معلومة

لماذا غالبًا ما يكون الإنزيم مناسبًا فقط تجاه اتجاه واحد للتفاعل وليس كلا الاتجاهين؟

لماذا غالبًا ما يكون الإنزيم مناسبًا فقط تجاه اتجاه واحد للتفاعل وليس كلا الاتجاهين؟


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

في الفصل عندما ندرس إنزيمات مثل الأميليز أو البروتياز ، فإنه يعمل بشكل جيد فقط عندما تستخدمه لتحطيم مركبات مثل السكريات المتعددة. أنا فضولي فقط ولكن لماذا لا يمكن للإنزيمات أن تعمل بكفاءة في رد الفعل العكسي؟ أعني صيغة مثل

$ ce {amino acid + amino acid + energy <=> H2O + بروتين} $

هل يعني أن رد فعلنا يمكن أن يسير في كلا الاتجاهين ، أليس كذلك؟ ولكن لماذا يفضل الإنزيم التفاعل التقويضي؟


التفاعلات لها ثوابت توازنها المحددة ، والتي يتم تحديدها بواسطة الطاقة الحرة للمواد المتفاعلة المعنية ، ولا يمكن تغيير ذلك بواسطة المحفزات ، بما في ذلك الإنزيمات. دعنا نلقي نظرة على مثالك عن تكوين رابطة الببتيد بين اثنين من الأحماض الأمينية A و B ،

A + B + طاقة $ left rightharpoons $ H $ _2 $ O + AB

قد يستمر رد الفعل هذا في كلا الاتجاهين ؛ تعتمد معدلات التفاعلات الأمامية والعكسية على الطاقة الحرة لـ A و B وثنائي الببتيد AB ، بالإضافة إلى مقدار "الطاقة" التي نتحدث عنها في الجانب الأيسر. دعنا نتجاهل مصطلح الطاقة لنبدأ به ، ونفكر فقط

A + B $ leftrightharpoons $ H $ _2 $ O + AB

كما اتضح ، رد الفعل هذا غير مواتٍ: $ Delta G $ حوالي 10 كيلو جول / مول (يعتمد قليلاً على الأحماض الأمينية التي نتحدث عنها). لذا فإن هذا التفاعل يسير في الاتجاه المعاكس ؛ تتحلل ثنائي الببتيدات تلقائيًا في الماء. لكن معدل هذا التفاعل بطيء جدًا ، لأن رابطة الببتيد مستقرة تمامًا. نقول أن هناك "حاجزًا للطاقة" بين الركائز والمنتجات. تعمل المحفزات ، بما في ذلك الإنزيمات ، على تقليل هذا الحاجز ، مما يزيد من معدل التفاعل في على حد سواء الاتجاهات. من المستحيل ماديًا للأنزيمات تغيير التوازن من خلال الحفز وحده. هناك الكثير من الإنزيمات التي تحفز التفاعل أعلاه ، مما يؤدي إلى تحلل الببتيدات بسرعة (الببتيدات ، على سبيل المثال التربسين).

لكن الإنزيمات لا توفر الحفز فقط: إن الدور المهم للإنزيمات هو الجمع بين تفاعلين (أو أكثر) معًا ، بحيث يمكن للتفاعلات الإيجابية أن تؤدي إلى تفاعل غير موات. هذه هي الطريقة التي نحصل بها على مصطلح "الطاقة" في التفاعل الأول. الآلية الأكثر شيوعًا هي ربط التفاعل غير المواتي بالتحلل المائي ATP ،

ATP + H $ _2 $ O $ leftrightharpoons $ ADP + P $ _i $

التي هي نفسها مواتية للغاية ($ Delta G $ حوالي 40-50 kJ / mol). بعد ذلك يكون رد الفعل المزدوج

A + B + ATP + $ left rightharpoons $ AB + ADP + P $ _i $

وهو الآن ملائم (بسبب ATP) وسريع (بسبب التحفيز). هذا إلى حد كبير ما تفعله الريبوسومات (حسنًا ، الآلية الفعلية أكثر تعقيدًا ، لكن المبدأ هو نفسه).

لذلك ، لا تستطيع المحفزات تغيير توازن تفاعل معين ، لكن الإنزيمات يمكنها الجمع بين التفاعلات معًا للتوصل إلى شيء مواتٍ. هذا هو الموضوع الرئيسي في الكيمياء الحيوية ، مما يسمح للخلايا بتوجيه ردود الفعل في الاتجاه المطلوب ؛ ولكن هناك دائمًا "سعر" يجب دفعه ، غالبًا بعملة ATP.


ملخص القسم

يبدأ التكرار في بدائيات النوى من تسلسل موجود على الكروموسوم يسمى أصل التضاعف - النقطة التي ينفتح عندها الحمض النووي. يفتح Helicase الحلزون المزدوج للحمض النووي ، مما يؤدي إلى تكوين شوكة النسخ المتماثل. ترتبط بروتينات الربط أحادية الخيط بالحمض النووي أحادي السلسلة بالقرب من شوكة النسخ للحفاظ على الشوكة مفتوحة. يصنع Primase مادة أولية من الحمض النووي الريبي لبدء التوليف بواسطة بوليميريز الحمض النووي ، والذي يمكن أن يضيف نيوكليوتيدات فقط في الاتجاه 5 & # 8242 إلى 3 & # 8242. يتم تصنيع خصلة واحدة بشكل مستمر في اتجاه شوكة النسخ المتماثل وهذا ما يسمى بالخيط الرئيسي. يتم تصنيع الخيط الآخر في اتجاه بعيدًا عن شوكة النسخ ، في امتدادات قصيرة من الحمض النووي المعروفة باسم شظايا أوكازاكي. يُعرف هذا الخيط بالخيط المتأخر. بمجرد اكتمال النسخ المتماثل ، يتم استبدال بادئات RNA بنكليوتيدات DNA ويتم ختم الحمض النووي بـ DNA ligase ، مما يؤدي إلى إنشاء روابط phosphodiester بين 3 & # 8242-OH من أحد الطرفين و 5 & # 8242 الفوسفات من الخيط الآخر.


إدارة الطاقة الميكروبية - نتاج ثلاث مقايضات واسعة

جيمس ب. ماكينلاي. كيل هاردز ، التقدم في علم وظائف الأعضاء الميكروبي ، 2020

4.5 دورات غير مجدية

استحوذت الدورات غير المجدية على اهتمام علماء الفسيولوجيا الميكروبية لعقود من الزمن كشكل من أشكال انسكاب الطاقة وكآلية محتملة لإدارة الطاقة. الدورات غير المجدية هي العمليات التي يكون صافي التغيير الوحيد فيها هو تبديد الطاقة. من الأمثلة الشائعة على الدورة غير المجدية نشاط الكربوكسيل PEPC الذي تتم مواجهته بواسطة نشاط PEPCK لإزالة الكربوكسيل (الشكل 5). من شأن معارضة التدفق بالتساوي من خلال التفاعلين أن تشكل دورة تنفق ATP بدون تغيير صافٍ في التدفق بين PEP و OAA. تتضمن الدورات غير المجدية الأخرى الاستخدام المتزامن للفوسفوفركتوكيناز الحال للجلوكوز والفركتوز ثنائي فوسفاتاز الجلوكوزوجينيك (Chambost & amp Fraenkel ، 1980 Daldal & amp Fraenkel ، 1983 Otto ، 1984) أو التوليف المتزامن وتدهور الجليكوجين (Matheron، Delort، 1998 & Gaudet، Forajano، 1998 ). يمكن أن يشمل التدوير غير المجدي أيضًا تبديد PMF عن طريق السماح لـ H + بالدخول مرة أخرى إلى الخلية دون القيام بأي عمل (Russell، 2007 Russell & amp Cook، 1995 Taylor & amp Jackson، 1987). وبالتالي ، في حين أن الدورات غير المجدية قد تكون مهدرة ، يمكن أن تكون أيضًا مظهرًا من مظاهر المفاضلة البيئية وتستخدم للحفاظ على تركيز ATP المتماثل و / أو جهد PMF ، بالإضافة إلى أي مستقلبات مرتبطة به.

في كثير من البكتيريا منها بكتريا قولونية، لا يزال وجود دورات غير مجدية ودورها في الحفاظ على تركيزات المستقلب وحالة الطاقة محل نقاش. خلصت التقييمات المبكرة إلى أن الدورات غير المجدية بين PEPC و PEPCK ، من غير المرجح أن تلعب دورًا رئيسيًا في انسكاب الطاقة (Russell & amp Cook ، 1995). في B. الرقيقة و بكتريا قولونية، توجد آليات تنظيمية لتجنب الدورات الأنزيمية غير المجدية ، خاصة بين إنزيم الفوسفوفركتوكيناز والفركتوز ثنائي الفوسفاتيز (Chambost & amp Fraenkel ، 1980 Chao & amp Liao ، 1994 Chubukov ، Gerosa ، Kochanowski ، & amp Sauer ، 2014 Daldal & amp Fraenkel ، 1983 Tannler et al. ، 2008 ). في النماذج التي أوضحت عملية التمثيل الغذائي الفائض بحد أقصى لتبديد الطاقة الحرة لجبس ، لم تكن الدورات غير المجدية التي تتضمن ATP أو NAD (P) H مطلوبة لشرح تبديد الطاقة (Niebel et al. ، 2019).

ومع ذلك ، فقد تم الإبلاغ عن ملاحظات الدورات الأنزيمية غير المجدية في البكتيريا ، خاصة بين PEP و OAA و pyruvate. من خلال 13 تجربة وضع العلامات C ، تم تقدير الدراجات غير المجدية بين بكتريا قولونية PEPC و PEPCK ، خاصة عند معدلات النمو المنخفضة في الكيميائيات (Emmerling et al. ، 2002 Yang ، Hua ، Baba ، Mori ، & amp Shimizu ، 2003). يانغ وآخرون. قدر أن ما يصل إلى 8.2 ٪ من جميع ATP المنتج قد تحلل بالماء في هذه الدورة غير المجدية (Yang et al. ، 2003). على الرغم من أن التدوير بين PEP و OAA (والذي غالبًا ما يشتمل أيضًا على البيروفات والمالات) لا يمكن تمييزه عمومًا في حالة ثابتة 13 تجربة C-tracer دون إدخال أدوات تتبع إضافية أو فرض قيود على النموذج ، فإن حذف ترميز الجين PEPCK أثر على نمط التوسيم الذي يُنسب إليه. النشاط في هذه الحالة (Yang et al. ، 2003). استخدام 13 سي لاكتات والجلوكوز غير المصنف لمعالجة التدفقات القابلة للعكس مباشرة بين PEP و OAA و pyruvate في الوتدية الجلوتاميك كشفت دورة غير مجدية مماثلة ، حيث تمت مواجهة 77 ٪ من تدفق الكربوكسيل إلى OAA بتدفق عكسي (Petersen et al. ، 2000).

يمكن أن تكون الدراجات غير المجدية ، أو انسكاب الطاقة بشكل عام ، أساسية لنمط حياة البكتيريا. تتميز هذه الحالات بابتناء وتقويض غير مرتبطين ، وغالبًا ما يطلق عليه ، نمو غير مزدوج. النمو غير المنفصل هو مثال على المقايضة الديناميكية الحرارية ، والتضحية بإنتاجية الطاقة لإنشاء تدرجات ديناميكية حرارية شديدة الانحدار وتحقيق معدلات عالية من التمثيل الغذائي والنمو. هناك مثالان للبكتيريا التي تظهر نموًا غير مزدوج العقدية البقعية (راسل ، 2007 راسل وأمبير كوك ، 1995) و Z. Mobilis (كالنينيكس ، 2006). يكون النمو غير المزدوج أكثر وضوحًا عندما يكون الوصول إلى بعض العناصر الغذائية محدودًا. على سبيل المثال ، متى S. بوفيس تم حرمانه من الأحماض الأمينية في المواد الكيميائية حيث كانت معدلات النمو ثابتة ، وزادت معدلات استهلاك الجلوكوز المحددة بشكل كبير بينما انخفضت أعداد الخلايا (Bond & amp Russell ، 1998). بصورة مماثلة، Z. Mobilis تكون معدلات الأيض لكل خلية أعلى عند تزويدها بمصادر نيتروجين ضعيفة (Belauich & amp Senez، 1965 Jones & amp Doelle، 1991 Kremer، LaSarre، Posto، & amp McKinlay، 2015). بالنسبة لكلا الكائنين ، يبدو أن النمو غير المقترن مرتبط بدورة غير مجدية تنطوي على تبديد الحشائش الحشوية ، على الرغم من أن مجموعة الأدلة أقوى حاليًا بالنسبة إلى S. بوفيس من ل Z. Mobilis (كالنينيكس ، 2006). في S. بوفيس، انخفضت مقاومة غشاء الخلية لـ H + مع تقوية PMF ، مما يسمح بتوصيل H + عالي (Bond & amp Russell ، 1998 ، 2000 Cook & amp Russell ، 1994). نظرًا لأن PMF يتم إنشاؤه بشكل أساسي بواسطة H + -pumping عن طريق نشاط سينسيز ATP المائي في كلا الكائنات الحية ، فإن تبديد PMF سيساعد على ضمان معدل دوران عالٍ لـ ATP ، وبالتالي معدل استقلاب مركزي مرتفع. في الواقع ، فإن التدرج الديناميكي الحراري في Z. Mobilis، تم تحديده من تركيزات المستقلب داخل الخلايا ، وجد أنه ضعف ما لوحظ في بكتريا قولونية و S. cerevisiae (جاكوبسون وآخرون ، 2019). يُعتقد أن فوائد هذه المقايضة الديناميكية الحرارية الواضحة بيئية. يسمح الإنتاج السريع للإيثانول ، إلى جانب التحمل العالي للإيثانول Z. Mobilis لتعقيم بيئة النسغ النباتية الغنية بالسكر لأي منافس (Kalnenieks ، 2006).

يمكن أن يكون النمو غير المنفصل والدورات غير المجدية بشكل عام ميزة جذابة لبعض العمليات الحيوية الصناعية. على سبيل المثال، Z. Mobilis تميل غلات الإيثانول إلى عدم التأثر بالاضطرابات التي تضر بالتخليق الحيوي (Kalnenieks ، 2006). وبالتالي ، يمكن للنمو غير المقترن أن يسمح للمرء بتوجيه تدفق الكربون إلى المنتج المطلوب مع وجود كتلة حيوية منخفضة متبقية للتخلص منها (كريمر وآخرون ، 2015). يمكن الاستفادة من الدورات غير المجدية في بعض الحالات التي يكون فيها معدل الأيض مرتفعًا. هندسة دورة غير مجدية PEPC / PEPCK إلى بكتريا قولونية أدى إلى ارتفاع معدلات التمثيل الغذائي وزيادة التمثيل الغذائي الفائض على حساب عائد النمو (Chao & amp Liao ، 1994). تم تطبيق هذه المعرفة لزيادة بكتريا قولونية إنتاجية وعائد محدد من اللاكتات (Hadicke، Bettenbrock، & amp Klamt، 2015). خفض مستويات ATP بوسائل أخرى ، مثل منع نشاط سينسيز ATP أو عن طريق التعبير فقط عن الوحدات الفرعية سينسيز ATP السيتوبلازمية للتسبب في التحلل المائي لـ ATP غير الخاضع للرقابة ، استدعى أيضًا معدلات التمثيل الغذائي التعويضية العالية في بكتريا قولونية (Jensen & amp Michelsen، 1992 Koebmann et al.، 2002 Koebmann، Westerhoff، Snoep، Nilsson، & amp Jensen، 2002) وتقليل المعادن Geobacter sulfurreducens (إيزاللين وآخرون ، 2008). في الحالة الأخيرة ، يمكن أن تؤدي معدلات الأيض المتزايدة إلى ارتفاع معدل إنتاج الكهرباء في خلية وقود ميكروبية. ومع ذلك ، قد لا تعمل هذه الاستراتيجية في جميع الحالات. إدخال دورة غير مجدية إلى إل. اللاكتيس لم يؤثر على معدل التحلل في الخلايا النامية (على الرغم من ملاحظة زيادة في الخلايا غير النامية) (Koebmann، Solem، Pedersen، Nilsson، amp Jensen، 2002). بشكل منفصل ، يمكن الاستفادة من تحريض الدورات غير المجدية للمساعدة في قتل مسببات الأمراض. هناك بعض الأدلة على أن ركوب الدراجات غير المجدي المرتبط بدوران الببتيدوغليكان يساهم في التأثيرات المميتة للمضادات الحيوية بيتا لاكتام (Cho، Uehara، & amp Bernhardt، 2014).


