מתוך ויקיספר, אוסף ספרי הלימוד והמדריכים החופשי.

אנזימים מקובעים - קישור האנזים לחומר בלתי מסיס.

תוכן עניינים 1 יתרונות בשימוש באנזימים מקובעים 2 שיטות קיבוע 2.1 ספיחה 2.2 כליאה 2.3 קישור כימי 3 התהליך התעשייתי לשימוש האנזים המקובעים 4 יתרונות וחסרונות של שלושת הפרמנטורים 5 תאים מקובעים 5.1 המגבלה/בעיות בשימוש באנזימים מקובעים - השפעת הקיבוע על הפעילות 5.2 קיבוע בשיטת כליאה יוצר מצב חמור יותר 5.3 דוגמאות לשימוש באנזימים מקובעים 5.3.1 אמינואדילאז – קישור בסיפוח 5.3.2 פניצילינאז (אדילאז) – קישור כימי 5.3.3 גלוקוז איזומראז – מצע ארוז 6 שימוש באנזימים לאנליזות (=אבחונים) 7 הערות

[עריכה] יתרונות בשימוש באנזימים מקובעים

• שימוש חוזר - מאפשר הקטנה משמעותית בהוצאת הייצור. האנזים מפיק ומנוקה פעם אחת וניתן להשתמש בו מס' רב של פעמים.
• הפרדה קלה של התוצר -הכאנזימים המקובעים שוקעים (בשל גודלו של המקבע) והתוצר מופרד ומסיס, חסכון אדיר בעלויות ההפרדה והניקיון של התוצר.

[עריכה] שיטות קיבוע

[עריכה] ספיחה

ערבוב המקבע עם האנזים, ייצור המצב בו מולק' אנזים ייספחו למקבע.

יתרונות: זול מאוד ומהיר מאוד.

חסרונות: ישנם תנאים בהם הקשר יתפרק,למשל, שינוי ph או שינוי ריכוז מלח יובילו לניתוק האנזים המקובע.

[עריכה] כליאה

האנזים מעורבב עם החומר המקבע כך שהוא נכלא בתוכו, המקבע אינו אטום והוא מאפשר מעבר של חומרים דרכו. הפתחים בחומר המקבע:

• צריכים להיות גדולים מספיק על מנת לאפשר מעבר של סובסטרט ושל התוצר.
• צריכים להיות קטנים מגודל האנזים על מנת שהאנזים לא יזלוג החוצה.

יתרונות:

1. זול ופשוט
2. יש פחות חשש לאיבוד האנזים מאשר בשיטת הספיחה שגודל החורים מתאים והאנזים אינו בורח.

חסרונות:

• הסובסטרט מגיע לאנזים בדיפוזיה - ישנו פרק זמן בו לא מתבצעת פעילות אנזימטית (זה משהו שצריך להילקח בחשבון בתהליך הייצור).

[עריכה] קישור כימי

המקבע עובר טיפול כימי ובו קושרים זרועות מולק' למקבע. זרועות אלה יקשרו את האנזים,כל הקשרים קוולנטים.

יתרונות: הקשרים החזקים מבטיחים שהאנזים לא יתנתק מהמקבע.

חסרונות:

• הקשר בין הזרוע למולק' עלול להתרחש דווקא באת הפעילו ואז לא תהיה פעילות אנזימטית.
• יקר מאוד ומסובך לביצוע.

[עריכה] התהליך התעשייתי לשימוש האנזים המקובעים

ראקטור מנתי (=בוחש) מעורבל (Batch Reactor)- בתוך תמיסת סובסטרט מוסיפים את האנזימים המקובעים תוך ערבול עדין. בסוף התהליך, כאשר הסובסטרט עבר לתוצר, מופסק הערבול והמקובעים שוקעים. את התוצר מוציאים,מפיקים ומנקים אותו מהפרמנטור. הפרמנטור עובר סיבוב ייצור נוסף עם האנזימים המקובעים.

ראקטור מצע ארוז (packed bed reactor) – המקובעים ארוזים בצפיפות בתוך הפרמנור ארוך וצר. הסובסטרט מוזרם בקצב קבוע מתחתית הפרמנטור והתוצר נאסף מהקצה העליון. יש כמות גדולה של תוצר.

ראקטור מצע מרחף – האנזימים המקובעים מרחפים בתוך הפרמנטור בשל זרימת הסובסטרט מכוון למטה למעלה. זרימת הסובסטרט נקבעת על קצב המאפשר ריחוף של גרגרי המקבע והפיכה יעילה של הסובסטרט לתוצר. התהליך הוא תהליך רציף.

