بخشی از مقاله
تجزیه زیستی سیانید توسط نیتریلاز : اهمیت نیتریلازها بهعنوان آنزیم تجزیه کننده سیانید در دو گروه باکتریها و قارچها
چکیده
سیانید ترکیبی بسیار سمی است که علیرغم این سمیت، در بسیاری از صنایع استفاده میشود، برای حذف این ترکیب از روشهای مختلف فیزیکی و شیمیایی استفاده گردیده است. این روشها علاوه بر اینکه پرهزینه هستند، در صورت اختلاط با سایر مواد، ترکیبات خطرناکتری را نیز تولید میکنند. در مقابل استفاده از روش تجزیه زیستی، علاوه بر کاهش هزینهها سازگار با محیطزیست نیز هست. در اینجا آنزیم نیتریلاز بر اساس میزان فعالیت در میکروارگانیسمهای مختلف و همچنین در مقایسه با دیگر آنزیمهای تجزیهکننده موردتوجه قرارگرفته است. این اطلاعات کمک میکند شرایط بهینه برای فعالیت این آنزیم در میکروارگانیسمهای مختلف معرفی شود.
کلمات کلیدی: سیانید، نیتریلاز، تجزیه زیستی، سیانیداز، سیانید هیدراتاز
مقدمه
سیانید یک مولکول باستانی است که در سنتز پروبیوتیک ترکیبات نیتروژن دار مختلف از قبیل آمینواسیدها و بازهای نیتروژن دار شرکت میکند[1] و شامل یک الگوی شیمیایی است که در آن یک گروه سیانو وجود دارد که به علت خواص شیمیایی این گروه به اشکال متفاوتی در طبیعت یافت میشود .[3 ,2] سیانید ممکن است به عنوان ترکیب طبیعی توسط باکتریها، جلبکها، قارچهاو گیاهان پیشرفته و حتی بعضی از حشرات، عمدتاً به منظور دفاع یا حمله تولید شود[4]مشکلات محیطی زیادی توسط سیانید به وجود آمده است که مرتبط با تولید مقادیر انبوه پسابهای آلوده به سیانید توسط فعالیتهای صنعتی بشر از جمله تولید نیتریلهای ارگانیک، پلاستیک های آکریلیک، رنگها، داروها، عناصر کیلیت1 کننده و استفاده از سیانید در معدن طلا و فلز و صنایع جواهرسازی است.[3] سیانید بهشدت برای حیات سیستمها سمی است و با سه مکانیسم عمده مانع رشد آنها میشود: .1 پیوند محکمی با فلزات دو و سه گانه در متالو آنزیمها مثل سیتوکروم اکسیداز برقرار میکند. .2 واکنش با ترکیبات کتونی برای تشکیل مشتقات سیانوهیدرین از سوبستراهای آنزیم و .3 واکنش با واسطههای باز شیف هنگام فعالیت آنزیمی برای تشکیل مشتقات نیتریل پایدار .[5] آنزیمهای نیتریلاز از هیدرولیز نیتریلها به آمونیاک و کربوکسیلیک اسید بدون تشکیل واسطه های آمید آزاد کاتالیز میشوند. فعالیت نیتریلازها شامل بیوسنتز
1
پروتئینها و تغییرات پس از ترجمه در گیاهان، جانوران، قارچها و پروکاریوتهای خاص میباشند. نیتریلاز همچنین بهعنوان عامل کاتالیز در تهیه شیمی آلی نیز استفادهشده است .[6]
مکانیسم مقاومت به سیانید در باکتریها
سیانید مکانیسمهای مقاومت متعددی را در باکتریهایی از قبیل سودوموناس سودوآلکالیژنز CECT5344 القا میکند که بر پایهCio 1 بوده که مربوط به سیتوکروم bd اکسیداز در انتروباکتر است. در گونه CECT5344 آنزیمهایی که مربوط به تجزیه سیانید هستند، همچنین میتوانند آنزیمهایی از قبیل سیاناز (CynS) و نیتریلاز را تحریک کنند. علاوه براین سیانید موجب میشود کمبود نیتروژن توسط القای پروتئین تنظیمکننده PII-2، رفع شود.
