آنزیم کاتالاز چیست از کاربردهای صنعتی آن چه می دانید؟

کاتالاز  یک آنزیم حاوی هم است که در اکثر موجودات هوازی وجود دارد. اگرچه طیف وسیعی از عملکردهای بیولوژیکی کاتالاز هنوز نامشخص است، اما عملکرد اصلی آن تجزیه پراکسید هیدروژن به آب و اکسیژن است.

کاتالازها بیش از ۱۰۰ سال است مورد مطالعه قرار گرفته اند و انواع آنها از موجودات مختلف جداسازی شده است. ساختار کریستالی این آنزیم ها حاوی یک هم هسته ای مشترک و بسیار محافظت شده است  که بیش از سایر گروه ها مورد مطالعه قرار گرفته است.

اصطلاح کاتالاز اولین بار توسط دانشمندی به نام Loew  در سال ۱۹۰۱ عنوان شد و به عنوان آنزیم تجزیه کننده پراکسید هیدروژن (H2O2)  مورد توجه بیوشیمیست ها و زیست شناسان مولکولی قرار گرفت. در ادامه مقاله در نشریه جهان شیمی فیزیک توضیحات بیشتری در این رابطه ارائه می گردد لطفا همراه ما باشید.

عملکرد آنزیم کاتالاز در بدن

واکنش کلی کاتالاز را می توان به سادگی تجزیه دو مولکول پراکسید هیدروژن به آب و اکسیژن توصیف کرد. این واکنش کاتالیزوری در دو مرحله مجزا اتفاق می افتد و عمدتا بر اساس نوع آنزیم متفاوت است.

مرحله اول شامل اکسیداسیون هم با استفاده از اولین مولکول پراکسید هیدروژن برای تشکیل یک گونه اکسی فریل است که در آن یک اکی والان اکسیداسیون از آهن و یکی از حلقه پورفیرین برای ایجاد رادیکال کاتیون پورفیرین خارج می شود.

در مرحله دوم، این واسطه رادیکالی  که به عنوان ترکیب I شناخته می شود، توسط پراکسید هیدروژن دوم کاهش می یابد تا آنزیم غیرفعال، آب و اکسیژن تولید شود.

کاتالازها همچنین می توانند به عنوان پراکسیداز عمل کنند  که در آن از ترکیب آلی مناسب به عنوان دهنده الکترون استفاده می شود. در طی واکنش پراکسیداز، ترکیب I به ترکیب II  تبدیل می شود که می تواند توسط  پراکسید هیدروژن دیگری اکسید شود تا ترکیب غیر فعال III تولید شود.

 

انواع آنزیم کاتالاز

کاتالازها به سه گروه طبقه بندی می شوند: کاتالازهای تک کاره حاوی هم، کاتالاز پراکسیدازهای حاوی هم و کاتالازهای حاوی منگنز. در میان آنها، کاتالازهای تک کاره بزرگترین و گسترده ترین گروه کاتالازها را تشکیل می دهند. همه آنها دارای مکانیسم دو مرحله ای برای تبدیل پراکسید هیدروژن هستند.

اعضای بزرگترین طبقه از کاتالازها را می توان از نظر بیوشیمیایی بر اساس داشتن زیر واحدهای بزرگ (۷۵-۸۴ کیلو دالتون) با زیر واحدهای هم d یا زیر واحد کوچک (۵۵ تا ۶۹ کیلو دالتون) با هم b مرتبط تقسیم بندی کرد. همه آنزیم های زیر واحد کوچک  برخلاف آنزیم های بزرگ تر تاکنون شناسایی شده اند.

آنزیم های زیر واحد  بزرگ تر ثبات قابل توجهی در برابر درجه حرارت بالا و پروتئولیز نشان می دهند. کاتالاز-پراکسیدازها  از طبقه کمتر گسترده علاوه بر فعالیت کاتالیزوری، فعالیت پراکسیداتیک  قابل توجهی نیز از خود نشان می دهند. آنها در باکتری ها، آرکئوباکتری ها و قارچ ها یافت می شوند.

