پایان نامه ارشد درباره مصرف انرژی، فیزیولوژی

دانلود پایان نامه ارشد

(Uzlova et al., 2000).

1-2-2-9-1 سازکارهای جذب زیستی
پرواضح است که ارائه روشهای کارآمد زیستی وابسته به شناخت و آگاهی از مکانسیمهای عمل حذف فلزات در طبیعت و پروتئینها و ترکیبات دخیل در این امر توسط موجودات مختلف بخصوص ریزسازواره و باکتریها میباشد که در ذیل مکانسیمهای جذب فلزات مورد مطالعه قرار میگیرد.
از نظر وابسته بودن به سوخت و ساز سلولی، سازکار جذب زیستی شامل جذب وابسته به سوخت و ساز و جذب مستقل از سوخت و ساز میباشد. براساس مکانی که فلز از محلول برداشته میشود جذب زیستی شامل:1- تجمع و رسوب خارج سلولی 2- تجمع یا جذب سطح سلولی و 3- تجمع داخل سلولی میباشد (Wang and Chen, 2006, Ahalya N, 2003)
1-1-2-2-9-1 فرایند رسوب و تجمع خارج سلولی
جذب عناصر فلزي به پوشش باکتري ناشي از خاصيت آنيوني پوشش است که قادر به ترکيب شيميايي يا جذب کاتيونهاي فلزي است. باکتريها به دو دليل فلزات را جذب خود مي کنند: 1- کاهش غلظت فلز در محيط و در نتيجه کاهش نقش مسموم کننده آن براي باکتري 2- ذخيره فلز براي سنتز مواد ساختاري خود که چنانچه در محيطهاي اين عناصر قرار بگيرند، آنها را آزاد کرده و پس از انتقال به داخل سلول به مصارف ساختاري خود برسانند. باکتريها علاوه بر جذب فلزات در جدار خود، با راسب يا فرار کردن آنها، محيط را براي ادامه حيات مساعد ميسازند.
مکانيسمهاي اتصال فلز به جدار خارجي سلول را ميتوان به سه دسته تقسيمکرد.

1-1-1-2-2-9-1 جذب الکتريکي
در اين مکانيسم بار الکتريکي منفي جدار باعث کشش وجذب بارهاي مثبت الکتريکي کاتيونها ميشود.

   2-1-1-2-2-9-1 جذب فيزيکي يا جذب با دخالت نيروهاي واندروالس
در اين نوع اتصال، مولکولهاي فلزي داراي حرکت موازي با سطح جذب کننده هستند. در اين اتصال در عين حال که مولکولهاي فلزي داراي حرکت هستند، ولي نميتوانند از سطح خارجي سلول فاصله گرفته و دورشوند.

3-1-1-2-2-9-1 جذب شيميايي
در اين اتصال عامل آنيوني موجود در جدار سلول با کاتيون فلزي وارد واکنش شيميايي شده و با تشکيل يک ترکيب پايدار به آن متصل میشود.

2-1-2-2-9-1 رسوب وتجمع داخل سلولی
ميکروارگانيسمها بعضي از فلزات را که داراي خاصيت مسموم کننده شديد هستند، از محيط جذب و در درون سلول به صورت بيخطر و غيرسمي درآورده و سپس آن را ذخيره يا مجدداً به محيط خارج دفع ميکنند زمانی که غلظت یونهای خارج سلولی بیشتر از داخل سلولی میشود، یونهای فلزی از طریق انتشار ساده وارد سلول میشوند و همچنین در صورت آسیب دیدن سلول توسط نیروهای طبیعی (اتولیز) و نیروهای مصنوعی (مانند نیروهای مکانیکی و تیمارهای قلیایی) فلزات میتوانند وارد سلول شوند و نیز ناقلهای خاصی (ترانسپورترهای خاصی) فلزات را بصورت فعال وارد سلول میکنند سپس با سازکارهای متفاوتی آنها را تبدیل به ترکیبات بی خطر و غیرفعال نموده که میتوان به سازکارهای زیر اشاره نمود.