CH450 و CH451: الكيمياء الحيوية - تحديد الحياة على المستوى الجزيئي

6.1 طبيعة وتصنيف الإنزيمات

6.2 أسماء الإنزيمات وتصنيفها

6.3 بنية الإنزيم وربط الركيزة

6.4 الإنزيمات وتوازن التفاعل

6.5 خصائص وآليات عمل الإنزيم

6.6 تتأثر الإنزيمات بالرقم الهيدروجيني ودرجة الحرارة

6.7 الإنزيمات حساسة للمثبطات

6.8 المنظمين الخيفي والتحكم في نشاط الإنزيم

6.9 أصل الإنزيمات وتنقيتها واستخداماتها

6.10 الأنزيمات الصناعية

6.11 المراجع

6.1 طبيعة وتصنيف الإنزيمات

الإنزيمات عبارة عن محفزات بيولوجية (تُعرف أيضًا باسم المحفزات الحيوية) التي تسرع التفاعلات الكيميائية الحيوية في الكائنات الحية. يمكن أيضًا استخلاصها من الخلايا ثم استخدامها لتحفيز مجموعة واسعة من العمليات المهمة تجاريًا. على سبيل المثال ، لديهم أدوار مهمة في إنتاج عوامل التحلية وتعديل المضادات الحيوية ، فهي تستخدم في مساحيق الغسيل ومنتجات التنظيف المختلفة ، وتلعب دورًا رئيسيًا في الأجهزة التحليلية والمقايسات التي لها تطبيقات سريرية وطب شرعي وبيئية. تم استخدام كلمة "إنزيم" لأول مرة من قبل عالم الفيزيولوجيا الألماني فيلهلم كون في عام 1878 ، عندما كان يصف قدرة الخميرة على إنتاج الكحول من السكريات ، وهي مشتقة من الكلمات اليونانية en (بمعنى "داخل") و zume (بمعنى "داخل"). 'خميرة').

في أواخر القرن التاسع عشر وأوائل القرن العشرين ، تم إحراز تقدم كبير في الاستخراج والتوصيف والاستغلال التجاري للعديد من الإنزيمات ، ولكن لم يتم بلورة الإنزيمات حتى عشرينيات القرن الماضي ، مما يكشف عن ارتباط النشاط التحفيزي بجزيئات البروتين. على مدار الستين عامًا التالية أو نحو ذلك ، كان يُعتقد أن جميع الإنزيمات عبارة عن بروتينات ، ولكن في الثمانينيات وجد أن بعض جزيئات الحمض النووي الريبي (RNA) قادرة أيضًا على إحداث تأثيرات تحفيزية. تلعب RNAs ، التي تسمى الريبوزيمات ، دورًا مهمًا في التعبير الجيني. في نفس العقد ، طور علماء الكيمياء الحيوية أيضًا تقنية لتوليد أجسام مضادة تمتلك خصائص تحفيزية. تتمتع هذه "الأبزيمات" المزعومة بإمكانيات كبيرة كمحفزات صناعية جديدة وعلاجات. على الرغم من هذه الاستثناءات الملحوظة ، فإن الكثير من علم الإنزيمات الكلاسيكي ، والباقي من هذا المقال ، يركز على البروتينات التي تمتلك نشاطًا تحفيزيًا.

كمحفزات ، فإن الإنزيمات مطلوبة فقط بتركيزات منخفضة جدًا ، وهي تسرع التفاعلات دون أن يتم استهلاكها أثناء التفاعل. عادة ما نصف الإنزيمات بأنها قادرة على تحفيز تحويل جزيئات الركيزة إلى جزيئات المنتج على النحو التالي:

الإنزيمات محفزات قوية.

يمكن التعبير عن النشاط التحفيزي الهائل للإنزيمات بشكل أفضل من خلال ثابت ، كقط, التي يشار إليها بشكل مختلف باسم معدل الدوران ، وتيرة الدوران أو عدد دوران. يمثل هذا الثابت عدد جزيئات الركيزة التي يمكن تحويلها إلى منتج بواسطة جزيء إنزيم واحد لكل وحدة زمنية (عادةً في الدقيقة أو في الثانية). أمثلة على قيم معدل الدوران مذكورة في الجدول 6.1. على سبيل المثال ، يمكن لجزيء واحد من الأنهيدراز الكربوني أن يحفز تحويل أكثر من نصف مليون جزيء من ركائزه ، وهو ثاني أكسيد الكربون (CO).2) والماء (H2O) ، في المنتج ، بيكربونات (HCO3 -) ، كل ثانية - إنجاز رائع حقًا.

الإنزيمات هي محفزات محددة

بالإضافة إلى كونها محفزات عالية الفعالية ، تمتلك الإنزيمات أيضًا خصوصية ملحوظة من حيث أنها تحفز بشكل عام تحويل نوع واحد فقط (أو على الأكثر مجموعة من الأنواع المماثلة) من جزيء الركيزة إلى جزيئات المنتج. تظهر بعض الإنزيمات خصوصية المجموعة. على سبيل المثال ، يمكن أن يزيل الفوسفاتاز القلوي (إنزيم يتم مواجهته بشكل شائع في الجلسات المختبرية للسنة الأولى حول حركية الإنزيم) مجموعة الفوسفات من مجموعة متنوعة من الركائز.

تظهر الإنزيمات الأخرى خصوصية أعلى بكثير ، والتي توصف بالخصوصية المطلقة. على سبيل المثال ، يُظهر الجلوكوز أوكسيديز خصوصية كاملة تقريبًا لركائزه ، β-D-glucose ، ولا يوجد نشاط فعليًا مع أي السكريات الأحادية الأخرى. كما سنرى لاحقًا ، فإن هذه الخصوصية لها أهمية قصوى في العديد من الاختبارات التحليلية والأجهزة (أجهزة الاستشعار الحيوية) التي تقيس ركيزة معينة (مثل الجلوكوز) في خليط معقد (مثل عينة الدم أو البول).

الجدول 6.1 معدل دوران بعض الإنزيمات الشائعة التي تظهر تباينًا واسعًا

العودة إلى الصدارة

6.2 أسماء الإنزيمات وتصنيفها

عادةً ما يكون للإنزيمات أسماء شائعة (تسمى غالبًا "أسماء تافهة") والتي تشير إلى التفاعل الذي تحفزه ، مع اللاحقة & # 8216-ase & # 8217 (على سبيل المثال ، أوكسيديز ، ديهيدروجينيز ، كربوكسيلاز) ، على الرغم من أن الإنزيمات المحللة للبروتين الفردية لها بشكل عام اللاحقة & # 8216-in & # 8217 (مثل التربسين ، كيموتربسين ، غراء). غالبًا ما يشير الاسم التافه أيضًا إلى الركيزة التي يعمل عليها الإنزيم (على سبيل المثال الجلوكوز أوكسيديز ، نازعة الهيدروجين الكحول ، بيروفات ديكاربوكسيلاز). ومع ذلك ، فإن بعض الأسماء التافهة (مثل إنفرتيز ، دياستاز ، كاتلاز) توفر القليل من المعلومات حول الركيزة أو المنتج أو التفاعل المعني.

نظرًا للتعقيد المتزايد وعدم الاتساق في تسمية الإنزيمات ، أنشأ الاتحاد الدولي للكيمياء الحيوية لجنة الإنزيم لمعالجة هذه المشكلة. نُشر أول تقرير للجنة الإنزيم في عام 1961 ، وقدم منهجًا منظمًا لتسمية الإنزيمات. احتوت الطبعة السادسة ، التي نُشرت في عام 1992 ، على تفاصيل ما يقرب من 3200 إنزيم مختلف ، والمكملات التي تُنشر سنويًا قد وسعت الآن هذا العدد إلى أكثر من 5000.

ضمن هذا النظام ، يتم وصف جميع الإنزيمات برقم مكون من أربعة أجزاء من لجنة الإنزيم (EC). على سبيل المثال ، يحتوي الإنزيم الذي يحمل الاسم التافه لاكتات ديهيدروجينيز على رقم EC 1.1.1.27 ، ويسمى بشكل صحيح l-lactate: NAD + oxidoreductase. يشير الجزء الأول من رقم EC إلى التفاعل الذي يحفزه الإنزيم (الجدول 6.2). الأرقام المتبقية لها معاني مختلفة وفقًا لطبيعة التفاعل المحدد بواسطة الرقم الأول. على سبيل المثال ، ضمن فئة oxidoreductase ، يشير الرقم الثاني إلى متبرع الهيدروجين (الجدول 6.3) ويشير الرقم الثالث إلى متقبل الهيدروجين (الجدول 6.4). وبالتالي ، فإن اللاكتات ديهيدروجينيز برقم EC 1.1.1.27 هو أوكسيدوروكتاز (يشار إليه بالرقم الأول) مع مجموعة الكحول لجزيء اللاكتات كمانح للهيدروجين (الرقم الثاني) و NAD + كمستقبل للهيدروجين (الرقم الثالث) ، وهو الانزيم السابع والعشرون الذي يصنف ضمن هذه المجموعة (الرقم الرابع).

الجدول 6.2 تصنيف الإنزيم: الفئات الرئيسية للأنزيمات في نظام EC

الجدول 6.3 تصنيف الإنزيم: الفئات الثانوية من الأكسدة في نظام EC

الجدول 6.4 تصنيفات الإنزيم: الفئات الثلاثية من الأكسيدوروكتازات في نظام المفوضية الأوروبية

لحسن الحظ ، أصبح من السهل جدًا الآن العثور على هذه المعلومات لأي إنزيم فردي باستخدام قاعدة بيانات تسمية الإنزيم (متوفرة على http://enzyme.expasy.org)

العودة إلى الصدارة

6.3 بنية الإنزيم وربط الركيزة

الإنزيمات القائمة على الأحماض الأمينية هي بروتينات كروية يتراوح حجمها من أقل من 100 إلى أكثر من 2000 من بقايا الأحماض الأمينية.يمكن ترتيب هذه الأحماض الأمينية كسلسلة واحدة أو أكثر من سلاسل البولي ببتيد التي يتم طيها وثنيها لتشكيل بنية ثلاثية الأبعاد محددة ، تتضمن مساحة صغيرة تُعرف باسم الموقع النشط (الشكل 6.1) ، حيث ترتبط الركيزة فعليًا. قد يشتمل الموقع النشط على عدد صغير فقط (أقل من 10) من الأحماض الأمينية المكونة. إن خصائص الشكل والشحن للموقع النشط هي التي تمكنه من الارتباط بنوع واحد من جزيء الركيزة ، بحيث يكون الإنزيم قادرًا على إظهار خصوصية كبيرة في نشاطه التحفيزي.

تم اقتراح الفرضية القائلة بأن خصوصية الإنزيم ناتجة عن الطبيعة التكميلية للركيزة وموقعها النشط لأول مرة من قبل الكيميائي الألماني Emil Fischer في عام 1894 ، وأصبحت تُعرف باسم `` فرضية القفل والمفتاح '' الخاصة بـ Fischer ، حيث لا يوجد سوى مفتاح بالحجم الصحيح و الشكل (الركيزة) يناسب ثقب المفتاح (الموقع النشط) للقفل (الإنزيم). من المدهش أن هذه النظرية تم اقتراحها في وقت لم يثبت فيه حتى أن الإنزيمات كانت بروتينات.

الشكل 6.1 تمثيل ارتباط الركيزة بالموقع النشط لجزيء الإنزيم.

مع تعلم المزيد عن بنية الإنزيم من خلال تقنيات مثل علم البلورات بالأشعة السينية ، أصبح من الواضح أن الإنزيمات ليست هياكل صلبة ، ولكنها في الواقع مرنة تمامًا في الشكل. في ضوء هذه النتيجة ، قام دانيال كوشلاند في عام 1958 بتوسيع أفكار فيشر وقدم "نموذج الملاءمة المستحث" لربط الركيزة والإنزيم ، حيث يغير جزيء الإنزيم شكله قليلاً لاستيعاب ارتباط الركيزة. القياس الشائع هو "نموذج اليد في القفاز" ، حيث يكون شكل اليد والقفاز مكملين بشكل كبير ، ولكن القفاز مصبوب حول اليد حيث يتم إدخاله لتوفير تطابق مثالي.

نظرًا لأن الموقع النشط وحده هو الذي يرتبط بالركيزة ، فمن المنطقي أن نسأل ما هو دور باقي جزيء البروتين. الجواب البسيط هو أنه يعمل على استقرار الموقع النشط وتوفير بيئة مناسبة لتفاعل الموقع مع جزيء الركيزة. لذلك لا يمكن فصل الموقع النشط عن بقية البروتين دون فقدان النشاط التحفيزي ، على الرغم من أن دراسات التطور الموجهة المخبري (أو القسري) أظهرت أنه من الممكن في بعض الأحيان إنتاج إنزيمات أصغر تحافظ على النشاط. قد تشارك مناطق أخرى من الإنزيم أيضًا في تنظيم نشاط الإنزيم ، والتي ستتم مناقشتها بمزيد من التفصيل في الفصل 8.

وتجدر الإشارة إلى أنه على الرغم من أن عددًا كبيرًا من الإنزيمات يتكون فقط من البروتين ، إلا أن العديد منها يحتوي أيضًا على مكون غير بروتيني ، يُعرف باسم العامل المساعد، وهذا ضروري للنشاط التحفيزي للإنزيم. قد يكون العامل المساعد جزيءًا عضويًا آخر ، وفي هذه الحالة يطلق عليه a مساعد الانزيم، أو قد يكون جزيء غير عضوي ، عادة أيون معدني مثل الحديد أو المنغنيز أو الكوبالت أو النحاس أو الزنك. يشار إلى الإنزيم الذي يرتبط ارتباطًا وثيقًا ودائمًا بالبروتين عمومًا باسم مجموعه اطراف صناعيه من الانزيم. عندما يتطلب الإنزيم عاملاً مساعدًا لنشاطه ، يُشار إلى مكون البروتين غير النشط عمومًا باسم أبوينزيم، و apoenzyme بالإضافة إلى العامل المساعد (أي الإنزيم النشط) يسمى a هولوزيم(الشكل 6.2). تُعزى الحاجة إلى المعادن والفيتامينات في النظام الغذائي البشري جزئيًا إلى دورها في عملية التمثيل الغذائي كعوامل مساعدة وأنزيمات مساعدة.

الشكل 6.2 مكونات الإنزيم الهولندي

العودة إلى الصدارة

6.4 الإنزيمات وتوازن التفاعل

الإنزيمات تعزز معدلات التفاعل

كيف تعمل الانزيمات؟ الجواب العام على هذا السؤال هو أنهم لاتفعل يغير التوازن (أي الديناميكا الحرارية) للتفاعل. هذا لأن الإنزيمات لا تغير بشكل أساسي بنية وطاقة المنتجات والكواشف ، ولكنها تسمح ببساطة بتحقيق توازن التفاعل بسرعة أكبر. لذلك دعونا نبدأ بتوضيح مفهوم التوازن الكيميائي. في كثير من الحالات يكون توازن التفاعل بعيدًا عن "اليمين" - أي تقريبًا يتم تحويل كل الركيزة (S) إلى منتج (P). لهذا السبب ، غالبًا ما تتم كتابة ردود الفعل كـ

هذا تبسيط ، لأنه في جميع الحالات يكون من الأصح كتابة رد الفعل هذا على النحو التالي:

هذا يدل على وجود توازن. لفهم هذا المفهوم ، ربما يكون من المفيد للغاية النظر إلى رد الفعل حيث تكون نقطة التوازن مركزية تمامًا. على سبيل المثال:

في هذا التفاعل ، إذا بدأنا بمحلول من 1 مولار من الجلوكوز وأضفنا الإنزيم ، فعند الانتهاء سيكون لدينا خليط من حوالي 0.5 مولار من الجلوكوز و 0.5 مولار من الفركتوز. هذه هي نقطة التوازن لهذا التفاعل المعين. على الرغم من أن الأمر قد يستغرق بضع ثوان فقط للوصول إلى نقطة النهاية هذه مع وجود الإنزيم ، فإننا في الواقع نصل إلى نفس النقطة إذا وضعنا الجلوكوز في المحلول وانتظرنا عدة أشهر حتى يحدث التفاعل في غياب الإنزيم . ومن المثير للاهتمام ، أنه كان بإمكاننا أيضًا بدء هذا التفاعل بمحلول 1M من الفركتوز ، وكان من الممكن أن يستمر في الاتجاه المعاكس حتى يتم الوصول إلى نفس نقطة التوازن.