کاتالاز- پراکسیدازها دارای جرم مولکولی در محدوده ۱۲۰-۳۴۰ کیلو دالتون هستند. کاتالازهای حاوی منگنز به گستردگی کاتالازهای حاوی هم نیستند و تاکنون تنها سه مورد از آنها شناسایی شده است، یکی از باکتری های اسید لاکتیک و باقی از باکتری های ترموفیلیک. آنزیم کاتالاز در باکتری ها بسیار مورد مطالعه قرار گرفته اند.

اگرچه کاتالازهای تک کاره به دلیل این باور طولانی مدت که تنها نقش آنها حذف پراکسید هیدروژن است، چنین توصیف می شوند، اما اخیرا این نقش کاتالیزوری محدود مورد سوال قرار گرفته است. زیرا شواهدی مبنی بر وجود فعالیت اکسیداز/ پراکسیداز در آنزیم های کاتالاز در موجودات مختلف وجود دارد. آنزیم های دو منظوره می توانند در بسیاری از کاربردهای صنعتی از جمله حذف مواد شیمیایی سمی و یا فعالیت عوامل محافظتی – شیمیایی مفید باشند، به ویژه هنگامی که فعالیت اکسیداز با تکامل یا مهندسی جهت دار افزایش می یابد.

اهمیت وجود آنزیم کاتالاز در بدن انسان

کاتالازها آنزیم هایی هستند که نقش مهمی در محافظت از سلول ها در برابر اثرات سمی پراکسید هیدروژن دارند. طی  فرآیند فعالیت فیزیولوژیکی بدن، طیف وسیعی از متابولیت های سمی مختلفی به ویژه پراکسید هیدروژن ، سوپراکسید و رادیکال هیدروکسیل شکل می گیرد که بر سلول ها و غشای سلولی تأثیر مخرب دارند.

یکی از مکانیسم های طبیعی محافظت از بدن، آنزیم کاتالاز است که به طور مداوم باعث تجزیه پراکسید هیدروژن می شود. فعالیت کاتالاز در خون و بافت ها نشانگر اختلالات متابولیک است.

کاتالاز عمدتا در پراكسیزوم ها و سیتوپلاسم سلول، گلبولهای قرمز، كبد و كلیه ها قرار دارند. فعالیت کاتالاز به شما امکان می دهد سطح اندوتوکسیکوز را در بدن ارزیابی کنید. آنزیم کاتالاز در کبد بیشترین فعالیت را جهت سم زدایی دارد.

سیستم دفاعی آنتی اکسیدانی بدن یکی از مکانیسم های چند عاملی حفظ هموستاز است. جزء اصلی آن شبکه ای از آنزیم ها از جمله کاتالاز است که فرآیندهای اکسیداسیون رادیکال های آزاد را که توسط گونه های اکسیژن فعال آغاز می شود، کنترل می کند. آنزیم کاتالاز در گیاهان نیز وجود دارد و با عملکردهای مختلف از گیاهان محافظت می کند.

موارد استفاده تجاری از آنزیم کاتالاز

از آنزیم کاتالاز در صنایع غذایی برای حذف پراکسید هیدروژن از مواد غذایی استفاده می شود. استفاده دیگر در بسته بندی مواد غذایی است که از اکسید شدن غذا جلوگیری می کند. کاتالاز همچنین در صنعت نساجی مورد استفاده قرار می گیرد و پراکسید هیدروژن را از پارچه ها حذف می کند.

کاتالاز همچنین کاربرد جزئی در محلول های  لنزهای تماسی دارد و در حال حاضر چند محصول تمیز کننده لنز با استفاده از محلول پراکسید هیدروژن لنز را ضد عفونی می کنند. سپس محلول حاوی کاتالاز برای تجزیه پراکسید هیدروژن قبل از استفاده مجدد از لنز استفاده می شود.

استفاده های آموزشی

در آزمایشگاه مدرسه و دانشگاه فعالیت کاتالاز را می توان به راحتی کنترل کرد. به عنوان مثال با افزودن ۰.۱ میلی لیتر آنزیم به ۱۰ میلی لیتر پراکسید هیدروژن در یک استوانه ۲۵۰ میلی لیتری می توان آن را خنثی کرد. کاتالاز قارچی (غیر رقابتی) توسط اتانول مهار می شود – بنابراین از اتانول می توان برای نشان دادن مهار آنزیم استفاده کرد (برای مهار کاتالاز شما تقریبا ۱۵ درصد اتانول نیاز دارید). برخلاف کاتالازهای منابع دیگر، به نظر نمی رسد که کاتالاز قارچی توسط سولفات مس مهار شود. فرمول محاسبه فعالیت آنزیم کاتالاز نیز در فرآیندهای مختلف مورد استفاده قرار می گیرد.