1-2-1-2-2-9-1 متيلهکردن فلز
باکتريها بعضي از فلزات و به خصوص فلز جيوه را به صورت ترکيبات فرار متيلات جيوه درآورده و مجدداً به محيط خارج منتقل ميکنند. اين ترکيب، فرار بوده و به صورت گاز از محيط خارج ميشود. اين عمل در چند مرحله انجام ميگيرد: (1) جذب ترکيب حاوي فلز در روي جدار (2) انتقال ترکيب فلزدار به داخل سلول (3) احيا و تبديل فلز موجود در ترکيب به صورت عنصري (4) توليد آنزيمهايي که بعضي از موادآلي را تبديل به گروه متيل ميکند به عنوان مثال باکتريها با تغيير شکل ماده آلي متيل کوبالامين )ويتامين(B12 آن را به گروه متيل تبديل ميکنند. (5) ترکيب گروه متيل توليد شده با فلز (6) انتقال ترکيب متيله شده به خارج و تصاعد آن از محيط به فضا و کاهش مسموميت محيط. متيلهکردن منحصر به فلز جيوه نبوده و فرارکردن ساير فلزات مانند سرب، ارسنيک، سلنيوم، قلع و آنتيموان نيز با اين روش در باکتريها ديده شدهاست. 

2-2-1-2-2-9-1 سولفوره کردن
بعضي از باکتريها ترکيب فلزدار را پس از احيا و تبديل فلز به صورت عنصر، آن را سولفوره کرده و ذخيره ميکنند. به عنوان مثال تيوباسيلوسها ترکيبات نقره دار را به صورت سولفوره درآورده و سپس در جدار خود ذخيره ميکنند، به طوري که جدار خشک اين باکتريها تا 25 درصد حاوي سولفور نقره است.

3-2-1-2-2-9-1 رسوب فلزات مسموم کننده به صورت غيرمستقيم
بعضي از باکتريها آهن را از محيط خارج جذب و در داخل سلول تبديل به آهن سه ظرفيتي يا هيدروکسيد آهن سه ظرفيتي ميکنند که در جريان رسوب، بسياري از يونهاي فلزي ديگر را جذب و همراه خود راسب ميکند و بدين ترتيب يونهاي فلزي مسموم کننده همراه با هيدروکسيدآهن سه ظرفيتي رسوب کرده و از محيط زندگي باکتري خارج ميشوند.

10-1 سازکارهای ورود فلزات سنگین به ریزسازوارهها
اکثر فلزات سنگین پس از ورود به سلول عملکرد فیزیولوژیکی و یا سمیت، خود را بروز میدهند. بنظر میرسد کاتیونهای فلزی دوظرفیتی از لحاظ ساختاری مشابه هم هستند. زیرا کایتونهای دو ظرفیتی Mn2+، Fe2+، Co2+، Ni2+، Cu2+ و Zn2+ دارای قطر بین138 تا 160 پیکومتر46 بوده(Weast, 1984) و دارای بار مثبت میباشند. این شباهت ساختاری تمییز بین آنها را دشوار کرده و ریزسازوارهها نیاز به صرف انرژی و زمان برای تشخیص تفاوت بین آنها دارند. غالب سلولها با بکارگیری دو نوع سیستم جذب تا حد زیادی بر مشکل شباهت ساختاری یونهای فلزی فائق آمدهاند. یکی از این سیستمها سریع ولی توانایی تمییز محدودی دارد بعبارت دیگر غیر اختصاصی عمل میکند. این سیستم برای طیف وسیعی از سوبستراها استفادهشده و ژنهای آن بیان دائمی دارند. سیستمهای سریع معمولا براساس گرادیانت شیموتوکسیک در غشای سیتوپلاسمی باکتریها عمل میکنند. دومین سیستم جذب، اختصاصی ولی دارای سرعت پایینی میباشد و در اغلب موارد با مصرف انرژی حاصل از هیدرولیز ATP و برخی شرایط نیز با منبع انرژی گرادیان شیموستاتیک فعالیت میکنند. چنین سیستمهایی القائی بوده و فقط در مواقع نیاز سلولی مانند گرسنگی یا وضعیت خاص متابولیکی فعال میشوند (Nies and Silver 1995). سه خانواده مهم ناقلهای انتقال فعال و اختصاصی فلزات سنگین در باکتریها عبارتند از: (1) پمپهای ابرخانواده RND47 که علاوه بر ناقل بودن، در تقسیم سلولی و گرههای غشایی نیز نقش دارند (2) کاریرها یا تسهیل کنندههای انتشار کاتیونها48 و(3) پمپهای يونی گروه P-type ATPases. جدول 1-3 چند نمونه مهم از پروتئینهای ناقل فلزات سنگین را نشان میدهد (Nies, 1999) (Nies, 2003).