يتم التعبير عن نقطة التوازن لهذا التفاعل بواسطة ثابت التوازن ، كمكافئ، على النحو التالي:

وهكذا للتفاعل مع التوازن المركزي ، كمكافئ = 1 ، للتوازن "إلى اليمين" ، كمكافئ هو & gt1 ، وللتوازن "إلى اليسار" ، كمكافئهو & lt 1. لذلك إذا كان رد الفعل أ كمكافئ بقيمة 10 6 ، يكون التوازن بعيدًا جدًا عن اليمين ويمكن تبسيطه من خلال الإشارة إليه كسهم واحد. غالبًا ما نصف هذا النوع من التفاعل بأنه "في طريقه إلى الاكتمال". على العكس من ذلك ، إذا كان رد الفعل يحتوي على كمكافئ بقيمة 10 6 ، يكون التوازن بعيدًا جدًا عن اليسار ، ولجميع الأغراض العملية ، لن يتم اعتباره حقًا المضي قدمًا على الإطلاق.

تجدر الإشارة إلى أنه على الرغم من أن تركيز المواد المتفاعلة ليس له أي تأثير على نقطة التوازن ، إلا أن العوامل البيئية مثل الأس الهيدروجيني ودرجة الحرارة يمكن أن تؤثر وتؤثر بالفعل على موضع التوازن. وتجدر الإشارة أيضًا إلى أن أي تفاعل كيميائي حيوي يحدث ، في الجسم الحي ، في النظام الحي لا يحدث منعزلاً ، ولكن كجزء من مسار التمثيل الغذائي ، مما يجعل من الصعب تصور العلاقة بين المتفاعلات والتفاعلات. في الجسم الحي، لا يُسمح لردود الفعل بالانتقال إلى وضع التوازن. إذا فعلوا ذلك ، فسيتوقف التفاعل بشكل أساسي (أي أن التفاعلات الأمامية والعكسية ستوازن بعضها البعض) ، ولن يكون هناك تدفق صافٍ عبر المسار. ومع ذلك ، في العديد من المسارات الكيميائية الحيوية المعقدة ، تكون بعض خطوات التفاعل الفردية قريبة من التوازن ، في حين أن البعض الآخر بعيد عن التوازن ، فإن الأخيرة (المحفزة بواسطة الإنزيمات التنظيمية) لها أكبر قدرة على التحكم في التدفق الكلي للمواد عبر المسار.

تشكل الإنزيمات معقدات مع ركائزها

غالبًا ما نصف التفاعل المحفز بالإنزيم على أنه يمر بثلاث مراحل على النحو التالي:

يمثل المركب ES موضعًا حيث ترتبط الركيزة (S) بالإنزيم (E) بحيث يكون التفاعل (مهما كان) أكثر ملاءمة. بمجرد حدوث التفاعل ، ينفصل جزيء المنتج (P) عن الإنزيم ، والذي يكون حراً بعد ذلك في الارتباط بجزيء ركيزة آخر. في مرحلة ما خلال هذه العملية ، يتم تحويل الركيزة إلى شكل وسيط (غالبًا ما يسمى حالة الانتقال) ثم إلى المنتج. تختلف الآلية الدقيقة التي يعمل بها الإنزيم على زيادة معدل التفاعل من نظام إلى آخر ، وهي موضوع الفصل 7. ومع ذلك ، فإن المبدأ العام هو أنه من خلال ربط الركيزة بالإنزيم ، فإن التفاعل الذي يشمل الركيزة يكون أكثر ملاءمة عن طريق خفض طاقة التنشيط للتفاعل.

من حيث الطاقة ، يمكن أن تكون التفاعلات إما طاردة للطاقة (تطلق الطاقة) أو مداواة (تستهلك الطاقة). ومع ذلك ، حتى في تفاعل مفرط الطاقة ، هناك حاجة إلى كمية صغيرة من الطاقة ، تسمى طاقة التنشيط ، لإعطاء التفاعل "بداية ركلة". والتشابه الجيد هو تطابق ، حيث يحتوي رأسها على مزيج غني بالطاقة. المواد الكيميائية (الفوسفور sesquisulfide وكلورات البوتاسيوم). عندما يحترق عود ثقاب فإنه يطلق كميات كبيرة من الضوء والطاقة الحرارية (يتفاعل بشكل كبير مع O2 في الهواء). ومع ذلك ، وربما لحسن الحظ ، لن تشتعل المباراة من تلقاء نفسها ، ولكن هناك حاجة إلى مدخلات صغيرة من الطاقة على شكل حرارة متولدة من خلال الاحتكاك (أي ضرب الكبريت) لبدء التفاعل. بالطبع بمجرد ضرب المباراة ، تكون كمية الطاقة المنبعثة كبيرة ، وتتجاوز إلى حد كبير مدخلات الطاقة الصغيرة أثناء عملية الضرب.

كما هو مبين في الشكل 6.3 ، تعتبر الإنزيمات تقلل من طاقة التنشيط للنظام عن طريق تسهيل تشكيل حالة الانتقال. في وجود محفز إنزيم ، يكون تكوين الحالة الانتقالية أكثر ملاءمة من الناحية النشطة (أي يتطلب طاقة أقل لـ "بدء التشغيل") ، وبالتالي تسريع المعدل الذي سيستمر به التفاعل ، ولكن لا يغير مستويات الطاقة بشكل أساسي من المادة المتفاعلة أو المنتج.

الشكل 6.3 تأثير الإنزيم على اختزال طاقة التنشيط المطلوبة لبدء تفاعل حيث (أ) غير محفز و (ب) تفاعل محفز بالإنزيم.

العودة إلى الصدارة

6.5 خصائص وآليات عمل الإنزيم

حركية الإنزيم

حركية الإنزيم هي دراسة العوامل التي تحدد سرعة تفاعلات الإنزيم المحفزة. يستخدم بعض المعادلات الرياضية التي يمكن أن تكون مربكة للطلاب عندما يواجهونها لأول مرة. ومع ذلك ، فإن نظرية الحركية منطقية وبسيطة ، ومن الضروري تطوير فهم هذا الموضوع من أجل التمكن من تقدير دور الإنزيمات في كل من التمثيل الغذائي والتكنولوجيا الحيوية.

يمكن إجراء فحوصات (قياسات) نشاط الإنزيم إما بطريقة متقطعة أو مستمرة. تتضمن الطرق غير المستمرة خلط الركيزة والإنزيم معًا وقياس المنتج المتشكل بعد فترة زمنية محددة ، لذلك تكون هذه الطرق عمومًا سهلة وسريعة الأداء. بشكل عام ، سنستخدم مثل هذه الاختبارات غير المستمرة عندما نعرف القليل عن النظام (ونجري تحقيقات أولية) ، أو بدلاً من ذلك عندما نعرف الكثير عن النظام ونتأكد من أن الفاصل الزمني الذي نختاره مناسب.

في فحوصات الإنزيم المستمرة ، ندرس بشكل عام معدل تفاعل محفز بالإنزيم عن طريق خلط الإنزيم مع الركيزة وقياس مظهر المنتج بشكل مستمر بمرور الوقت. بالطبع يمكننا قياس معدل التفاعل بشكل جيد عن طريق قياس اختفاء الركيزة بمرور الوقت. بصرف النظر عن الاتجاه الفعلي (واحد متزايد والآخر متناقص) ، ستكون القيمتان متطابقتين. في تجارب حركية الإنزيم ، من أجل الراحة ، نستخدم في كثير من الأحيان ركيزة اصطناعية تسمى أ الكروموجين ينتج عنه منتج ذو ألوان زاهية ، مما يجعل من السهل متابعة التفاعل باستخدام مقياس الألوان أو مقياس الطيف الضوئي. ومع ذلك ، يمكننا في الواقع استخدام أي معدات تحليلية متاحة لديها القدرة على قياس تركيز أي من المنتج أو الركيزة.

في جميع الحالات تقريبًا ، نضيف أيضًا محلولًا مؤقتًا إلى الخليط. كما سنرى ، يتأثر نشاط الإنزيم بشدة بالرقم الهيدروجيني ، لذلك من المهم ضبط الرقم الهيدروجيني عند قيمة محددة والحفاظ عليه ثابتًا طوال التجربة. قد تتضمن تجربة حركية الإنزيم الأولى لدينا خلط محلول الركيزة (الكروموجين) مع محلول منظم وإضافة الإنزيم. ثم يتم وضع هذا الخليط في مقياس طيف ضوئي ويتم قياس مظهر المنتج الملون. سيمكننا ذلك من متابعة رد فعل سريع قد يبدأ ، بعد بضع ثوانٍ أو دقائق ، في التباطؤ ، كما هو موضح في الشكل 6.4.

الشكل 6.4 تشكيل المنتج في تفاعل محفز بالإنزيم ، مخطط مع الزمن.

السبب الشائع لهذا التباطؤ في سرعة (معدل) التفاعل هو أن الركيزة داخل الخليط يتم استخدامها وبالتالي تصبح محدودة. بدلاً من ذلك ، قد يكون الإنزيم غير مستقر ويتحول إلى طبيعته على مدار التجربة ، أو يمكن أن يكون الرقم الهيدروجيني للخليط يتغير ، حيث أن العديد من التفاعلات إما تستهلك أو تطلق البروتونات. لهذه الأسباب ، عندما يُطلب منا تحديد معدل التفاعل ، نقوم بذلك في وقت مبكر ، بمجرد إضافة الإنزيم ، وعندما لا تنطبق أي من القيود المذكورة أعلاه. نشير إلى هذا المعدل السريع الأولي بالسرعة الأولية (الخامس0). يعد قياس معدل التفاعل في هذه المرحلة المبكرة أيضًا واضحًا تمامًا ، حيث أن المعدل خطي بشكل فعال ، لذلك يمكننا ببساطة رسم خط مستقيم وقياس التدرج اللوني (بقسمة تغير التركيز على الفترة الزمنية) من أجل تقييم التفاعل معدل خلال هذه الفترة.

قد نجري الآن مجموعة من فحوصات الإنزيم المماثلة لتقييم كيفية تغير السرعة الأولية عندما يتغير تركيز الركيزة أو الإنزيم ، أو عندما يتغير الأس الهيدروجيني. ستساعدنا هذه الدراسات في تحديد خصائص الإنزيم قيد الدراسة.

عادة ما تكون العلاقة بين تركيز الإنزيم ومعدل التفاعل بسيطة. إذا كررنا التجربة الموصوفة للتو ، لكننا أضفنا إنزيمًا إضافيًا بنسبة 10٪ ، فسيكون التفاعل أسرع بنسبة 10٪ ، وإذا ضاعفنا تركيز الإنزيم ، فسيستمر التفاعل أسرع مرتين. وبالتالي هناك علاقة خطية بسيطة بين معدل التفاعل وكمية الإنزيم المتاحة لتحفيز التفاعل (الشكل 6.5). تنطبق هذه العلاقة على كل من الإنزيمات الموجودة في الجسم الحي وتلك المستخدمة في تطبيقات التكنولوجيا الحيوية ، حيث قد يتحكم تنظيم كمية الإنزيم الموجود في معدلات التفاعل.

الشكل 6.5 العلاقة بين تركيز الإنزيم ومعدل التفاعل المحفز بالإنزيم.

عندما نجري سلسلة من فحوصات الإنزيم باستخدام نفس تركيز الإنزيم ، ولكن مع مجموعة من تركيزات الركيزة المختلفة ، تظهر علاقة أكثر تعقيدًا قليلاً ، كما هو موضح في الشكل 6. في البداية ، عند زيادة تركيز الركيزة ، يزداد معدل التفاعل إلى حد كبير. ومع ذلك ، مع زيادة تركيز الركيزة بشكل أكبر ، تبدأ التأثيرات على معدل التفاعل في الانخفاض ، حتى يتم الوصول إلى مرحلة يكون فيها زيادة تركيز الركيزة تأثيرًا ضئيلًا على معدل التفاعل. في هذه المرحلة ، يُعتبر الإنزيم يقترب من التشبع بالركيزة ، ويظهر سرعته القصوى (الخامسالأعلى). لاحظ أن هذه السرعة القصوى هي في الواقع حد نظري لن يتحقق حقًا في أي تجربة ، على الرغم من أننا قد نقترب جدًا منها.

الشكل 6.6 العلاقة بين تركيز الركيزة ومعدل التفاعل المحفز بالإنزيم.

العلاقة الموصوفة هنا هي علاقة شائعة إلى حد ما ، والتي قد يحددها عالم الرياضيات على الفور على أنها قطع زائد مستطيل. المعادلة التي تصف مثل هذه العلاقة هي كما يلي:

وهكذا ، يسمح لنا الثابتان a و b بوصف هذه العلاقة الزائدية ، تمامًا كما هو الحال مع العلاقة الخطية (ص = م س + ج) ، والتي يمكن التعبير عنها بالثابتين م (المنحدر) و ج (الإعتراض). لقد حددنا بالفعل الثابت بالفعل أ - هو الخامسالأعلى. ثابت ب أكثر تعقيدًا بعض الشيء ، حيث إن القيمة على المحور x هي التي تعطي نصف القيمة القصوى لـ y. في علم الإنزيمات نشير إلى هذا باسم ثابت ميكايليس (K.م), والذي يُعرَّف بأنه تركيز الركيزة الذي يعطي سرعة نصف قصوى.

معادلتنا النهائية ، وعادة ما تسمى معادلة ميكايليس مينتين، يصبح بالتالي:

في عام 1913 ، أظهر ليونور ميكايليس ومود مينتين لأول مرة أنه كان من الممكن في الواقع اشتقاق هذه المعادلة رياضيًا من المبادئ الأولى ، مع بعض الافتراضات البسيطة حول الطريقة التي يتفاعل بها الإنزيم مع الركيزة لتشكيل منتج. يتمثل محور اشتقاقها في مفهوم أن التفاعل يحدث من خلال تكوين معقد ES والذي ، بمجرد تكوينه ، يمكن إما أن ينفصل (بشكل منتج) لتحرير المنتج ، أو ينفصل في الاتجاه العكسي دون أي تكوين للمنتج. وهكذا يمكن تمثيل التفاعل على النحو التالي ، مع ك1، ك−1و ك2 كونها ثوابت المعدل لخطوات التفاعل الثلاث الفردية:

يتطلب اشتقاق ميكايليس مينتن افتراضين مهمين. الافتراض الأول هو أننا ندرس السرعة الابتدائية للتفاعل (الخامس0) ، عندما يكون تركيز المنتج صغيرًا بشكل مهم (أي [S] ≫ [P]) ، بحيث يمكننا تجاهل إمكانية عودة أي منتج إلى الركيزة. الافتراض الثاني هو أن تركيز الركيزة يتجاوز إلى حد كبير تركيز الإنزيم (أي [S] ≫ [E]).

يبدأ الاشتقاق بمعادلة للتعبير عن المعدل الأولي ، معدل تكوين المنتج ، مثل المعدل الذي ينفصل به المركب ES لتشكيل المنتج. هذا يعتمد على معدل ثابت ك2وتركيز المركب ES على النحو التالي:

نظرًا لأن ES هو وسيط ، فإن تركيزه غير معروف ، لكن يمكننا التعبير عنه من حيث القيم المعروفة. في حالة تقريب الحالة المستقرة يمكننا أن نفترض أنه على الرغم من تغير تركيز الركيزة والمنتج ، فإن تركيز المركب ES نفسه يظل ثابتًا.