مکانیسم تجزیه سیانید در میکروارگانیسمها
مکانیسم تجزیه سیانید برای سودوموناس فلورسنس NCIMB ، شامل آزاد کردن -2اکسوگلوتارات و پیروات به محیط کشت و تشکیل سیانوهیدرین توسط سیانید اکسیژناز پیشنهادشده است. سیانوهیدرین سوبسترای قابل قبولی برای نیتریلاز یا نیتریل هیدراتاز است. تجزیه نیتریل ها میتواند یا در یک مرحله توسط نیتریلاز یا در دو مرحله توسط سیستم نیتریل هیدراتاز/ آمیداز کاتالیز شود و هر دو مسیر تولید آمونیوم میکنند .[2] تعداد آنزیمها از منابع باکتریایی که نیتریلها را با اختصاصیت گسترده سوبسترایی هیدرولیز میکنند، مشخص است. دو مسیر مهم برای هیدرولیز عمومی نیتریل ها موجود است، در مرحله اول نیتریلاز هیدرولیز کامل نیتریل را به اسید و آمونیاک، بدون تشکیل آمید آزاد، کاتالیز میکند سپس در عمل دوم، آمیداز برای تولید کربوکسیلیک اسید و آمونیاک بهمنظور حمایت از رشد میکروبی استفادهشده است .[1] مسیر تجزیه هیدرولیتیک سیانید توسط 5 آنزیم کاتالیز میشود (i) سیانید هیدراتاز (ii) نیتریل هیدراتاز (iii) مسیرهای کربونیل (تیوسیانات هیدرولاز)، (iv) نیتریلاز و (v) سیانیداز. دو آنزیم آخر سیانید را به آمونیاک و کربوکسیلیک تبدیل میکند. سادهترین روش سمزدایی سیانید تبدیل آن به فرمات و سپس دیاکسید (توسط فرمات دهیدروژناز) است. تبدیل به فرمات میتواند مستقیم باشد (از طریق نیتریلاز) یا از طریق فرمامید (توسط سیانید هیدراتاز و فرمامیداز) انجام شود .[6]
نیتریلاز
Brenner با انجام تحقیقات زیادی که بر روی PSI-BLAST انجام داد، توانست توالی 176 آنزیم در سوپر خانواده نیتریلاز را کشف کند. با آنالیز آنها، توالی ها را در سوپر خانواده نیتریلاز قرار میدهند و به 13 شاخه طبقهبندی میکنند. شاخه نیتریلاز دارای 25 عضو از 17 ارگانیسم است. تعیین اندازه زیر واحدها از طریق SDS-PAGE، توالی یابی، تعیین اندازه کمپلکس توسط فیلتراسیون ژل Light scattering یا میکروسکوپ الکترونی تعیین میشود. چندین نیتریلاز هوموالیگومر با تعداد 8-10 زیرواحد در نمونههای مختلف تغییر میکند .[8] نیتریلاز در کل فعالیتش را با طیف وسیعی از سوبستراهای نیتریل نشان میدهد، بااینوجود CHT و CynD اختصاصیت بالایی برای هیدروژن سیانید نشان میدهد اما فعالیت خیلی کمی با نیتریل ها بروز میدهند. اگرچه آنها بهعنوان هیدرولیز کننده نیتریل ها به اسید مربوطه و آمونیاک شناخته شدند اما سوبستراهای طبیعی بیشتر نیتریلازها مشخص نشده است.
1
3
درخت فیلوژنتیکی سه گونه Nocardia و Rhodococcus rhodochrous و R. rhodochrous K22 و Rhodococcus rhodochrous PA-34
تقسیمبندی نیتریلازها
نیتریلازها بر اساس اختصاصیت سوبسترا به سه دسته تقسیم میشوند .1 نیتریلازهای آروماتیک که از گیاهان جداشدهاند. ارگانیسمهایی از قبیل Nocardia sp. و Fusarium solani قادرند نیتریل های آروماتیک، مثل بنزونیتریل را تجزیه کنند. این نیتریلاز های آروماتیک، علفکشها را از طریق هیدرولیز به گروههای سیانو غیرفعال میکنند. .2 نیتریلازهایی که نیتریل های آروماتیک را تجزیه میکنند نمیتوانند بر نیتریل های آلیفاتیک تأثیری بگذارند، Rhodococcus rhodochrous K22 از نیتریل های آلیفاتیک مثل آکریلونیتریل، بهعنوان سوبسترای اختصاصی خود استفاده میکند .3 نوع جدیدی از نیتریلاز میکروبی در آلکالیژنز فکالیس 1JM3 که بهعنوان آریل استونیتریلاز2 طبقهبندیشده است .[4]
مقایسه نیتریلاز با سایر آنزیمهای تجزیهکننده
نیتریلاز نباید با نیتریل هیدراتاز که نیتریلها را به آمیدها هیدرولیز میکنداشتباه گرفته شود. نیتریل هیدراتازها تقریباً ثابت و تغییرناپذیر هستند که با آمیدازها باهم بیان میشوند و آمید را به کربوکسیلیک تبدیل میکند.متعاقباً ممکن است بعضیاوقات تفکیک فعالیت نیتریلاز از نیتریل هیدراتاز بهعلاوه فعالیت آمیداز بهسختی انجام میگیرد .[6] آنزیم سیانید دِهیدراتاز از Pseudomonas stutzeri AK61 جداشده است که HCN را به فرمات و آمونیاک تبدیل میکند و نسبت به سیانید هیدراتاز، با تشابه %60 آمینواسید به نیتریلاز خیلی بیشتر شبیه است .[9] نیتریلاز و سیانیدهیدراتاز متعلق به گروه یکی از فوق خانواده نیتریلازها هستند که شامل آنزیمهای عملکننده بر پیوند غیر پپتیدی C-N میباشند. این دو آنزیم در سوبستراها و در واکنش اصلی محصولاتشان باهم تفاوت دارند .[10] سیانید هیدراتاز قارچی خیلی فعالتراز سیانید دِهیدراتاز
باکتریایی است، نیتریﻻزهای قارچی نیز در مقادیر pHبالاتر، از سیانید دِهیدراتاز فعالتر هستند .[4]
جدول:2 فعالیت آنزیم های مختلف که در واکنش های مختلف بدست آمده است .[7]