جدول 1-3. خانوادههای مهم پروتئینهای دخیل در نقل وانتقالات فلزات سنگین در باکتریها

CPM49 غشای سیتوپلاسمی، ABC کاست اتصالی به ATP ، CHR 50ناقل کرومات و MIT51 ناقل غیرآلی فلز

تحمل و مقاومت به کادمیوم درتعدادی از باکتریها از قبیل باکتریهایStaphylococcus aureus و Listeria monocytogenesتوسط ناقلهای پروتئینی از دسته P1-type ATPases به نام CadA52 انجام میگیرد. این پروتئین از 8 مارپیچ غشایی تشکیل شده که دمین اتصال به فلز، در انتهای آمینی پروتئین قرارگرفته و متشکل از 71 اسید آمینه با تاخوردگی شبه فرودکسینیβ1α1β2β3α2β4 میباشد (شکل 1-3). ناحیه اتصالی به فلز سنگین که به نام HMA_1 53خوانده میشود حامل توالی توافقی CXXC در لوپ 1 در ناحیه بین 1 β و 1 α میباشد. دو اسید آمینه سیستئین (سیستئین 14 و 17) نقش اساسی را در اتصال به فلز برعهده دارند ( شکل1-3). لازم به ذکر است که در سایر سیستمهای انتقال فلز نیز حضور سیستئین مشاهده شدهاست که درشکل3-3 چند نمونه از این پروتئینها به همراه تطابق توالی آنها ارائه شدهاست (Banci et al., 2006) .

(الف) (ب)
شکل 1-3. (الف).آرایش عناصر ساختار دوم دومین HMA در پروتئین CadA که از پایگاه داده PDBsum بدست آمدهاست و (ب) اندرکنش فلز سنگین با اسیدهایآمینه سیسئین موجود در پروتئین ناقل فلز سنگین .(Banci et al., 2006)

در این مطالعه، موتیف اتصالی به کادمیوم از بخش انتهایآمینی پروتئین CadA (HMA_1) استخراج گردید و جهت بیان در منطقه مجاز پیلی CS3 وارد و در سطح سلول عرضه گردید در بخشهای بعدی توضیحات بیشتری در این خصوص ارائه شدهاست.