يجب أن يتوازن معدل تكوين مجمع ES ومعدل تفككه ، حيث:

معدل التكوين ES المركب = معدل الانهيار المركب ES

يمكن إعادة ترتيب المعادلة للحصول على [ES] على النحو التالي:

ثابت ميكايليس كم يمكن تعريفها على النحو التالي:

يمكن بعد ذلك تبسيط المعادلة [ES] إلى:

نظرًا لأن تركيز الركيزة يتجاوز إلى حد كبير تركيز الإنزيم (أي [S] ≫ [E]) ، فإن تركيز الركيزة غير المجمعة [S] يساوي تقريبًا إجمالي تركيز الركيزة. تركيز الإنزيم غير المنضم [E] يساوي تركيز الانزيم الكلي [E]تيناقص التي تتحد مع الركيزة [ES]. إن إدخال هذه المصطلحات في المعادلة أعلاه وحل ES يعطينا ما يلي:

يمكننا بعد ذلك إدخال هذا المصطلح لـ [ES] في معادلة السرعة الأولية أعلاه للحصول على:

المصطلح k2[E]تي في الواقع يمثل Vالأعلى، السرعة القصوى. وهكذا تمكن ميكايليس ومينتن من اشتقاق معادلتهما النهائية على النحو التالي:

تم تحديد ثوابت Michaelis للعديد من الإنزيمات الشائعة الاستخدام ، وعادةً ما تكون في النطاق الملي مولاري الأدنى (الجدول 6.5). وتجدر الإشارة إلى أن الإنزيمات التي تحفز نفس التفاعل ، ولكنها مشتقة من كائنات مختلفة ، يمكن أن يكون لها اختلاف كبير كم القيم. علاوة على ذلك ، يمكن أن يكون الإنزيم الذي يحتوي على ركائز متعددة مختلفًا تمامًا كم قيم لكل ركيزة.

الجدول 6.5 النطاق النموذجي لقيم ثابت ميكايليس

منخفض كم تشير القيمة إلى أن الإنزيم لا يتطلب سوى كمية صغيرة من الركيزة حتى يصبح مشبعًا.لذلك يتم الوصول إلى السرعة القصوى بتركيزات منخفضة نسبيًا من الركيزة. عالية كم تشير القيمة إلى الحاجة إلى تركيزات عالية من الركيزة من أجل تحقيق أقصى سرعة رد فعل. وهكذا نشير عموما إلى كم كمقياس لمدى تقارب الإنزيم مع ركائزه- في الحقيقة هو مقياس عكسي ، أين عالية كم يشير تقارب منخفض والعكس صحيح.

ال كم تخبرنا القيمة بالعديد من الأشياء المهمة حول إنزيم معين:

  1. انزيم منخفض كممن المحتمل دائمًا أن تكون القيمة المتعلقة بالتركيز الفسيولوجي للركيزة مشبعة بالركيزة ، وبالتالي ستعمل بمعدل ثابت ، بغض النظر عن الاختلافات في تركيز الركيزة ضمن النطاق الفسيولوجي.
  2. انزيم عالي كملن تكون القيمة المتعلقة بالتركيز الفسيولوجي للركيزة مشبعة بالركيزة ، وبالتالي سيختلف نشاطها وفقًا لتركيز الركيزة ، وبالتالي فإن معدل تكوين المنتج سيعتمد على توفر الركيزة.
  3. إذا كان الإنزيم يعمل على عدة ركائز ، فإن الركيزة ذات الأقل كمغالبًا ما يُفترض أن تكون القيمة هي الركيزة "الطبيعية" للإنزيم ، على الرغم من أن هذا قد لا يكون صحيحًا في جميع الحالات.
  4. إذا كان هناك إنزيمان (مع نفس الخامسالأعلى) في مسارات التمثيل الغذائي المختلفة تتنافس على نفس الركيزة ، ثم إذا عرفنا كم قيم الإنزيمين يمكننا التنبؤ بالنشاط النسبي للمسارين. في الأساس المسار الذي يحتوي على الإنزيم مع الجزء السفلي كممن المرجح أن تكون القيمة "المسار المفضل" ، وسيتدفق المزيد من الركيزة عبر هذا المسار في ظل معظم الظروف. على سبيل المثال ، فسفوفركتوكيناز (PFK) هو الإنزيم الذي يحفز الخطوة الأولى الملتزمة في مسار التحلل ، والذي يولد طاقة في شكل ATP للخلية ، بينما الجلوكوز -1 فوسفات uridylyltransferase (GUT) هو إنزيم مبكر في المسار مما يؤدي إلى تخليق الجليكوجين (جزيء تخزين الطاقة). يستخدم كلا الإنزيمين أحادي الفوسفات الهكسوز كركائز ، ولكن كممن PFK لركائزها أقل من تلك الموجودة في GUT لركائزها. وبالتالي في تركيزات الفوسفات الخلوية المنخفضة ، سيكون PFK نشطًا وستكون القناة الهضمية غير نشطة إلى حد كبير. عند تركيزات الفوسفات عالية السداسيوز ، سيكون كلا المسارين نشطين. هذا يعني أن الخلايا تخزن الجليكوجين فقط في أوقات الوفرة ، وتعطي الأفضلية دائمًا لمسار إنتاج ATP ، وهي الوظيفة الأكثر أهمية.

في كثير من الأحيان لا يمكن تقديرها كم قيم من مخطط مباشر للسرعة مقابل تركيز الركيزة (كما هو موضح في الشكل 6.6) لأننا لم نستخدم تركيزات عالية بما يكفي من الركيزة للاقتراب حتى من تقدير السرعة القصوى ، وبالتالي لا يمكننا تقييم السرعة نصف القصوى وبالتالي كم. لحسن الحظ ، يمكننا رسم بياناتنا التجريبية بطريقة مختلفة قليلاً من أجل الحصول على هذه القيم. البديل الأكثر شيوعًا هو مخطط Lineweaver-Burk (غالبًا ما يطلق عليه مؤامرة مزدوجة التبادلية). هذه المؤامرة تجعل العلاقة المنحنية الزائدية خطية ، ويسهل استقراء الخط الناتج ، مما يسمح بتقييم الخامسالأعلىو كم.

على سبيل المثال ، إذا حصلنا على أول سبع نقاط بيانات فقط في الشكل 6.6 ، فسنواجه صعوبة في التقدير الخامسالأعلى من قطعة أرض مباشرة كما هو موضح في الشكل 6.7 أ. ومع ذلك ، كما هو مبين في الشكل 6.7 ب ، إذا تم رسم هذه النقاط السبع على رسم بياني 1 / السرعة مقابل 1 / تركيز الركيزة (أي مؤامرة مزدوجة متبادلة) ، تكون البيانات خطية ، ويمكن استقراء الخط بسهولة إلى على اليسار لتوفير اعتراضات على كل من المحور الصادي والمحور
المحور السيني ، منه الخامسالأعلى و كم، على التوالي ، يمكن تقييمها.

الشكل 6.7 حركية ميكايليس مينتون. (أ) مؤامرة البيانات المباشرة (ب) مؤامرة Lineweaver-Burk لنفس البيانات الحركية.

أحد العوائق العملية الهامة لاستخدام مخطط Lineweaver-Burk هو التأثير المفرط الذي تعطيه للقياسات التي يتم إجراؤها عند أدنى تركيزات الركيزة. قد تكون هذه التركيزات هي الأكثر عرضة للخطأ (بسبب الصعوبات في إجراء تخفيفات متعددة) ، وتؤدي إلى معدلات تفاعل قد تكون أيضًا ، لأنها بطيئة ، أكثر عرضة لخطأ القياس. في كثير من الأحيان ، كما هو موضح في الشكل 8 ، فإن مثل هذه النقاط عند تحويلها في مخطط Lineweaver-Burk يكون لها تأثير كبير على الخط الأفضل ملاءمة المقدرة من البيانات ، وبالتالي على القيم المستنبطة لكليهما الخامسالأعلى و كم. مجموعتا النقاط الموضحتان في الشكل 8 متطابقتان باستثناء النقطة المفردة في أعلى اليمين ، والتي تعكس (بسبب طبيعة المؤامرة المزدوجة المتبادلة) نقطة واحدة مشتقة من تركيز ركيزة منخفض للغاية ومعدل رد فعل منخفض. ومع ذلك ، يمكن أن يكون لهذه النقطة المفردة تأثير هائل على الخط الأنسب والتقديرات المصاحبة للثوابت الحركية.

الشكل 6.8 مخطط Lineweaver-Burk لبيانات حركية مماثلة ، والتي تختلف فقط في نقطة بيانات واحدة (نقطة البيانات النهائية (أ) 1 / v 0.03 عند 1 / S من 0.2 و (ب) 1 / v 0.031 عند 1 / S من 0.18).

في الواقع ، هناك مخططات حركية أخرى يمكن استخدامها ، بما في ذلك مؤامرة إيدي-هوفستي ، ومؤامرة هانس ومخطط إيزينثال-كورنيش-بودين ، وهي أقل عرضة لمثل هذه المشاكل. في الواجب المنزلي الخاص بحركية الإنزيم ، ستختبر هذه الأنواع الأخرى من تقنيات الخطية.

العودة إلى الصدارة

6.6 تتأثر الإنزيمات بالرقم الهيدروجيني ودرجة الحرارة

العوامل البيئية المختلفة قادرة على التأثير على معدل التفاعلات المحفزة بالإنزيم من خلال تغييرات قابلة للعكس أو لا رجعة فيها في بنية البروتين. إن تأثيرات الأس الهيدروجيني ودرجة الحرارة مفهومة جيدًا بشكل عام.
تحتوي معظم الإنزيمات على درجة حموضة مثالية مميزة تكون عندها سرعة التفاعل المحفز القصوى ، وفوق وتحت تنخفض السرعة (الشكل 6.9).

الشكل 6.9 ملف تعريف الأس الهيدروجيني لـ β-Glucosidase.

يعتمد ملف تعريف الأس الهيدروجيني على عدد من العوامل. مع تغير الأس الهيدروجيني ، يمكن أن يتغير تأين المجموعات في كل من موقع الإنزيم النشط وعلى الركيزة ، مما يؤثر على معدل ارتباط الركيزة بالموقع النشط. غالبًا ما تكون هذه التأثيرات قابلة للعكس. على سبيل المثال ، إذا أخذنا إنزيمًا بدرجة حموضة مثالية (pHيختار، يقرر) من 7.0 ووضعه في بيئة عند درجة الحموضة 6.0 أو 8.0 ، قد تكون خصائص شحن الإنزيم والركيزة دون المستوى الأمثل ، بحيث يتم تقليل الارتباط وبالتالي معدل التفاعل. إذا قمنا بعد ذلك بإعادة ضبط الأس الهيدروجيني إلى 7.0 ، فغالبًا ما يتم استعادة خصائص الشحن المثلى وبالتالي النشاط الأقصى للإنزيم.

ومع ذلك ، إذا وضعنا الإنزيم في بيئة حمضية أو قلوية أكثر تطرفًا (على سبيل المثال عند درجة الحموضة 1 أو 14) ، على الرغم من أن هذه الظروف قد لا تؤدي في الواقع إلى تغييرات في التركيب التساهمي المستقر جدًا للبروتين & # 8217 s البنية الأولية (أي تكوينه ) ، فإنها قد تُحدث تغييرات في شكل (شكل) البروتين بحيث ، عند إعادته إلى درجة الحموضة 7.0 ، لا يتم استعادة التكوين الأصلي وبالتالي النشاط التحفيزي الكامل للإنزيم. وتجدر الإشارة إلى أن درجة الحموضة المثلى للإنزيم قد لا تكون مطابقة لتلك الموجودة في محيطه الطبيعي داخل الخلايا. يشير هذا إلى أن الرقم الهيدروجيني المحلي يمكن أن يمارس تأثيرًا مسيطرًا على نشاط الإنزيم.

تعتبر تأثيرات درجة الحرارة على نشاط الإنزيم معقدة للغاية ، ويمكن اعتبارها قوتين تعملان في وقت واحد ولكن في اتجاهين متعاكسين. مع ارتفاع درجة الحرارة ، يزداد معدل الحركة الجزيئية وبالتالي معدل التفاعل ، ولكن في نفس الوقت يحدث تعطيل تدريجي بسبب تمسخ البروتين الإنزيم. يصبح هذا أكثر وضوحًا مع زيادة درجة الحرارة ، بحيث تكون درجة الحرارة الظاهرة مثلى (Tيختار، يقرر) (الشكل 6.10).

الشكل 6.10 تأثير درجة الحرارة على نشاط الانزيم.

يعتمد التمسخ الحراري على الوقت ، وبالنسبة إلى الإنزيم ، فإن مصطلح "درجة الحرارة المثلى" ليس له معنى حقيقي يذكر إلا إذا تم تسجيل مدة التعرض لدرجة الحرارة هذه. يمكن تحديد الثبات الحراري للإنزيم عن طريق تعريض البروتين أولاً لمجموعة من درجات الحرارة لفترة زمنية محددة ، ثم قياس نشاطه بعد ذلك عند درجة حرارة مناسبة واحدة (على سبيل المثال 25 درجة مئوية).

تختلف درجة الحرارة التي يصبح عندها التمسخ مهمًا من إنزيم إلى آخر. عادة لا تكاد تذكر تحت 30 درجة مئوية ، وتبدأ في أن تصبح ملحوظة فوق 40 درجة مئوية. عادةً ما تُظهر الإنزيمات المشتقة من المصادر الميكروبية ثباتًا حراريًا أعلى بكثير من تلك الموجودة في مصادر الثدييات ، والإنزيمات المشتقة من الكائنات الدقيقة شديدة الحرارة ، مثل الثرموليسين (بروتياز من Bacillus thermoproteolyticus) و Taq polymerase (بوليميريز DNA من Thermus aquaticus) ، قد يكون مستقرًا للحرارة تمامًا عند 70 درجة مئوية ولا يزال يحتفظ بمستويات كبيرة من النشاط حتى عند 100 درجة مئوية.

العودة إلى الصدارة

6.7 الإنزيمات حساسة للمثبطات

تُعرف المواد التي تقلل من نشاط تفاعل محفز بالإنزيم بالمثبطات. يتصرفون إما بشكل مباشر أو غير مباشر عن طريق التأثير على الخصائص التحفيزية للموقع النشط. يمكن أن تكون المثبطات غريبة على الخلية أو مكوناتها الطبيعية. يمكن أن يمثل هؤلاء في الفئة الأخيرة عنصرًا مهمًا في تنظيم التمثيل الغذائي للخلايا. تعمل العديد من السموم والعديد من العوامل النشطة دوائيًا (كل من الأدوية غير القانونية والأدوية التي تصرف بوصفة طبية والأدوية التي تُصرف دون وصفة طبية) عن طريق تثبيط عمليات تحفيز إنزيم معينة.

تثبيط عكسي

يتم تصنيف المثبطات على أنها مثبطات عكوسة عندما ترتبط بشكل عكسي بالإنزيم. قد يكون الجزيء المشابه من الناحية الهيكلية للركيزة العادية قادرًا على الارتباط بشكل عكسي بالموقع النشط للإنزيم ، وبالتالي يكون بمثابة مثبط تنافسي. (الشكل 6.11) على سبيل المثال ، malonate هو مثبط تنافسي لإنزيم نازعة هيدروجين إنزيم ، لأنه قادر على الارتباط بالموقع النشط للإنزيم بسبب تشابهه الهيكلي الوثيق مع الركيزة الطبيعية للإنزيم ، السكسينات (انظر أدناه). عندما يحتل malonate الموقع النشط لنزعة هيدروجين السكسينات فإنه يمنع الركيزة الطبيعية ، السكسينات ، من الارتباط ، وبالتالي إبطاء معدل أكسدة السكسينات إلى الفومارات (أي تثبيط التفاعل).

تتمثل إحدى خصائص المثبطات التنافسية في أنه يمكن إزاحتها من الموقع النشط إذا تم استخدام تركيزات عالية من الركيزة ، وبالتالي استعادة نشاط الإنزيم. وبالتالي تزيد المثبطات التنافسية من كم من التفاعل لأنها تزيد من تركيز الركيزة المطلوبة لتشبع الإنزيم. ومع ذلك ، فإنها لا تتغير الخامسالأعلى بحد ذاتها.

