايع يوني- آب
در بيوترانسفورماسيون غالبا از مخلوط محيط آلي- آبي براي افزايش حلاليت واکنشدهندهها و محصولات آبگريز استفاده ميشود. پايداري و فعاليت آنزيمها در مخلوطهاي آبي مايعات يوني غالبا براساس اثرات هافميستر22 مورد بررسي قرار ميگيرد. سري هافميستر نوعي دستهبندي يونها است که به ترتيب توانايي آنها در حل کردن و رسوبدهي پروتئينها ايجاد شده است.
اخيرا در حوزه بيوکاتاليز در مخلوطهاي مايع يوني- آب کارهاي زيادي در رابطه با طيف وسيعي از آنزيمها و مايعات يوني انجام شده است. مايعات يوني را به خوبي ميتوان براساس موقعيت قرارگيري يونها، در سري هافميستر به گونهاي مرتب نمود که ترتيبي از پايدارکنندهترين تا ناپايدارکنندهترين (کاسموتروپ23 تا کائوتروپ24) ايجاد شود.
نمک هاي سري هافميستر با ويژگي هاي كاسموتروپيك و کائوتروپيک يونها مرتبط هستند. يونهايي که به شدت آب پوشي ميشوند به کاسموتروپ ها معروفند و آن دسته از يون هايي كه به صورت ضعيف هيدراته مي شوند، كائوتروپ خوانده مي شوند (Lo Nostro et al., 2005). يونهاي حاصل از نمکهاي سري هافميستر به دو گروه تقسيم مي شوند: Salting- out و Salting- in (Kunz et al., 2004). يون هاي out-Salting (آنيون هاي کاسموتروپ مثل فسفات، سولفات وكاتيون هاي كائوتروپيك مثل كاتيون هاي آمونيوم) پروتئين ها را پايداركرده و نيز باعث رسوب آنها مي شوند. در مقابل يون هاي Salting- in (آنيونهاي كائوتروپ مثل آنيون هاي پركلرات، برمايد و كاتيونهاي کاسموتروپ مثل كاتيون ليتيم) پروتئين ها را ناپايدار ميكنند (Kunz et al., 2004). درغلظت هاي پايين نمک (تا سقف 01/0 مولار) يون ها غالبا از طريق برهمکنش هاي الکترواستاتيک روي آنزيم ها تاثير مي گذارند. هنگامي که در غلظت هاي زياد نمک نيروهاي انتشار يا پراکندگي يوني بر پتانسيل الکترواستاتيک پيروز ميشوند، اثر يونهاي هافميستري اهميت پيدا ميکنند (Lo Nostro et al., 2005).
بسياري از آنزيمها به خوبي در طيف وسيعي از مايعات يوني در محيط آبي عمل ميکنند. به سختي ميتوان مايع يوني پيدا کرد که به هيچ عنوان با هيچ آنزيمي سازگاري نداشته باشد. در رابطه با پيشبيني سازگاري آنزيم و مايعات يوني آبي به نظر ميرسد که کائوتروپي و کاسموتروپي نميتوانند به عنوان تنها عوامل پيشبيني کننده استفاده شوند. همچنين بعيد به نظر ميرسد که بتوان سازگاري آنزيم با مايعات يوني را با در نظر گرفتن تعداد محدودي پارامتر همچون قطبيت يا logP تفسير نمود. اين موضوع در مورد حلالهاي ملکولي محلول در آب نيز صدق ميکند (Van Rantwijk et al., 2007).
اساس پيشبيني سازگاري آنزيمها و مايعات يوني آبي را ميتوان اين گونه بيان کرد که پروتئين زماني پايداري خود را از دست ميدهد که يونها يا ملکول هاي حلال اطراف آن با فرم بازشده آنزيم برهمکنش قويتري نسبت به فرم طبيعي آنزيم داشته باشند (Baldwin et al.,1996). چنين برهمکنشهاي ناپايدارکنندهاي ميتوانند حاصل از “Salting in” يونهاي دوگانه دوست روي گروههاي آبگريز فرو رفته درون ساختار پروتئين يا حاصل از برهمکنشهاي قوي آنها با پيوندهاي پپتيدي باشد (Kaar et al., 2003, Lou et al., 2006). از جمله مباحث مهمتري که بايد به خصوص در مورد آنزيمهاي حساس مد نظر قرار داد ميتوان تغييرات pH ايجاد شده توسط يونهاي اسيدي يا قليايي برونشتد و فعاليت آبي ترموديناميکي را نام برد.

1-5-2- فعاليت آنزيمها در شرايط نسبتا بيآب در مايعات يوني
توانايي ليپاز در تحمل مايعات يوني به صورت بيآب يک توانايي عمومي نيست. آنزيم CALB (Schofer et al., 2001) و CRL 25 (Kaar et al., 2003) در طيف وسيعي از مايعات يوني امتزاجپذير با آب، حاوي آنيونهاي MeSO4-26 (Schofer et al., 2001)، NO3- (Kaar et al., 2003)، AcO-27يا lactate- (Sheldon et al., 2002) غيرفعال است. نکته قابل توجه اين است که ليپاز در چنين محيطهايي حل ميشود زيرا حل شدن پروتئين مستلزم شکسته شدن برهمکنشهاي پروتئين- پروتئين و تشکيل اينترکشنهاي قويتر با محيط است (شکل 1-4). آب نيز چنين عملکردي دارد؛ اما حلالهاي آلي مانند N،N- ديمتيل فرماميد28 و ديمتيل سولفوکسيد29 که آنزيمها را در خود حل ميکنند و در ضمن، گروههاي سطح پروتئين را کئوردينه ميکنند، عوامل دناتوره کننده قوي محسوب ميشوند.
به نظر ميرسد که مايعات يوني بدون آب با روشي مشابه حلالهاي آلي مرسوم، آنزيم را تحت تأثير قرار ميدهند؛ زيرا بسياري از آنها به خوبي تحمل ميشوند اما برخي از آنها نيز سازگاري بسيار کمي دارند که البته اين موضوع به نوع آنزيم نيز بسيار وابسته است. براي مثال مايعات يوني حاوي يونهاي AcO- و NO3- که به صورت

دسته بندی : No category

دیدگاهتان را بنویسید