11-1 پروتئینها و پپتیدهای عمومی متصل شونده به فلزات سنگین
بسیاری از مواد زیستی میل ترکیبی به فلزات را نشان میدهند. سازکارهای متعددی که توسط آنها فلزات با دیواره و پوشش سلولهای میکروبی بر هم کنش دارند، بخوبی شناخته شدهاست. معهذا برخی از بیوملکولها به طور اختصاصی به فلزات متصل میشوند و آنها را در حضور خود احیاء میکنند. پروتیئنها و پپتیدهای اختصاصی متصل شونده به فلز در تمام گروههای میکروبی مورد آزمایش، گزارش شده اما بیشتر تحقیقات بر روی مخمرها صورت گرفتهاست .(Gadd and White, 1993, Saleem et al., 2008)
متالوتیونینها( MT)54 دستهای از ملکولهای با وزن ملکولی کم و غنی از سیستئین هستند که در همه موجودات از گیاهان گرفته تا یوکاریوتها و برخی از ریزسازوارههای پروکاریوتی بیان میشوند و به دلیل وجود محتوای بالای سیستئین در سمیت زدایی 55 فلزات سنگین و تنظیم هموستازی زیستی یونهای مانند روی و مس نقش ویژه ای ایفا میکنند میزان سنتز این پروتیئن در مواجه سلول با فلزات دو ظرفیتی مانند کادمیوم، مس و نیکل و غیره افزایش مییابد. این پروتئین دارای سه کلاس مختلف میباشد که در باکتریها کلاس دو آن وجود دارد. توالیهای این پلی پپتید، غنی از اسید آمینه سیستئین است که با آرایش Cys-X-Cys، Cys-Cys و Cys-X-X-Cys در پروتئین قرار میگیرند. الگوی خاصی از پیوندهای دیسولفید بین اسیدهایآمینه سیستئین اتصال آن را به فلزات ضروری در سوخت و ساز سلولی مانند روی و مس تضمین میکند. متالوتیونینها همچنین توانایی اتصال به عناصر سمی مانند کادمیوم، سرب، جیوه، کروم، نیکل و ترکیبات آرسنیکی را دارا میباشند.(Chen and Georgiou, 2002)
علاوه بر متالوتیونینها که مسئول اتصال به یونهای فلزی و خارج نمودن آنها از دسترس سلول و کاهش حالت فعال این یونها درون سلول هستند، تری پپتید گلوتاتیون56 و پروتئینهای به نام فیتوچلاتینها57 از طریق گروه سولفیدریل با یونهای فلزی واکنش میدهند و بدین ترتیب مانع فعالیت یونهای آزاد در سیتوپلاسم سلول میشوند (شکل1-4).
فیتوچلاتینها (PCs) پپتیدهای مشتق از گلوتاتیون بوده که در گیاهان در زمان قرار گرفتن در معرض تنش فلزات سنگین ساخته میشوند. فیتوچلاتینها در مقایسه با سایر پپتیدها مقادیر و طیف بیشتری از یونهای فلزی را جذب میکنند (شکل1-4).
دسته ديگر پپتيد‌هاي متصل شونده به فلزات فيتوچلاتين سنتز شده58 (ECs) (شکل 1-4) با فرمول عمومی (n=8-20) (Glu-Cys)n Gly میباشند كه تقریبا با ظرفيت دو برابر یا بیشترنسبت به MTs‌ها به فلزات متصل میشوند (.(Bae et al 2000 اما همگي اين پروتئين‌ها در جذب عناصر سنگين محدوديتي دارند و سلول توانايي جذب و انباشته نمودن مقدار زيادي يون‌هاي فلزي توسط اين پروتئين‌ها را ندارد. از جمله استراتژي‌‌هاي جديد جذب فلزات سنگين استفاده از نمايش پروتئين يا پپتيد جاذب فلزات سنگين بر روي سطح باكتري است به نحوي كه بتواند به فلزات متصل شود. علاوه بر پپتيد‌هاي غني از سيستئين پپتيد‌هاي غني از هيستيدين مانند توالی Gly-His-His-pro-His-Gly (به نام HP)، هگزا هيستيدين نيز به صورت‌‌هاي His6 يا His3-Glu-His3، پلي هيستيدين به صورت پپتيد (His6)n و پپتيد‌‌هايي با تركيب غني از هيستيدين و سيستئين، براي اتصال وجذب فلزاتي نظير نيكل و كادميم استفاده شدهاست (Saleem et al., 2008, Vijayaraghavan and Yun, 2008).
از آنجا كه روش‌‌هاي رايج فيزيكي وشيميايي ذكر شده در غلظت‌‌هاي پايين فلزات سنگين كارآيي ندارند و بسيار گران و پر هزينه هستند و نيز با توجه به اين‌كه صنعت به دنبال روش ارزان و مناسب براي جذب فلزات است، بنابراين در دهههای اخير به روش‌هاي زیستی به ويژه روش‌هاي ميكروبي متوسل شدهاند. از طرف دیگر بکاربردن ریزسازوارهها برای جذب فلزات سنگین بدون دستکاریهای ژنتیکی دارای

پایان نامه
Previous Entries پایان نامه ارشد درباره محیط زیست، شکستگی استخوان، فرایند ترکیب، سیستم عصبی Next Entries پایان نامه ارشد درباره ظرفیت جذب، عرضه کننده، لیپوپروتئین، پلاسمایی