في حالة بعض الإنزيمات ، يمكن أن تكون التركيزات العالية من الركيزة أو المنتج مثبطة. على سبيل المثال ، ينخفض ​​نشاط إنفرتيز بشكل كبير في وجود تركيزات عالية من السكروز (ركائزته) ، في حين أن β-galactosidase من رشاشيات النيجر يمنع بشدة الجالاكتوز (منتجها). تعتبر منتجات تفاعل الإنزيم من أكثر المثبطات التنافسية شيوعًا.

الشكل 6.11 منع المنافسة. يحدث التثبيط التنافسي عندما ترتبط كل من الركيزة (S) والمثبط (I) بنفس الموقع على الإنزيم. في الواقع ، هم يتنافسون على الموقع النشط ويرتبطون بطريقة حصرية بشكل متبادل.

توجد أيضًا أنواع أخرى من المثبطات القابلة للانعكاس. مثبطات غير تنافسية تتفاعل مع الإنزيم في موقع متميز عن الموقع النشط. لذلك ، فإن ارتباط المثبط لا يمنع فعليًا موقع ربط الركيزة ، ولكنه يمنع التفاعل اللاحق. معظم المثبطات غير التنافسية غير مرتبطة كيميائياً بالركيزة ، ولا يمكن التغلب على تثبيطها عن طريق زيادة تركيز الركيزة. تعمل هذه المثبطات على تقليل تركيز الإنزيم النشط في المحلول ، وبالتالي تقليل الخامسالأعلىمن رد الفعل. ومع ذلك ، فإنها لا تغير من قيمة كم.

الشكل 6.12 تثبيط غير تنافسي. يحدث التثبيط اللا تنافسي عندما يرتبط المثبط (I) بالإنزيم في موقع بعيد عن موقع الركيزة. في الواقع ، يغير المانع غير التنافسي تشكيل الإنزيم ، بحيث يكون قد قلل أو حد من وظيفته كمحفز.

تثبيط غير تنافسي نادرًا ما يحدث عندما يكون المانع قادرًا على الارتباط بالإنزيم بمجرد ارتباط جزيء الركيزة نفسه. على هذا النحو ، يكون التثبيط أكثر أهمية عند تركيزات عالية من الركيزة ، وينتج عنه انخفاض في الخامسالأعلى من رد الفعل. يؤدي التثبيط غير التنافسي أيضًا إلى انخفاض كم, وهو ما يبدو غير بديهي إلى حد ما لأن هذا يعني أن تقارب الإنزيم مع ركائزه يزداد بالفعل عند وجود المانع. يحدث هذا التأثير لأن ارتباط المثبط بمركب ES يزيل بشكل فعال مركب ES وبالتالي يؤثر على التوازن الكلي للتفاعل لصالح تكوين المركب ES. ومن الجدير بالذكر أنه منذ ذلك الحين على حد سواء الخامسالأعلى و كم يتم تقليل معدلات التفاعل الملحوظة مع وجود المانع دائمًا أقل من تلك في حالة عدم وجود المانع غير التنافسي.

الشكل 6.13 تثبيط غير تنافسي. في التثبيط غير التنافسي ، يرتبط المانع بمركب ES للتفاعل ويمنع قدرة الإنزيم & # 8217s على إكمال التفاعل.

يمكن التعرف بسهولة على تأثيرات المثبطات القابلة للعكس باستخدام مخطط Lineweaver-Burk كما هو موضح في الشكل 6.14.

الشكل 6.14 قطع Lineweaver-Burk لمثبطات عكسية. تظهر ملامح الإنزيم غير المقيدة باللون الأحمر ، بينما تظهر التفاعلات التي توجد فيها المثبطات بشكل متزايد باللون الأخضر. (أ) التثبيط التنافسي ، (ب) التثبيط غير التنافسي ، و (ج) التثبيط غير التنافسي.

مثبطات وسموم لا رجعة فيها

إذا ارتبط أحد المثبطات بشكل دائم بإنزيم ، فإنه يُعرف باسم مثبط لا رجعة فيه. ترتبط العديد من المثبطات التي لا رجعة فيها بشكل تساهمي بالأنزيمات التي تثبطها مما يتسبب في تغيير بنيتها بشكل دائم. وبالتالي ، فإن العديد من المثبطات التي لا رجعة فيها هي بالتالي سموم قوية.

تمنع مركبات الفوسفور العضوي مثل ثنائي أيزوبروبيل فلوروفوسفات (DFP) نشاط أستيل كولينستراز عن طريق التفاعل تساهميًا مع بقايا سيرين مهمة موجودة داخل الموقع النشط للإنزيم. التأثير الفسيولوجي لهذا التثبيط هو التداخل مع تعطيل الناقل العصبي في نقاط الاشتباك العصبي ، مما يؤدي إلى الانتشار المستمر للنبضات العصبية ، والتي يمكن أن تسبب تشنجات عضلية وتؤدي إلى الموت. تم تقييم DFP في الأصل من قبل البريطانيين كعامل حرب كيميائية خلال الحرب العالمية الثانية ، وتستخدم الآن الإصدارات المعدلة من هذا المركب على نطاق واسع كمبيدات حشرية من الفوسفات العضوي ، بما في ذلك الباراثيون والملاثيون (الشكل 6.15). والجدير بالذكر أن DFP هو أيضًا مثبط قوي لإنزيم البروتياز من فيروس Herpes Simplex وقد تم استخدامه لدراسة ديناميات الموقع النشط لهذا البروتين (الشكل 6.15). العديد من الأدوية تعمل أيضًا مثبطات لا رجعة فيها ، بما في ذلك المضادات الحيوية بيتا لاكتام مثل البنسلين.

الشكل 6.15 الفوسفات العضوي عبارة عن مثبطات لا رجعة فيها. (أ) هيكل ثنائي أيزوبروبيل فلوروفوسفات (DFP) ، مالاثيون وباراثيون ، (ب) تثبيط لا رجعة فيه للإنزيمات بواسطة DFP من خلال التعديل التساهمي لبقايا سيرين موقع نشط ، و (C) التركيب البلوري لبروتياز / مثبط فيروس الهربس البسيط (DFP) ) مركب. خضع سيرين الموقع النشط (الأصفر) للفسفونية مما أدى إلى تثبيط لا رجعة فيه. تم تقديمه من PDB 1AT3.

العودة إلى الصدارة

6.8 المنظمين الخيفي والتحكم في نشاط الإنزيم

بعد قضاء بعض الوقت في التعرف على حركية الإنزيم والعلاقة بين ميكايليس ومينتن ، غالبًا ما يكون من المقلق للغاية أن نجد أن بعض الإنزيمات الأكثر أهمية لا تعرض في الواقع مثل هذه الخصائص. إنزيمات Allosteric هي إنزيمات تنظيمية رئيسية تتحكم في أنشطة المسارات الأيضية من خلال الاستجابة للمثبطات والمنشطات. تظهر هذه الإنزيمات في الواقع علاقة سينية (على شكل حرف S) بين معدل التفاعل وتركيز الركيزة (الشكل 6.16) ، بدلاً من العلاقة الزائدية المعتادة. وبالتالي ، بالنسبة للأنزيمات الخيفية ، هناك منطقة يكون نشاطها أقل من نشاط إنزيم "طبيعي" مكافئ ، وأيضًا منطقة يكون نشاطها أعلى من نشاط إنزيم "طبيعي" مكافئ ، مع انتقال سريع بين هاتين المرحلتين. هذا يشبه إلى حد ما مفتاح يمكن تغييره بسرعة من "إيقاف" (نشاط منخفض) إلى "تشغيل" (نشاط كامل).

الشكل 6.16 لمحات النشاط / الركيزة للأنزيمات الخيفية (الدوائر المفتوحة) والأنزيمات غير الخيفية (الدوائر الصلبة) التي لها نفس التقارب والسرعة القصوى.

معظم الإنزيمات الخيفية هي بوليمرية - أي أنها تتكون من سلسلتين على الأقل (وغالبًا أكثر بكثير) من سلاسل البولي ببتيد الفردية. لديهم أيضًا العديد من المواقع النشطة حيث يمكن أن ترتبط الركيزة. يأتي الكثير من فهمنا لوظيفة الإنزيمات الخيفية من دراسات الهيموجلوبين (Hb) الذي ، على الرغم من أنه ليس إنزيمًا ، يربط الأكسجين بطريقة تعاونية مماثلة وبالتالي يوضح أيضًا هذه العلاقة السينية. تمتلك إنزيمات Allosteric تقاربًا منخفضًا في البداية للركيزة ، ولكن عندما يرتبط جزيء ركيزة واحد ، فقد يؤدي ذلك إلى كسر بعض الروابط داخل الإنزيم وبالتالي تغيير شكل البروتين بحيث تكون المواقع النشطة المتبقية قادرة على الارتباط بتقارب أعلى. لذلك غالبًا ما توصف الإنزيمات الخيفية بأنها تتحرك من أ حالة متوترة أو تي الدولة (تقارب منخفض) لا يرتبط فيه أي ركيزة ، بـ a حالة استرخاء أو R- الدولة (تقارب عالٍ) حيث ترتبط الركيزة. يمكن أن ترتبط الجزيئات الأخرى أيضًا بالإنزيمات الخيفية ، في مواقع تنظيمية إضافية (أي ليس في الموقع النشط). تعمل الجزيئات التي تثبت البروتين في حالته T كمثبطات خيفية ، في حين أن الجزيئات التي تنقل البروتين إلى حالته R ستعمل كمنشطات أو محفزات خيفية.

الهيموغلوبين هو بروتين رباعي يتكون من وحدتين ألفا ووحدتين فرعيتين بيتا. إنه متماثل مع بروتين أحادي المرتبط بالأكسجين ، الميوغلوبين. كما هو موضح في الشكل 6.17 ، يعطي ارتباط الأكسجين بالميوجلوبين ملفًا جانبيًا زائديًا قياسيًا ، بينما يُظهر الهيموجلوبين ارتباطًا بالأكسجين السيني. يشير المظهر الحركي السيني للهيموجلوبين إلى ارتباط الأكسجين تعاوني أو أن ارتباط الأكسجين بوحدة فرعية واحدة يزيد من احتمال ارتباط الأكسجين بوحدة فرعية أخرى.

الشكل 6.17 مقارنة بين هياكل الميوغلوبين (أ) والهيموغلوبين (ب) و (ج) الخواص الحركية الملزمة بالأكسجين.

ال نموذج منسق المعروف أيضًا باسم نموذج التناظر، من الهيموجلوبين لشرح التعاونفي ارتباط الأكسجين وكذلك تحولات البروتينات التي تتكون من وحدات فرعية متطابقة. يركز على حالتين من حالات الهيموغلوبين T و R. تكون الحالة T للهيموغلوبين أكثر توتراً كما هو الحال في شكل deoxyhemoglobin بينما تكون الحالة R للهيموغلوبين أكثر استرخاءً كما هي في شكل أوكسي هيموغلوبين. تكون الحالة T مقيدة بسبب تفاعلات الوحدة الفرعية بينما تكون الحالة R أكثر مرونة نظرًا لقدرة الارتباط بالأكسجين.يتمثل الاختلاف في deoxyhemoglobin و oxyhemoglobin في أن النموذج & # 8220deoxy & # 8221 لا يحتوي & # 8217t على أكسجين وشكل & # 8220oxy & # 8221 مرتبط بدرجة عالية بالأكسجين. يزيد ارتباط الأكسجين في موقع واحد أو يسهل تقارب الارتباط في المواقع النشطة الأخرى. وهكذا ، لوحظ منحنى سيني لحركية ارتباط الهيموجلوبين بالأكسجين. كما هو موضح في الشكل 6.18 ، في النموذج المنسق للهيموجلوبين ، فإنه يُظهر أن ارتباط الأكسجين الواحد بموقع نشط سيزيد من احتمال ارتباط الأكسجين الآخر بالمواقع النشطة الأخرى في الهيموجلوبين. تُعرف هذه القدرة باسم التعاون أو الارتباط التعاوني. بشكل عام ، يؤدي ارتباط الأكسجين بتحويل التوازن نحو الحالة R. هذا يعني أنه عند مستويات الأكسجين العالية ، سيكون الشكل R سائدًا وعند مستويات الأكسجين المنخفضة ، سيكون الشكل T سائدًا. تعمل المؤثرات الخيفية للهيموجلوبين ، مثل 2،3- بيسفوسفوجليسيرات (2،3-BPG) ، عن طريق تحويل التوازن نحو أو بعيدًا عن الحالة T ، اعتمادًا على ما إذا كان مثبطًا خيفيًا أو محفزًا خيفيًا. يعرض هذا النموذج الحالات القصوى من انتقالات R و T. في النظام الحقيقي ، هناك حاجة إلى خصائص من كلا النموذجين لشرح سلوك الهيموجلوبين.

الشكل 6.18 ديناميكيات ملزمة الأكسجين في الهيموجلوبين. كما هو مبين في (أ) أعلاه ، فإن الحالة المتوترة (T-state) للهيموجلوبين تكون مفضلة عندما يكون ارتباط الأكسجين منخفضًا. يتحول الرباعي من الحالة T إلى الحالة المسترخية (R-state) مع الارتباط بالأكسجين. في الواقع ، يؤدي ارتباط أكسجين واحد بوحدة فرعية واحدة إلى زيادة احتمالية ارتباط الأكسجين بالوحدات الفرعية الأخرى ، والمعروفة باسم التعاون. (ب) يوضح التمثيل البياني للهيموجلوبين (Hb) المرتبط بالأكسجين الذي ينتقل بين الحالة T و R- الحالة.

تأثير بوهر

تأثير بوهر هو ظاهرة فسيولوجية تم وصفها لأول مرة في عام 1904 من قبل عالم الفيزيولوجيا الدنماركي كريستيان بور: يرتبط ارتباط الهيموجلوبين بالأكسجين عكسيًا بالحموضة وتركيز ثاني أكسيد الكربون. يوضح الرسم البياني أدناه تأثير الأس الهيدروجيني على O2 ملزمة لـ Hb. الملاحظة التجريبية هي أنه عند pH 7.2 و 20 torr ، يكون O أكثر2 يتم تفريغها من الأس الهيدروجيني 7.6 (الشكل 6.19).

الشكل 6.19 يعتمد ارتباط الأكسجين بالهيموجلوبين على الرقم الهيدروجيني.

للتفكير في أساس تأثير الأس الهيدروجيني هذا ، تذكر ثلاثة عوامل مهمة: (1) ثاني أكسيد الكربون2/ HCO3 & # 8211 موجودة في حالة توازن داخل الأنظمة البيولوجية ويمكن أن تؤثر على الرقم الهيدروجيني الكلي ، (2) deoxyHb قاعدة أقوى من O2• الهيموغلوبين ، و (3) في خلايا الدم الحمراء (كرات الدم الحمراء) ، يوجد إنزيم يسمى الأنهيدراز الكربوني ، والذي يحفز ترطيب ثاني أكسيد الكربون2 عن طريق الماء لتشكيل HCO3 – .


يمكن استخدام المعادلات أعلاه لوصف كيفية زيادة الهيموغلوبين لتفريغ O2 في الأنسجة وتفريغ ثاني أكسيد الكربون2 في الرئتين.

المثال الأول:في العضلات أثناء التمرين ، يتحول الجلوكوز إلى ثاني أكسيد الكربون2. شركة CO2 ثم ينتشر إلى الشعيرات الدموية وكرات الدم الحمراء ويتوازن مع H + و HCO3 & # 8211. تعمل بعض السلاسل الجانبية لـ Hb كمخزن مؤقت. يرتبط H + s بـ deoxyHb وبالتالي يحول التوازن إلى اليمين ، ويطلق المزيد من O2.

المثال الثاني: يتم نقل deoxyHb عبر الدورة الدموية إلى الرئتين حيث يلتقط O2. ا2 ينقل التوازن إلى اليسار لتوليد H +. ثم تتفاعل البروتونات مع HCO3 & # 8211 لتوليد أول أكسيد الكربون2 و ح2O. The CO2 يتم الزفير.