[עריכה] יתרונות וחסרונות של שלושת הפרמנטורים

1. בקרה על PH (חומצה/בסיס) יכול להתבצע רק בפרמנטור מנתי.
2. כשתוצר הפעילות האנזימטית מאוד צמיגי - לא ניתן להשתמש בפרמנטור הארוז כיוון שהוא ייסתם (עדיפות למנתי או למרחף).
3. בכל מצב אחר- העדיפות תהיה לפרמנטור ארוז כי בו מיוצר כמות הגדולה ביותר של תוצר בזמן הקצר ביותר.

[עריכה] תאים מקובעים

השיטה לקיבוע אנזימים הובילה לרעיון לקבע תאים שלמים במקרים בהם תהליך הייצור מופעל מתוך התא השלם.

בקיבוע תאים- השיטה המועדפת היא כליאה כיוון שהחומר המתאים לקיבוע תאים הוא אלגינט.

אלגינט – רב סוכר עשיר בקבוצות קרבוקסוליות שהופך לג'ל מקבע במגע עם יוני Ca2+. יונים אלה יוצרים את הכיסים ברשת. הקשר בין Ca2+ לקבוצה הקרבוקסילית חזקים ומאפשרים את המסתו במים. טפטוף של התאים העתידים להיקבע אל תוך המים ובעקבות כך כליאה מהירה ופשוטה.

[עריכה] המגבלה/בעיות בשימוש באנזימים מקובעים - השפעת הקיבוע על הפעילות

המגבלה העיקרית של הקיבוע היא שכבת נרנסט. השכבה עוטפת טת הנשא והאנזימים, ואינה בתנועה, ועל כן התנועה הדיפוזית דרכה איטית מאוד. כתוצאה מכך, כמות הסובסטרט הנחשפת לאנזים קטנה משמעותית מכמות הסובסטרט האמתית שהוספה לפרמנטור.

שתי פתרונות:

1. הוספת כמות גדולה יותר של סובסטרט להגדלת הדיפוזיה באיזור שכבת נרסנט.
2. ערבול עדין מקטין את עובי השכבה.

[עריכה] קיבוע בשיטת כליאה יוצר מצב חמור יותר

בנוסף למעבר האיטי של הסובסטרט דרך שכבת נרסנט, ישנה מגבלה במעבר באיזור Cשהוא פנים הנשא, שם הדיפוזיה איטית אף יותר.

במעבר הסובסטרט בתוך הנשא, ישנה תלות בכמות ובצפיפות האנזימים בתוך הנשא –ככל שריכוז האנזימים בתוך הנשא גבוהה יותר, ישנו פחות סיכוי שהאנזימים הממוקמים בפני הנשא "יראו" את הסובסטרט. היתרון של מצב כזה הוא שהאנזימים שנמצאים באזורים פנימיים ופעילים פחות משמשים "גיבוי" לאנזימים הנמצאים במעטפת.

[עריכה] דוגמאות לשימוש באנזימים מקובעים

[עריכה] אמינואדילאז – קישור בסיפוח

1. חוץ תאי (שינוי חומצה אמינית מ-D ל-L).
2. ראקטור מצע ארוז.
3. חסכון של עד 40% לעומת שימוש באנזים מסיס.

[עריכה] פניצילינאז (אדילאז) – קישור כימי

האנזימים הוא תוצר תוך תאי השובר את הקשר א' ומפריד בין שני חלקי מולקולות הפנצילין. באנזימים משתמשים בתעשיית התרופות לייצור אנטיביוטיקה סמי (חצי) סינתטיות (=טבעיות).

ראקטור מנתי מעורבל בשל הצורך לאזן PH תוך כדי הפעילות (תוצרי הביקוע האנזימטי חומצים).

[עריכה] גלוקוז איזומראז – מצע ארוז

מבצע איזומריזציה (משנה מרחבי של חומר למבנה שניוני שלו) של גלוקוז לפרוקטוז. משמש בתעשיית המזון, בעיקר לממתקים – מגלוקוז מתקבלת תערובת של גלוקוז ופרוקטוז.

האנזים תוך תאי מופעל מהתא השלם לאחר שעבר טיפול בגלוטראלדהיד (= טמפרטורה גבוה)- התא מת והאנזים פעיל.

האנזים פעיל ב-60 מעלות צלזיוס לכך יתרון – הקטנת סיכון לזיהום והגדלת קצב הגידול.

[עריכה] שימוש באנזימים לאנליזות (=אבחונים)

[עריכה] הערות

• אנזים, מטבוליזם ועוד - הם אינם יצור חיי ולכן אסור לתת האנשה לאנזימים, כלומר, מייצרים מתים וכד'