دراسة تفاعلات الاستبدال الإنزيمي لمشتقات الفوسفاتيديل في الوسط الكحولي والحامضي

رسالة ماجستير

اسم الباحث : إكرام سالم حسين خشان

اسم المشرف : أ.م. د. ثائر مهدي مدلول

الكلمات المفتاحية :

الكلية :

الاختصاص : علوم الكيمياء

سنة نشر البحث : 2023

تحميل الملف : اضغط هنا لتحميل البحث

الخلاصة

تلعب الدهون الفوسفاتية دورًا مهمًا في بناء جميع أغشية الخلايا لدى الحيوانات. بالإضافة إلى ذلك، فإن الدهون الفوسفاتية عبارة عن مركبات أمفيفيلية توجد على نطاق واسع في النظام الحي. بشكل عام، يمكن تقسيم الدهون الفوسفاتية إلى مجموعتين: سفينغوميالين وجليسيروفوسفوليبيد، والتي تشمل فوسفاتيديل كولين، فوسفاتيديل سيرين، فوسفاتيديل إيثانولامين، فوسفاتيديل جليسيرول وفوسفاتيديل اينوسيتول.
التحلل المائي للدهون الفوسفاتية هو التفاعل الرئيسي لتحلل الدهون الذي يحفز في وجود إنزيمات محددة تعرف باسم الفسفوليباز. في المختبر، هناك العديد من الدراسات لفهم آلية تحلل الفوسفات وما هو تأثير المحيط على هذا التفاعل.
ركزت الدراسة الحالية على مراقبة تفاعل التحلل المائي للـ فوسفاتيديل كولين، في الوسط الحامضي ومقارنته بنفس التفاعل في الوسط الكحولي لمعرفة تأثير البيئة الكحولية على هذا التفاعل. تم فصل جميع نواتج التحلل المائي ل فوسفاتيديل كولين في كل من البيئة الحامضية والكحولية وتشخيصها باستخدام تقنيات التحليل الطيفي للكتلة والرنين المغناطيسي وتقنية الاشعة تحت الحمراء.
اعتماداً على النتائج تم اقتراح ميكانيكيات التحلل المائي فوسفاتيديل كولين في كل من المحيط الحامضي والكحولي. كانت النواتج النهائية للتحلل المائي فوسفاتيديل كولين في الوسط الحامضي هي كلوريد الكولين وحامض البالمتيك وحامض أوكتاديكا-9،12-دينويك والجلسرين-3-فوسفات. ومع ذلك، فإن التحلل المائي فوسفاتيديل كولين في الإيثانول اعطى النواتج التالية: كلوريد الكولين، وإيثيل بالميتات، وإيثيل أوكتاديكا-9,12-دينوات، والجلسرين-3-فوسفات. يمكن ملاحظة أن الجلسرين -3-فوسفات يتكون في كلا التفاعلين باعتباره العمود الفقري فوسفاتيديل كولين، كما تم إنتاج كلوريد الكولين أثناء التفكك من مجموعة الفوسفات فوسفاتيديل كولين.
تم اعادة نفس التفاعلات المذكورة أعلاه لأثنين من الدهون الفوسفاتية، وهما فوسفاتيديل كولين وفوسفاتيديل سيرين، على التوالي، في وجود فسفوليباز D (PLD) كعامل محفز. وتمت دراسة حركية تفكك الكولين من مجموعة الفوسفات في وجود PLD من خلال تطبيق معادلة ميكايليس-مينتن. تم تحديد السرعة القصوى (Vmax) وثابت Michaelis-Menten (Km) لجميع تفاعلات التحلل المائي الإنزيمي فوسفاتيديل كولين ولفوسفاتيديل سيرين في وجود PLD في البيئات الحامضية والكحولية. كان مستوى الالفة بين فوسفاتيديل كولين والإنزيم في حالة استخدام الإيثانول كمذيب هو الأقل بين التفاعلات الأخرى لأنه كان له أعلى قيمة كم تبلغ 3.664. ومع ذلك، كان تفاعل التحلل المائي الإنزيمي لـ لفوسفاتيديل سيرين هو الأعلى الفة من بين التفاعلات الأخرى من خلال الحصول على أقل قيمة ثابت مكاليس منتن.
بالإضافة إلى ذلك، تم إجراء تحديد الظروف المثلى لتفاعلات التحلل المائي الأنزيمي التي شملت تحديد تركيز المادة الاساس، والنشاط الأنزيمي، ودرجة الحموضة، ودرجة الحرارة للتأكد من أن هذا التحلل المائي الإنزيمي يحاكي ما يحدث في النظام الحيوي. تم ايجاد الدوال الديناميكية الحرارية والتي تشمل التغير في المحتوى الحراري (∆H) وتغير الطاقة الحرة لجيبس (∆G) وتغير الإنتروبي (∆S). كانت جميع تفاعلات التحلل المائي الإنزيمي للفوسفاتيديل كولين، والفوسفاتيديل سيرين في وجود PLD مواتية من الناحية الديناميكية الحرارية .
أظهرت هذه الدراسة أن جميع تفاعلات التحلل المائي للدهون الفوسفاتية في غياب الإنزيم تكون أبطأ من تفاعلات التحلل في وجود PLD. ونتيجة لذلك، تم عزل وتمييز جميع منتجات التحلل المائي فوسفاتيديل كولين بدون وجود الإنزيم بسلاسة. ومع ذلك، لم يتمكن من عزل المنتجات الخاصة بالتحلل المائي الإنزيمي للفوسفاتيديل كولين والفوسفاتيديل سيرين نظرًا لأن التفاعلات سريعة جدًا.
على الرغم من التشابه في آليات تفاعل التحلل المائي للدهون الفوسفاتية (فوسفاتيديل كولين، والفوسفاتيديل سيرين) في بيئات مختلفة (الحامضية والكحولية)، فإن الاختلافات في المنتجات الثانوية قد توفر لنا رؤية جيدة للتنبؤ بتأثير المذيب على هذه العملية. نظرًا للتطبيقات المختلفة للفوسفاتيديل كولين والفوسفاتيديل سيرين، فإن فهم تأثير البيئة الكحولية يمكن أن يساعد مصانع الأدوية ومستحضرات التجميل والأغذية على تصميم تجارب مناسبة لتقليل تأثير هذه المنتجات الثانوية على كفاءة المنتج الرئيسي وإنتاجيته.