بشكل عام ، يُظهر تحليل النشاط البيولوجي للهيموجلوبين أن تنظيم نشاط بروتين واحد & # 8217s معقد ويمكن أن يختلف في مواقع مختلفة داخل الجسم أو عند التعرض لمؤثرات خيفية.

العودة إلى الصدارة

6.9 أصل الإنزيمات وتنقيتها واستخداماتها

الإنزيمات موجودة في كل مكان

تعتبر الإنزيمات من المكونات الأساسية للحيوانات والنباتات والكائنات الحية الدقيقة ، نظرًا لأنها تحفز وتنسق التفاعلات المعقدة لعملية التمثيل الغذائي الخلوي. حتى سبعينيات القرن الماضي ، كانت معظم التطبيقات التجارية للإنزيمات تتضمن مصادر حيوانية ونباتية. في ذلك الوقت ، كانت الإنزيمات السائبة تُستخدم بشكل عام فقط في صناعة معالجة الأغذية ، وكان يُفضل الإنزيمات من الحيوانات والنباتات ، حيث كان يُنظر إليها على أنها خالية من مشاكل السمية والتلوث المرتبطة بإنزيمات
أصل جرثومي. ومع ذلك ، مع نمو الطلب وتطور تكنولوجيا التخمير ، تم التعرف على التكلفة التنافسية للإنزيمات الميكروبية وأصبحت مستخدمة على نطاق أوسع. بالمقارنة مع الإنزيمات من المصادر النباتية والحيوانية ، تتمتع الإنزيمات الميكروبية بمزايا اقتصادية وتقنية وأخلاقية ، والتي سيتم تحديدها الآن.

المزايا الاقتصادية

إن الكمية الهائلة من الإنزيم التي يمكن إنتاجها في غضون فترة زمنية قصيرة ، وفي منشأة إنتاج صغيرة ، تفضل بشكل كبير استخدام الكائنات الحية الدقيقة. على سبيل المثال ، أثناء إنتاج رينين (إنزيم تخثر اللبن المستخدم في صناعة الجبن) ، فإن الطريقة التقليدية هي استخدام الإنزيم المستخرج من معدة العجل (بقرة صغيرة لا تزال تتغذى على حليب أمها). يبلغ متوسط ​​كمية المنفحة المستخرجة من معدة العجل 10 كجم ، ويستغرق إنتاج العجل عدة أشهر من الزراعة المكثفة. بالمقارنة ، يمكن لمخمر 1000 لتر من Bacillus subtilis المؤتلف أن ينتج 20 كجم من الإنزيم في غضون 12 ساعة. وبالتالي ، من الواضح أن المنتج الميكروبي مفضل اقتصاديًا ، وخالٍ من المشكلات الأخلاقية التي تحيط باستخدام الحيوانات. في الواقع ، معظم الجبن الذي يُباع الآن في السوبر ماركت مصنوع من الحليب المتخثر
مع الإنزيمات الميكروبية (لذلك فهو مناسب للنباتيين).

ميزة أخرى لاستخدام الإنزيمات الميكروبية هي سهولة استخلاصها. يتم إفراز العديد من الإنزيمات الميكروبية المستخدمة في عمليات التكنولوجيا الحيوية خارج الخلية ، مما يسهل بشكل كبير استخلاصها وتنقيتها. غالبًا ما يكون الحصول على الإنزيمات الميكروبية داخل الخلايا أسهل من الحصول على الإنزيمات الحيوانية أو النباتية المكافئة ، لأنها تتطلب عمومًا خطوات استخراج وتنقية أقل.

عادة ما تحتاج المصادر الحيوانية والنباتية إلى النقل إلى منشأة الاستخراج ، بينما عند استخدام الكائنات الحية الدقيقة ، يمكن استخدام نفس المرفق للإنتاج والاستخراج. بالإضافة إلى ذلك ، غالبًا ما توجد الإنزيمات الحيوانية والنباتية المهمة تجاريًا داخل عضو أو نسيج واحد فقط ، وبالتالي فإن المادة المتبقية هي في الأساس منتج نفايات ، مطلوب التخلص منها.

أخيرًا ، تُظهر الإنزيمات المأخوذة من المصادر النباتية والحيوانية تباينًا كبيرًا في المحصول ، وقد تكون متاحة فقط في أوقات معينة من العام ، بينما لا ترتبط أي من هذه المشكلات بالأنزيمات الميكروبية.

المزايا الفنية

غالبًا ما تحتوي الإنزيمات الميكروبية على خصائص تجعلها أكثر ملاءمة للاستغلال التجاري. بالمقارنة مع الإنزيمات من المصادر الحيوانية والنباتية ، عادة ما يكون ثبات الإنزيمات الميكروبية مرتفعًا. على سبيل المثال ، غالبًا ما يكون ثبات درجة الحرارة المرتفعة للأنزيمات من الكائنات الدقيقة المحبة للحرارة مفيدًا عندما يجب أن تعمل العملية في درجات حرارة عالية (على سبيل المثال أثناء معالجة النشا).

الكائنات الحية الدقيقة أيضًا قابلة للتعديل الجيني لإنتاج إنزيمات جديدة أو معدلة ، باستخدام طرق بسيطة نسبيًا مثل إدخال البلازميد. يعتبر التلاعب الجيني للحيوانات والنباتات أكثر صعوبة من الناحية الفنية ، وهو أكثر تكلفة ولا يزال موضوع اهتمام أخلاقي كبير.

قد تكون الإنزيمات داخل الخلايا أو خارجها

على الرغم من الاحتفاظ بالعديد من الإنزيمات داخل الخلية ، وقد تكون موجودة في مقصورات خلوية محددة ، يتم إطلاق البعض الآخر في البيئة المحيطة. غالبية الإنزيمات المستخدمة في الصناعة هي بروتينات خارج الخلية من أي من المصادر الفطرية (على سبيل المثال. فطر الرشاشيات الأنواع) أو المصادر البكتيرية (على سبيل المثال عصية محيط). ومن الأمثلة على ذلك α-amylase و cellulase و dextranase و proteases و amyloglucosidase. العديد من الإنزيمات الأخرى للاستخدام غير الصناعي موجودة داخل الخلايا وتنتجها الخلية بكميات أقل بكثير. ومن الأمثلة على ذلك أسباراجيناز ، كاتلاز ، كولسترول أوكسيديز ، جلوكوز أوكسيديز وجلوكوز 6 فوسفات ديهيدروجينيز.

تنقية الانزيم

يمكن تحديد نشاط الإنزيم بالنسبة إلى البروتين الكلي الموجود (أي النشاط المحدد) واستخدامه كمقياس لنقاء الإنزيم. يمكن استخدام مجموعة متنوعة من الطرق لإزالة المواد الملوثة من أجل تنقية الإنزيم (وتناقش بالتفصيل في الفصل 3). عادة ما يتم تحضير الإنزيمات المستخدمة ككواشف تشخيصية وفي العلاجات السريرية بدرجة عالية من النقاء ، لأنه يتم التركيز بشكل كبير على خصوصية التفاعل الذي يتم تحفيزه. من الواضح أنه كلما ارتفع مستوى التطهير ،
كلما زادت تكلفة إنتاج الإنزيم. في حالة العديد من الإنزيمات الصناعية السائبة تكون درجة التنقية أقل أهمية ، وغالبًا ما يتم بيع هذه الإنزيمات كمستحضرات خام جدًا من مرق الاستزراع الذي يحتوي على وسط النمو والكائنات الحية (الكاملة أو المجزأة) والإنزيمات ذات الأهمية. ومع ذلك ، حتى عند استخدام أرخص الإنزيمات السائبة (مثل البروتياز للاستخدام في مساحيق الغسيل) ، يمكن أن تساهم تكلفة الإنزيم بحوالي 5-10٪ من قيمة المنتج النهائي.

المعالجة الأولية

في نهاية عملية التخمير التي يتم فيها استزراع كائن حي دقيق غني بالإنزيم المطلوب ، يمكن تبريد المرق بسرعة إلى 5 درجات مئوية لمنع المزيد من النمو الميكروبي وتثبيت منتج الإنزيم. يمكن أيضًا تعديل الأس الهيدروجيني لتحسين استقرار الإنزيم. إذا كان الكائن الحي المنتج للإنزيم عبارة عن فطر ، فيمكن إزالته عن طريق الطرد المركزي بسرعة منخفضة. إذا كان مصدر الإنزيم بكتيريًا ، فغالبًا ما يتم خلط البكتيريا بكبريتات الألومنيوم أو كلوريد الكالسيوم ، مما يؤدي إلى إبطال الشحنة الموجودة على الأغشية البكتيرية ، مما يؤدي إلى تكتلها وبالتالي الخروج من المعلق.

علاج او معاملة

تم العثور على الإنزيمات خارج الخلية في المكون السائل لعملية المعالجة المسبقة. ومع ذلك ، تتطلب الإنزيمات داخل الخلايا علاجًا أكثر شمولاً. يمكن تركيز الكتلة الحيوية بالطرد المركزي وغسلها لإزالة المكونات المتوسطة. يجب بعد ذلك تمزق المكون الخلوي لتحرير محتوى الإنزيم. يمكن القيام بذلك باستخدام واحدة أو أكثر من العمليات التالية:
• طحن الكرة (باستخدام الخرز الزجاجي)
• الإزالة الأنزيمية لجدار الخلية
• دورات التجميد والذوبان
• قص السائل من خلال فتحة صغيرة عند ضغط مرتفع (على سبيل المثال ، داخل مكبس فرنسي)
• الصدمة التناضحية
• صوتنة.

قد ينطوي فصل الإنزيمات عن المحلول الناتج بعد ذلك على مجموعة متنوعة من الفصل
العمليات ، والتي غالبًا ما يتم استخدامها بطريقة متسلسلة ، كما هو موضح في الفصل 3.

الانتهاء من الانزيمات

تعتبر الإنزيمات من المستضدات ، ومنذ حدوث المشاكل في أواخر الستينيات عندما أظهر عمال التصنيع استجابات حساسية شديدة بعد استنشاق غبار الإنزيم ، تم الآن تنفيذ إجراءات لتقليل تكوين الغبار. يتضمن ذلك توفير الإنزيمات كسوائل كلما أمكن ذلك ، أو زيادة حجم جزيئات المساحيق الجافة من 10 ميكرومتر إلى 200-500 ميكرومتر بأيٍّ من التحبيب (خلط الإنزيم مع البولي إيثيلين جلايكول وإعداد كريات صغيرة عن طريق الانحلال) أو التذمر (خلط الإنزيم مع مادة رابطة وماء ، وبثق خيوط طويلة ، وتحويلها إلى كريات في مروميرايزر ، وتجفيفها وتغطيتها بـ
معطف شمعي).

العودة إلى الصدارة

6.10 الأنزيمات الصناعية

على الرغم من أن العديد من العمليات الصناعية ، مثل تصنيع الجبن ، قد استخدمت تقليديًا مصادر إنزيمات غير نقية ، غالبًا من الحيوانات أو النباتات ، فإن تطوير الكثير من الأنزيمات الصناعية الحديثة قد سار جنبًا إلى جنب مع الاستغلال التجاري للإنزيمات الميكروبية. تم إدخالها إلى الغرب في حوالي عام 1890 عندما استقر العالم الياباني جوكيتشي تاكامين في الولايات المتحدة وأنشأ مصنعًا للإنزيمات يعتمد على التكنولوجيا اليابانية. كان المنتج الرئيسي هو Takadiastase ، وهو خليط من amylolytic و بروتين
الإنزيمات المحضرة بزراعة الفطر Aspergillus oryzae على الأرز أو نخالة القمح. تم تسويق Takadiastase بنجاح في الولايات المتحدة كمساعد في الجهاز الهضمي لعلاج عسر الهضم ، والذي كان يعتقد بعد ذلك أنه ناتج عن عدم اكتمال هضم النشا.

تم تطوير الإنزيمات البكتيرية في فرنسا بواسطة August Boidin و Jean Effront ، الذين اكتشفوا ذلك في عام 1913 العصوية الرقيقة أنتجت إنزيم ألفا أميليز مستقر للحرارة عند نموه في وسط سائل مصنوع عن طريق استخلاص الشعير أو الحبوب. تم استخدام الإنزيم بشكل أساسي في صناعة النسيج لإزالة النشا الذي يحمي الالتواء في صناعة القطن.

في حوالي عام 1930 ، وجد أنه يمكن استخدام البكتينازات الفطرية في تحضير منتجات الفاكهة. في السنوات اللاحقة ، تم تطوير العديد من hydrolases وبيعه تجاريًا (مثل pectosanase ، cellulase ، lipase) ، لكن التكنولوجيا لا تزال بدائية إلى حد ما.

بعد الحرب العالمية الثانية ، خضعت صناعة التخمير لتطور سريع حيث تم تطوير طرق لإنتاج المضادات الحيوية. سرعان ما تم تكييف هذه الأساليب لإنتاج الإنزيمات. في الستينيات ، تم تقديم الجلوكومايلاز كوسيلة لتحليل النشا بالماء ، لتحل محل التحلل الحمضي. بعد ذلك ، في الستينيات والسبعينيات من القرن الماضي ، تم دمج البروتياز في المنظفات ثم تم إدخال إيزوميراز الجلوكوز لإنتاج عوامل تحلية في شكل شراب عالي الفركتوز. منذ تسعينيات القرن الماضي ، تم دمج الليباز في مساحيق الغسيل ، وتم تطوير مجموعة متنوعة من عمليات الإنزيم الثابت (انظر القسم الخاص بتثبيت الإنزيم) ، والتي يستخدم العديد منها إنزيمات داخل الخلايا.

حاليًا ، تُستخدم الإنزيمات في أربعة مجالات متميزة للتجارة والتكنولوجيا (الجدول 6):


المراجعة النهائية للكيمياء الحيوية WGU

يصور هذا السؤال الكروموسومات ويسأل عن الزوج الذي يمثل نمط وراثي وراثي صبغي جسدي متنحي. تم تصوير كل من الكروموسومات تحمل أليلًا من كل والد ، والذي تم تصويره بواسطة مربع أصفر أو أخضر. يمثل الصندوق الأخضر أليلًا عاديًا أو سائدًا ، بينما يمثل المربع الأصفر أليلًا متحورًا أو متنحيًا.
سيتم نقل سمة وراثي جسمي على كروموسوم مرقّم ويجب أن يكون لكلا الكروموسومات نفس العدد. سيتم نقل سمة مرتبطة بـ X على كروموسوم X. يسمح لنا هذا باستبعاد خياري الإجابة "أ" و "ب".

استجابة
يتم توريث الحالة المتنحية المرتبطة بـ X عندما يكون لدى الأنثى أليل متنحي على كل من كروموسوماتها X. يرث الذكور حالة متنحية مرتبطة بـ X إذا ورثوا أليلًا متنحيًا على كروموسوم X الوحيد لديهم. لذلك إذا كان لدى الأنثى أليل سائد (أو طبيعي) على أحد كروموسوماتها X ، فلن تكون مصابة بالمرض.
نظرًا لأن الرجال لديهم كروموسوم X واحد فقط ، فإنهم يميلون إلى وراثة الحالات المرتبطة بـ X بسهولة أكثر من الإناث.

الرجال المصابون بحالات متنحية مرتبطة بالكروموسوم X لا ينقلون المرض إلى أبنائهم ، لأنهم ينقلون الكروموسوم Y إلى أبنائهم. يمرر الرجال كروموسوم X لبناتهم.

استجابة
-إذا اخترت "Frameshift Mutation" ، فهذا غير صحيح. الأخطاء التي تزيد أو تقلل من عدد النيوكليوتيدات في الجين تسبب طفرات انزياح الإطارات. سيؤدي إدخال قاعدة إضافية أو إزالة إحدى القواعد إلى تغيير المجموعات المكونة من ثلاث قواعد التي يقرأها الريبوسوم عندما يترجم الرسالة. يُقال أن هذا "يحول" "إطار القراءة" من المجموعات الصحيحة المكونة من ثلاث قواعد إلى مجموعات مختلفة.