صنایع غذایی

کاتالاز به طور گسترده ای در صنایع غذایی استفاده می شود. کاتالاز پراکسید هیدروژن را از شیر خارج می کند بنابراین به تولید پنیر کمک می کند. کاتالاز از اکسید شدن غذا جلوگیری می کند  بنابراین می توان از آن در بسته بندی مواد غذایی استفاده کرد.

عامل پاک کننده

گاهی از کاتالاز برای ضدعفونی لنزهای تماسی استفاده می شود. امروزه از کاتالاز در صنعت زیبایی برای تولید ماسک استفاده می شود زیرا به افزایش اکسیژن رسانی سلولی در لایه های فوقانی اپیدرم کمک می کند.

صنعت نساجی

استفاده از کاتالاز تجاری برای از بین بردن باقی مانده های پراکسید هیدروژن از پارچه های پنبه ای، رفتار رنگ آمیزی و عملکرد رنگ را با یک رنگ مونوفلورتریازینیل دو عاملی واکنش پذیر بهبود می بخشد. کاتالاز را می توان پس از سفید شدن، مستقیما در حمام رنگ آمیزی استفاده کرد.

با استفاده از این آنزیم در نتیجه کاهش مراحل شستشو، مصرف آب و حجم پساب کاهش می یابد. از آنجاییکه تغییرات قابل توجهی در خواص فیزیکی و شیمیایی در محصولات نهایی ایجاد نمی کند در مقایسه با کاهنده های شیمیایی و شستشوهای متوالی ، استفاده از کاتالاز جایگزین مناسبی برای پردازش منسوجات است.

بیماری های مرتبط با آنزیم کاتالاز

کمبود یا عملکرد نادرست کاتالاز در بدن با بسیاری از بیماری ها مانند دیابت شیرین، بیماری پیسی، بیماریهای قلبی -عروقی، بیماری ویلسون، فشار خون بالا، کم خونی، برخی اختلالات پوستی، بیماری آلزایمر، اختلال دوقطبی و اسکیزوفرنی همراه است.

گزارش شده است که ناهنجاری فعالیت کاتالاز در آکاتالازمی به ارث می رسد که یک اختلال ژنتیکی نادر است. این بیماری یک ویژگی اتوزومی مغلوب است و با کاهش سطح کاتالاز مشخص می شود.

کاتالاز نقش اصلی را در تنظیم سطح سلولی پراکسید هیدروژن دارد و کاتابولیسم پراکسید هیدروژن از سلول ها در برابر حمله اکسیداتیو محافظت می کند به عنوان مثال  با محافظت از سلول های β پانکراس در برابر آسیب پراکسید هیدروژن.  جالب است بدانید که فعالیت پایین کاتالاز در بیماران مبتلا به اسکیزوفرنی مانند بیماران مبتلا به تصلب شرایین گزارش شده است.

مطالعات علمی اخیر نشان می دهد که سطح پایین کاتالاز می تواند عاملی برای سفید شدن موهای انسان باشد. پراکسید هیدروژن به طور طبیعی در بدن انسان تولید می شود. این  ترکیب یک عامل اکسید کننده و سفید کننده قوی است. کاتالاز پراکسید هیدروژن را به آب و اکسیژن تجزیه می کند. با این حال، هنگامی که سطح کاتالاز کاهش می یابد  پراکسید هیدروژن تجزیه نمی شود. تجمع پراکسید هیدروژن در فولیکول ها موها را سفید می کند.

آزمایش آنزیم کاتالاز

آزمایش کاتالاز به طور گسترده ای توسط میکروبیولوژیست ها در آزمایشگاه برای تشخیص و تمایز بین گونه های باکتریایی استفاده می شود. گاهی اوقات، آزمایش کاتالاز با آزمایش های دیگر مانند آزمایش مقاومت آنتی بیوتیکی ترکیب می شود زیرا نمی تواند یک ارگانیسم خاص را به تنهایی شناسایی کند اما آزمایش کاتالاز همچنان یک ابزار مهم در آزمایشات بیولوژیکی است.