Study of Enzymatic Substitution Reactions of Phosphatidyl Derivative with Alcohol and Acidic Medium

ABSTRACT

The phospholipids (PLs) play an important role in building up all the cells membrane of the animals. In addition, PLs are amphiphilic compounds that are widely found in the living system. In general, PLs can be divided into two groups: sphingomyelin and glycerophospholipids, which include phosphatidylcholine (PC), phosphatidylserine (PS), phosphatidylethanolamine (PE), phosphatidylglycerol and phosphatidylinositol.
The hydrolysis of the PLs is the main reaction for lipolysis that catalyzes in presence of specific enzymes known as phospholipases. In vitro, there are many studies to understand the mechanism of the phospholipolytic PLs and what the effect of the environment on this reaction.
The current study focused on monitoring of the hydrolysis reaction of PC in acidic medium and compared of the same reaction in alcoholic medium to find the effect of alcoholic environment on this reaction. In addition, this work focuses on the enzymatic hydrolysis reactions of the two PLs derivatives, which are phosphatidylcholine and phosphatidylserine, in water as well as in ethanol catalyzing by phospholipase D to find the impact of the toxic concentration of ethanol that may lead to damage to the cell membrane. The study shows that there is clear impact of the change of the nitrogen bases of phospholipids and the environment of the hydrolysis on the activity of the enzymatic catalyzing.
All products for the hydrolysis of PC in both the acidic and alcoholic environments were isolated and characterized using the GC-Mass, NMR, and FTIR spectroscopy.
Depending on the results, the mechanisms of the hydrolysis of PC in acidic and alcoholic environments were suggested. The final products of the hydrolysis of PC in acidic medium were choline chloride, palmitic acid, octadeca-9,12-dienoic acid, and glycerol-3-phospate. However, the hydrolysis of PC in ethanol provided the following products: choline chloride, ethyl palmitate, ethyl octadeca-9,12-dienoate, and glycerol-3-ethylphospate. It can be noted that the glycerol-3-phosphate was formed in both reactions as backbone of the PC also the choline chloride was produced during the dissociation from the phosphate group of the PC.
The same reactions above were repeated for two phospholipids, which were the PC and PS, respectively, in presence of phospholipase D (PLD) as catalyst. The kinetics of dissociation of the choline from the phosphate-group in presence of PLD were studied by applying the Michaelis-Menten equation. The maximum velocity (Vmax) and the Michaelis-Menten constant (Km) for all the enzymatic hydrolysis of PC and PS in presence of PLD at the acidic and alcoholic environments were determined. The affinity between the phospholipid PC and the enzyme in the case of using ethanol as a solvent was the least among the other reactions because it had the highest Km value of 3.664. However, the enzymatic hydrolysis reaction of PS was the highest affinity among others by having the lowest Km value.
In addition, the optimization of the enzymatic hydrolysis reactions which were included the concentration of the substrate, the enzymatic activity, the pH, and the temperature were performed to ensure that this enzymatic hydrolysis mimics that occurs in a living system. The thermodynamic parameters, which include enthalpy change (∆H), Gibbs free energy change (∆G) and entropy change (∆S) were determined. All the enzymatic hydrolysis reactions of PC and PS in presence of PLD were thermodynamically favorable and not spontaneous.
This study has exhibited that all hydrolysis reactions of the phospholipids in the absence of the enzyme are slower than that in presence of the PLD. Consequently, all products for the hydrolysis of PC without enzyme were smoothly isolated and characterized. However, it could not isolate the products for the enzymatic hydrolysis of the PC and PS due to the reactions being very fast.
Despite the similarity in mechanisms of the hydrolysis reaction of the phospholipids (PC and PS) in different environments (acidic and alcoholic), the differences in byproducts may provide us with a good vision to predict the impact of the solvent on this process. Due to the various applications of phosphatidylcholine and phosphatidylserine, understanding of the effect of the alcoholic environment can help pharmaceutical, cosmetic, and food factories to design appropriate experiments to reduce the impact of these byproducts on the main product efficiency and yield.