لتصور ماهية تغيير الإطارات ، تخيل أنه تم إعطاؤك سلسلة من الأحرف وطلب منك البدء من البداية وقراءة كل مجموعة من ثلاثة أحرف: CATDOGRATPIGAPE. ستحصل على & quot ؛ كلب فأر خنزير & quot؛ قرد & quot. ولكن إذا أضفنا حرفًا إضافيًا ، مثل CATDFOGRATPIGAPE ، متبعين & quot قراءة كل مجموعة من القواعد الثلاث & quot ، فسنحصل على & quotcat dfo gra tpi gap e & quot. إن تغيير "إطار القراءة" الخاص بنا عن طريق إضافة حرف آخر يغير تمامًا ما نقرأه. هذا مشابه لما يحدث مع طفرة تغير الإطارات.

-إذا اخترت "Missense Mutation" ، فهذا غير صحيح. تغيير نيوكليوتيد واحد في الحمض النووي (طفرة نقطية) يغير كودون في الرنا المرسال بحيث يرمز لحمض أميني مختلف ، ويغير حمض أميني واحد في تسلسل الأحماض الأمينية للبروتين. هذا يسمى طفرة مغلوطة. انظر الشكل 1-19 في نص الوحدة 1 لمزيد من المعلومات.

- إذا اخترت "طفرة غير منطقية" ، فهذا غير صحيح. إن تغيير النوكليوتيدات الفردي في الحمض النووي (الطفرة النقطية) الذي يغير كودون في الرنا المرسال من كودون للحمض الأميني إلى آخر يحدد إشارة STOP هو طفرة لا معنى لها. سينتهي البروتين قبل الأوان.


نقل الجزيئات عبر غشاء الخلية

توضح النقاط التالية العمليات الخمس المتضمنة في نقل الجزيئات عبر غشاء الخلية. العمليات هي: 1. الانتشار السلبي 2. الانتشار الميسر 3. النقل النشط 4. النقل الجماعي 5. النقل الأيوني عبر Ionophores.

العملية رقم 1. الانتشار السلبي:

عن طريق الانتشار السلبي ، تتحرك الجزيئات عبر الغشاء دون التفاعل مع أي بروتين حامل محدد في غشاء الخلية. تكون الحركة دائمًا من تركيز أعلى إلى تركيز أقل وتستمر هذه الحركة حتى يتماثل تركيز المذاب على جانبي الغشاء.

عند هذا التركيز ، يتم الوصول إلى التوازن. ومع ذلك ، إذا تم استهلاك الجزيء داخل الخلية ، تستمر الحركة إلى الداخل ، على سبيل المثال يتم استهلاك الأكسجين المنقول إلى الخلية باستمرار للتنفس ، أو ثاني أكسيد الكربون لعملية التمثيل الضوئي. عادة ما تكون الجزيئات التي يمكن أن تدخل إلى الخلايا عن طريق الانتشار السلبي صغيرة الحجم وغير قطبية بطبيعتها.

معالجة # 2. سهولة الانتشار:

تختلف عملية النقل هذه عن الانتشار السلبي في وجود متطلبات ناقل أو بروتين ناقل. توجد هذه البروتينات - المعروفة أيضًا باسم permeases - في الغشاء ويعتقد أنها تمتد عبر كامل عرض طبقة ثنائية الدهون.

تكون البروتينات الناقلة خاصة بنوع معين من الجزيئات ، أو في بعض الأحيان لمجموعة من الجزيئات وثيقة الصلة. تتمثل وظيفة الناقلات في ربط الجزيء القابل للنقل على جانب واحد من الغشاء وإطلاقه على الجانب الآخر. من المفترض أن هذه الوظيفة مرتبطة بالتغير التوافقي لجزيء البروتين الناقل.

هذا موضح بشكل تخطيطي في الشكل 8.81:

تم التعرف على ثلاثة أنواع من البروتينات الناقلة. هذه هي أحاديات النقل التي تنقل نوعًا واحدًا فقط من الجزيئات في اتجاه واحد ، إما من الخارج إلى الداخل أو في الاتجاه المعاكس. يمكن أن ينقل Symporters نوعين مختلفين من الجزيئات في نفس الاتجاه ، وتحمل مضادات الحمل جزيئين مختلفين في اتجاهين متعاكسين.

تظهر وظائف هذه الأنواع الثلاثة من الناقلات بشكل تخطيطي في الشكل 8.82:

تشبه بروتينات النقل الإنزيمات إلى حد ما. تُظهر كل من الناقلات والإنزيمات خصوصية أو انتقائية فيما يتعلق بنوع الجزيء أو مجموعة الجزيئات التي يمكن أن تتفاعل معها. أيضًا ، كلاهما يظهر حركيات التشبع مما يعني أنه من خلال الزيادة التدريجية في تركيز الجزيئات التي تتفاعل معها ، يتم الوصول إلى نقطة التشبع ، والتي بعد ذلك تؤدي الزيادة الإضافية إلى عدم زيادة السرعة. لكن هناك اختلاف واحد مهم. بينما تقوم الإنزيمات بتحويل جزيئات الركيزة إلى منتجات ، فإن البروتينات الناقلة تنقل الجزيئات دون تغيير عبر الغشاء.

حركية التشبع التي لوحظت في حالة الانتشار الميسر غائبة في الانتشار السلبي. في الانتشار السلبي ، يكون العامل الحاسم هو تدرج التركيز ويزداد معدل النقل مع الاختلاف في تركيزات الجزيئات المنقولة على جانبي الغشاء.

عند الوصول إلى التوازن ، تكون التركيزات هي نفسها على الجانبين. في حالة الانتشار الميسر ، تؤدي زيادة تركيز الجزيئات القابلة للنقل على جانب واحد من الغشاء أيضًا إلى زيادة معدل النقل ، حتى يتم تشبع جميع البروتينات الناقلة بهذه الجزيئات.

في هذه المرحلة ، يكون معدل الانتشار هو الحد الأقصى ويتم الحفاظ على هذا المعدل حتى تتساوى التركيزات على كلا الجانبين. وبالتالي ، من خلال كل من الانتشار السلبي والانتشار الميسر ، يكون التركيز النهائي هو نفسه. ولكن نظرًا لأن الانتشار الميسر هو عملية أسرع ، يتم الوصول إلى التوازن بسرعة أكبر.

يظهر هذا بشكل تخطيطي في الشكل 8.83:

معالجة # 3. النقل النشط:

يختلف النقل النشط لجزيئات المغذيات أساسًا عن عمليات الانتشار ، سواء كانت سلبية أو مُيسَّرة. في العملية النشطة ، يحدث النقل عبر الغشاء مقابل تدرج التركيز ، أي من تركيز أقل إلى تركيز أعلى للمذاب. يمكن أن يحدث هذا النقل فقط مع إنفاق الطاقة. بمعنى آخر ، يكون النقل النشط دائمًا عملية مستهلكة للطاقة (Endergonic). في النظم البيولوجية ، غالبًا ما يكون النقل النشط أكثر أهمية من عمليات الانتشار.

إن السبب الذي يجعل النقل النشط للجزيئات الذائبة من تركيز أقل إلى تركيز أعلى يتطلب مدخلات من الطاقة أمر مفهوم من مبادئ الديناميكا الحرارية. بسبب زيادة تركيز الجزيئات الذائبة في الخلية ، تزداد الطاقة الحرة (G) بسبب تناقص الانتروبيا (S).

يتم التعبير عن العلاقة بين التغيرات في الطاقة الحرة (∆G) والإنتروبيا بالمعادلة ، ∆G = ∆H & # 8211 T∆S ، حيث تمثل H المحتوى الحراري (إجمالي الطاقة للنظام) و T تعني درجة الحرارة المطلقة. مع زيادة التركيز في الخلية ، ينخفض ​​الانتروبيا لأن جزيئات الذائبة تقترب من بعضها البعض مما يؤدي إلى فقدانها لحرية الحركة.

العوامل الأخرى ، مثل H و T ، تبقى كما هي ، الانخفاض في S يعني زيادة في قيمة G أي الطاقة الحرة. وبالتالي ، يؤدي النقل النشط إلى اكتساب الطاقة الحرة (G). العملية التي تؤدي إلى زيادة الطاقة الحرة لا يمكن أن تحدث بشكل عفوي ويمكن أن تحدث فقط من خلال إدخال الطاقة. يتم توفير هذه الطاقة إما عن طريق التحلل المائي ATP أو عن طريق القوة الدافعة للبروتون (PMF) الناتجة عن التركيز غير المتكافئ للبروتونات (H +) على جانبي الغشاء.

يمكن حساب كمية الطاقة (المعبر عنها بالسعرات الحرارية) المطلوبة في النقل النشط باستخدام المعادلة AG = RT In C2/ ج1، حيث تمثل ∆G الاختلاف في الطاقة الحرة ، R ثابت الغاز (= 1.98) ، T درجة الحرارة معبرًا عنها بالحرارة المطلقة (273 + درجة مئوية) ، في اللوغاريتم الطبيعي (2.303 × لوغاريتم)10) ، ج2 تركيز المذاب داخل الخلية و Q تركيز المذاب في الخارج.

الآن ، في النقل النشط C2 أكبر من ج1 ومن ثم ، فإن العامل ج2/ ج1 هو دائما عدد صحيح موجب. هذا يعني أن ∆G لها قيمة موجبة. لا يمكن للنظام الذي يحتوي على موجب ∆G أن يعمل تلقائيًا. من المعادلة أعلاه ، كمية الطاقة المطلوبة لنقل 1 مول من المذاب غير المتأين عبر غشاء منفذ للجزيء المذاب ، من تركيز 0.001 م إلى 0.1 م عند درجة حرارة معينة ، لنقل 30 درجة مئوية ، يمكن حسابها

∆G = RT في C.2/ ج1 = 1.98 × (273 + 30) × 2.303 سجل (0.1 / 0.001)

بالنسبة للجزيئات المشحونة ، أي الأيونات والجذور ، يجب تعديل المعادلة أعلاه لاستيعاب تدرج آخر إلى جانب تدرج التركيز ، أي تدرج الجهد الكهربائي ، لأن الأخير يساهم أيضًا في تغيير الطاقة الحرة في النظام.

مثل الانتشار الميسر ، يتضمن النقل النشط أيضًا وساطة البروتينات الناقلة الموجودة في غشاء الخلية. من المفترض أن تعمل هذه البروتينات بنفس الطريقة التي تعمل بها تلك البروتينات المشاركة في الانتشار الميسر. بحكم انجذابهم العالي للمادة المذابة القابلة للنقل ، يتحدون معها ، وبالتالي يخضعون لتغييرات توافقية تفقد تقارب الجزيئات الذائبة مما يؤدي إلى إطلاق على الجانب الآخر من الغشاء.

عندما يتعين نقل مادة مذابة معينة بنشاط باستخدام القوة المحركة للبروتون ، فإن البروتين الناقل يربط كلاً من H + والجزيئات الذائبة. يتم توفير أحد الأمثلة على هذا النوع من النقل عن طريق امتصاص اللاكتوز بواسطة الإشريكية القولونية. يربط ناقل اللاكتوز (اللاكتوز- بيرميز) كلاً من جزيئات اللاكتوز و H + وينقلهما في نفس الوقت إلى الخلية (الرمز).

تم العثور على مثال آخر في حالة نقل الغلوتامات في الإشريكية القولونية. يقوم الناقل في هذه الحالة بربط الغلوتامات من الخارج ونقله إلى الداخل ، ويربط H + بالداخل ويطرده للخارج (مضاد للمنفذ) ، بحيث يرتبط امتصاص الغلوتامات بطرد H +.

(ط) النقل النشط للاكتوز في بكتريا قولونية:

نقل اللاكتوز في الإشريكية القولونية هو نظام محفز. البكتيريا التي تنمو في غياب اللاكتوز غير قادرة على نقل السكر إلى الخلايا. ولكن عند إضافة اللاكتوز في الوسط لتحل محل السكريات الأخرى (مثل الجلوكوز) ، فإن البكتيريا تطور بسرعة قدرتها على نقل اللاكتوز بسبب تخليق جديد لنفاذية اللاكتوز. هذا الإنزيم عبارة عن بروتين غشائي متكامل يعمل كناقل للاكتوز.

لقد لوحظ أن نقل اللاكتوز إلى الخلية يترافق مع ارتفاع في قيمة الأس الهيدروجيني للوسط الخارجي بسبب استنفاد أيونات H +. وفقًا لنظرية التناضح الكيميائي ، تؤدي أكسدة ركائز الجهاز التنفسي إلى طرد H + خارج الخلية مما يخلق تدرجًا بروتونيًا عبر غشاء الخلية الذي يستخدم في تخليق ATP. يتم استخدام التدرج البروتوني الذي تم إنشاؤه بواسطة الإشريكية القولونية أيضًا لامتصاص اللاكتوز.

يحتوي جزيء نفاذية اللاكتوز على موقع معين لربط اللاكتوز وموقع آخر لربط H + ، ويجب إشراك كلا الموقعين حتى يعمل الإنزيم. يمتد بروتين بيرميز عبر الغشاء ويربط كلا من اللاكتوز والبروتون على الوجه الخارجي.

يتسبب هذا الارتباط في حدوث تغيير في شكل البروتين ويؤدي إلى إطلاق كل من اللاكتوز و H + داخل الخلية (symport). بعد الإصدار ، يعود التصريح إلى شكله الأصلي ، مما يسمح بتكرار الدورة. يتم الحفاظ على التدرج البروتوني عن طريق طرد H + التنفسي.

وظيفة نفاذية اللاكتوز في الإشريكية القولونية موضحة بشكل تخطيطي في الشكل 8.84:

(2) نقل Na + و K + :

في معظم الكائنات الحية ، يكون التركيز داخل الخلايا لـ K أعلى من تركيز الوسط الخارجي. العكس هو الوضع في حالة Na +. تم العثور على قدرة الخلايا على الحفاظ على مثل هذا التركيز التفاضلي من Na + و K + مقابل الوسط الخارجي بسبب إنزيم ، Na + K + -ATPase الموجود في الغشاء.

يتطلب هذا الإنزيم وجود Na + داخل الخلية و K + خارجًا ليصبح وظيفيًا. يحتوي على موقع ربط ATP وموقع آخر لربط Na + تجاه وجهه الداخلي. على وجهه الخارجي ، يحتوي الإنزيم على موقع ملزم K +. لقد تم اقتراح أنه نظرًا لأن الإنزيم يربط Na + و ATP ، فإنه يحفز التحلل المائي لـ ATP مما يؤدي إلى تغييره التوافقي.

يفقد التشكل الإنزيمي المتغير تقارب Na + الذي يتم إطلاقه في الخارج ، ولكن في نفس الوقت يطور التشكل المتغير تقارب لـ K + الذي يتم نقله داخل الخلية. يؤدي ارتباط K + بالإنزيم إلى نزع الفسفرة (إطلاق الفوسفات غير العضوي) مما يعيد التكوين الأصلي لبروتين الإنزيم ويسمح بربط Na + و ATP. إن Na + K + & # 8211 ATPase المنقى هو بروتين سكري يتكون من وحدتين صغيرتين وكبيرتين.

تحتوي الوحدات الفرعية الصغيرة على سلاسل جانبية من الكربوهيدرات على وجهها الخارجي (الشكل 8.85):

يؤدي الطرد النشط لـ Na بواسطة نشاط Na + K + -ATPase إلى إنشاء تدرج Na + عبر الغشاء الذي تستخدمه العديد من الكائنات الحية الدقيقة لامتصاص نشط للأحماض الأمينية والسكريات. النقل الداخلي لهذه المركبات مصحوب بامتصاص متزامن لـ Na + والذي يتحرك لأسفل تدرج تركيز ، بينما تتحرك الأحماض الأمينية والسكريات عكس التدرج اللوني للتركيز ، أي من تركيز أقل (خارجي) إلى تركيز أعلى (داخلي).

يتم الحفاظ على التركيز الخارجي الأعلى لـ Na من خلال الطرد النشط لـ Na + من خلال نشاط Na + K + -ATPase. البروتينات الناقلة للأحماض الأمينية أو السكريات لها موقعان للربط ، أحدهما لـ Na + والآخر للحمض الأميني أو السكر. فقط عندما يتم احتلال كلا الموقعين بواسطة الروابط المعنية ، يمكن أن يحدث النقل (symport).

معالجة # 4. إزاحة المجموعة:

الانتقال الجماعي هو نوع من النقل يتم فيه تغيير الجزيء القابل للنقل كيميائيًا إلى شكل غير منفذ أثناء مروره عبر الغشاء السيتوبلازمي. بسبب التحول ، فإن الجزيء محاصر في السيتوبلازم ولا يمكنه الهروب.

أفضل مثال معروف على الانتقال الجماعي هو نظام نقل الفوسفور (PTS) الذي يحدث في مجموعة متنوعة من البكتيريا لنقل السكريات. وقد وجد أن النظام يعمل في E. coli و Salmonella و Vibrio و Staphylococcus و Clostridium و Fusobacterium إلخ. ومع ذلك ، في بعض البكتيريا ، مثل Azotobacter و Mycobacterium و Nocardia و Micrococcus ، لا توجد PTS.

تم العثور على ما لا يقل عن ثلاثة بروتينات مختلفة متورطة في نظام الانتقال الجماعي للسكريات المختلفة. بالنسبة لبعض السكريات ، مثل الجلوكوز ، يلزم وجود بروتين إضافي. هذه البروتينات هي إنزيم I وإنزيم II وبروتين صغير مستقر للحرارة يسمى HPr. البروتين الإضافي للجلوكوز هو الإنزيم الثالث.

كل هذه البروتينات باستثناء الإنزيم الثاني هي هيولي. إنزيم II هو بروتين غشائي متكامل. كما أنه يختلف أيضًا في نقل السكريات المختلفة ، في حين أن الإنزيم I و HPr شائعان في جميع أنظمة نقل السكر. تعمل هذه البروتينات كسلسلة من الناقلات في المواد السمية الثابتة.

يبدأ تشغيل نظام النقل هذا (PTS) بنقل مجموعة الفوسفات عالية الطاقة من حمض الفوسفوينول بيروفيك (PEP) إلى الإنزيم الأول (E-I) في سيتوبلازم الخلية البكتيرية. بعد ذلك ، يتم نقل مجموعة الفوسفات من E-I المفسفر (E-I-P) إلى HPr ، وهو أيضًا بروتين حشوي ، لإنتاج HPr- (P). يتم بعد ذلك نقل مجموعة الفوسفات إلى الإنزيم المرتبط بالغشاء II (E-II) مباشرة ، أو في حالة نقل الجلوكوز ، عبر الإنزيم III (E-III).

أخيرًا ، يتبرع الفسفرة E-II أو E-III بمجموعته الفوسفاتية للسكر الذي يتم نقله ويتم تحرير السكر في السيتوبلازم باعتباره إستر الفوسفات. على سبيل المثال ، في حالة الجلوكوز ، يكون الجلوكوز 6 فوسفات. يمنع فوسفات السكر سالب الشحنة من الهروب عبر الغشاء السيتوبلازمي.

في حالة المانيتول ، فإن الشكل الفسفوري الذي يتم إطلاقه فيه هو مانيتول -1 فوسفات. نظرًا لأن الغشاء منيع بشكل عام للجزيئات المشحونة ، يمكن أن تؤدي المواد السمية الثابتة إلى تركيز عالٍ من فوسفات السكر في السيتوبلازم ، بينما يكون تركيز السكريات أقل بكثير في الوسط الخارجي. وهكذا ، في المواد السمية الثابتة ، تنتقل السكريات مقابل تدرج تركيز. لذلك فهو نوع من النقل النشط يتم فيه توفير الطاقة بواسطة المركب الغني بالطاقة PEP.

إنزيم II عبارة عن بروتين متكامل في الغشاء مخصص للسكر الذي يتم نقله. يمكن نقل أنواع مختلفة من السكريات بواسطة المواد السمية الثابتة. وتشمل هذه الجلوكوز والجالاكتوز والفركتوز والبنتوز & # 8217s ، والكحوليات السكرية مثل مانيتول ، ريبيتول ، وجالاكتوزيدات. لكل من هذه المركبات ، يبدو أن هناك إنزيمًا مختلفًا II.

يبلغ الوزن الجزيئي للبروتين الصغير المستقر للحرارة (HPr) من المواد السمية الثابتة 9400 دالتون. عندما يتم فسفرة HPr بواسطة E-I

(P) ، يتم إرفاق مجموعة الفوسفات من خلال ذرات N من بقايا الهيستيدين من HPr.

يوضح الشكل 8.86 تمثيلًا تخطيطيًا لسلسلة الحمل في تشغيل نظام إنزيم الفوسفوتانسفيراز للبكتيريا:

معالجة # 5. النقل الأيوني عبر Ionophores:

بعض مركبات المضادات الحيوية التي تم تطويرها بواسطة الميكرو

يمكن أن تعمل nisms مثل الأيونات عندما يتم دمجها في الغشاء. ومع ذلك ، فإن هذه العوامل ليست مكونات نقل طبيعية للغشاء. اثنان من هذه العوامل هما فالينومايسين الذي تنتجه أنواع من Streptomyces و gramicidin التي تنتجها Bacillus brevis. تمت دراسة نقل الأيونات بواسطة هذه الأيونات بشكل جيد في الميتوكوندريا المعزولة.

فالينوميسين عبارة عن جزيء دوري يتكون من 12 جزيءًا متناوبًا من D- أو L- فالين و L- لاكتات أو D- هيدروكسي آيزوفاليرات. يظهر هيكل فالينومايسين في الشكل 8.87 أ. يحتوي جزيء فالينومايسين الدائري على محيط كاره للماء والذي يتطابق بشكل جيد مع طبقة ثنائية من الدهون في الغشاء حيث يتم إدخال فالينوميسين.

اللب المركزي لجزيء فالينومايسين محب للماء وشحنة سالبة. يمكن أن يرتبط اللب المشحون سالبًا بالكاتيونات الموجبة الشحنة. يمكن أن ينقل Valinomycin على وجه التحديد K + ، لأن الحجم يناسب بشكل مريح في القلب المركزي. يتم نقل Na + أو Li + بكفاءة أقل بواسطة فالينومايسين ، لأن حجمها لا يتطابق مع حجم اللب المركزي للجزيء.

مركب مضاد حيوي آخر ، غير أكتين ، له أيضًا بنية دائرية ومن المعروف أنه ينقل K + عبر غشاء الميتوكوندريا.

يظهر هيكلها في الشكل 8.87 ب:

وفقًا لإحدى الفرضيات ، يعمل فالينوميسين كحامل وينتشر الجزيء ذهابًا وإيابًا عبر طبقة الغشاء الثنائية الدهنية التي تنقل K + عبر الغشاء.

يتم إخفاء الشحنة الموجبة للأيون بواسطة النواة السالبة الشحنة لجزيء فالينومايسين (الشكل 8.88):

الجراميسيدين أ مضاد حيوي متعدد الببتيد يتكون من سلسلة خطية من 15 بقايا من الأحماض الأمينية. يشكل جزيئين من الجراميسيدين مرتبطين بروابط H في نهاياتها الطرفية N حلزونًا يمتد عبر الغشاء. من خلال القناة المركزية للحلزون ، الكاتيونات أحادية التكافؤ مثل H + ، NH4 + ، K + ، Na + و Li + يمكن نقلها إلى الخلية.

ترتيب تفضيل الأيونات المنقولة كما هو مذكور ، أي أن H + لديها أعلى تفضيل و Li + أقل.

يوضح الشكل 8.89 A و B بنية جزيء gramicidin A واللولب المفترض المكون من زوج من جزيئات gramicidin في طبقة ثنائية الدهون من الغشاء:


ردود الفعل المزدوجة في علم الأحياء

هذه سمة شائعة في الأنظمة البيولوجية حيث يمكن تفسير بعض التفاعلات المحفزة بالإنزيم على أنها تفاعلات نصفية مقترنة ، أحدهما تلقائي والآخر غير تلقائي. الكائنات الحية في كثير من الأحيان التحلل المائي ATP (أدينوسين ثلاثي الفوسفات) لتوليد ADP (ثنائي فوسفات الأدينوزين) كتفاعل اقتران تلقائي (الشكل ( فهرس الصفحة <1> )).

[ATP + H_2O rightleftharpoons ADP + P_i label <4> ]

تُظهر روابط الفوسفوهيدريد المتكونة عن طريق إخراج الماء بين مجموعتين من الفوسفات من ATP سلبيًا كبيرًا (- Delta G ) من التحلل المائي ، وبالتالي يُطلق عليها غالبًا & quothigh energy & quot bonds. ومع ذلك ، كما هو الحال مع جميع الروابط ، تتطلب الطاقة كسر هذه الروابط ، لكن فرق طاقة جيبس ​​الديناميكي الحراري يتم إطلاقه بقوة & مثل عند تضمين الديناميكا الحرارية لإذابة أيونات الفوسفات ( دلتا جي ) لهذا التفاعل هو - 31 كيلو جول / مول .

الشكل ( PageIndex <1> ) : التحلل المائي لـ ATP لتشكيل ADP

ATP هو جزيء `` الطاقة '' الرئيسي الناتج عن عملية التمثيل الغذائي ، وهو يعمل كنوع من `` مصدر الطاقة '' في الخلية: يتم إرسال ATP إلى أي مكان يحتاج إلى حدوث تفاعل غير تلقائي بحيث يقترن التفاعلان بحيث يفضل التفاعل الديناميكي الحراري.

مثال ( PageIndex <1> ): فسفرة الأحماض الكربوكسيلية

الألدهيدات (RCHO ) هي مركبات عضوية يمكن أن تتأكسد لتوليد أحماض كربوكسيلية ونيوكوتيناميد أدينين ثنائي النوكليوتيد (NAD) هو أنزيم موجود في جميع الخلايا الحية وفي الشكل المختزل ، (NAD ^ + ) ، يعمل بمثابة عامل مؤكسد يمكنه قبول الإلكترونات من الجزيئات الأخرى.

إن أكسدة الألدهيد المرتبطة بـ NAD + أمر لا رجوع فيه عمليًا بتوازن يفضل بشدة المنتجات ( ( Delta G & gt & gt 0 ):

[RCHO + NAD ^ + + H_2O rightleftharpoons RCOOH + NADH + H ^ + label]

يقع موضع توازن الأحماض الكربوكسيلية الفسفورية إلى حد كبير إلى اليسار:

[RCOOH + P_i rightleftharpoons RC (= O) (O-P_i) + H_2O label]

يمكن دفع التكوين غير العفوي لحمض الكربوكسيل الفسفوري عن طريق اقترانه بالأكسدة (التلقائية) NAD + المرتبطة بألدهيد؟

الشكل ( PageIndex <2> ) : لن يستمر التفاعل تلقائيًا ما لم تكن منتجات التفاعل ذات طاقة أقل من المواد المتفاعلة. وهذا ما يسمى بردود الفعل المفرطة. التفاعل الذي تكون فيه المنتجات ذات طاقة أعلى من التفاعلات (تفاعل الطاقة) يمكن أن يستمر فقط عندما يكون هناك مدخل للطاقة. ردود الفعل المفرطة مثل حرق الجلوكوز تدفع تخليق ATP. تُستخدم جزيئات ATP لتشغيل تفاعلات أخرى مثل تخليق البروتين. من ويكيبيديا (Muessig).

وبالمثل ، يمكن استخدام التحلل المائي لـ ATP لدمج الأحماض الأمينية معًا لتوليد بولي ببتيدات (وبروتينات) كما هو موضح بيانياً في الشكل ( فهرس الصفحة <2> ). في هذه الحالة ، يقترن عكس المعادلة ( المرجع <4> ) مبدئيًا بالجلوكوز المؤكسد بواسطة الأكسجين

[C_6H_ <12> O_6 + 6O_2 rightarrow 6CO_2 + 6H_2O label <5> ] رد الفعل ( المرجع <5> ) تلقائي بقوة مع ( Delta G = & minus2880 kJ / mol ) أو إغلاق إلى قدرة طاقة أكبر 100 مرة من التحلل المائي لـ ATP في المعادلة ( المرجع <4> ). ومن ثم ، فإن التوازن لهذا التفاعل يفضل بشدة المنتجات التي يستخدمها سهم واحد عادةً في المعادلة الكيميائية لأنه لا رجعة فيه. قد لا يكون مفاجئًا أن الجلوكوز وجميع السكريات جزيئات نشطة للغاية لأنها مصدر الطاقة الأساسي للحياة.


الانتروبيا القياسية

ما مقدار الطاقة المتوفرة؟

بينما يستكشف العلماء إمدادات الطاقة ، تبدو مصادر الطاقة الحرارية الأرضية جذابة للغاية. يمكن استخدام السخانات الطبيعية الموجودة في بعض أجزاء العالم لتوفير الطاقة للعديد من الأغراض. يمكن أن يساعد التغيير في محتوى الطاقة وتحرير الطاقة الناتج عن تكثيف البخار إلى سائل في سد بعض احتياجاتنا المتزايدة من الطاقة.

الانتروبيا القياسية

تتوقف جميع الحركات الجزيئية عند الصفر المطلق (0 كلفن). لذلك ، يتم تعريف إنتروبيا مادة بلورية نقية عند الصفر المطلق على أنها تساوي الصفر. مع زيادة درجة حرارة المادة ، تزداد إنتروبياها بسبب زيادة الحركة الجزيئية. المطلق أو الانتروبيا القياسية من المواد يمكن قياسها. رمز الانتروبيا هو ويعطي الرمز الانتروبيا المعيارية للمادة ، مما يشير إلى أن الانتروبيا القياسية يتم تحديدها في ظل ظروف قياسية. وحدات الانتروبيا هي J / K • mol. يتم عرض الانتروبيا القياسية لعدد قليل من المواد في طاولة أدناه :

قيم الانتروبيا القياسية عند 25 درجة مئوية
مستوى
ح 2 (ز) 131.0
ا 2 (ز) 205.0
ح 2 يا (ل) 69.9
ح 2 يا (ز) 188.7
ج (الجرافيت) 5.69
ج (الماس) 2.4

تتيح لنا معرفة الانتروبيا المطلقة للمواد حساب تغير الكون لرد فعل. على سبيل المثال ، يمكن العثور على تغيير الانتروبيا لتبخير الماء على النحو التالي:

يكون التغيير في الانتروبيا لتبخير الماء موجبًا لأن حالة الغاز بها نسبة أعلى من الانتروبيا من الحالة السائلة.

بشكل عام ، يمكن تحديد تغير الانتروبيا للتفاعل إذا كانت الانتروبيا المعيارية لكل مادة معروفة. يمكن تطبيق المعادلة أدناه.

التغيير القياسي في الانتروبيا يساوي مجموع الانتروبيا المعيارية للمنتجات مطروحًا منه مجموع الانتروبيا المعيارية للمواد المتفاعلة. الرمز " "يشير إلى أنه يجب أولاً ضرب كل إنتروبيا بمعاملها في المعادلة المتوازنة. يمكن حساب التغير في الانتروبيا لتكوين الماء السائل من الهيدروجين الغازي والأكسجين باستخدام هذه المعادلة:

يكون التغيير في الانتروبيا لهذا التفاعل سلبيًا للغاية لأن ثلاثة جزيئات غازية يتم تحويلها إلى جزيئين سائلين. وفقًا للاندفاع نحو الانتروبيا الأعلى ، فإن تكوين الماء من الهيدروجين والأكسجين هو تفاعل غير موات. في هذه الحالة ، يكون التفاعل طاردًا للحرارة بدرجة عالية ويسمح الاتجاه نحو انخفاض الطاقة بحدوث التفاعل.

ملخص

ممارسة

اقرأ المادة الموجودة على الرابط أدناه وحل المشكلات:

إعادة النظر

  1. متى تكون إنتروبيا أي مادة في أدنى مستوياتها؟
  2. في التفاعل الذي يتضمن تكوين الماء من الهيدروجين والأكسجين ، لماذا تكون قيمة الانتروبيا سالبة؟
  3. لماذا يكون للماس قيمة إنتروبيا قياسية أقل من الجرافيت؟
  • الانتروبيا القياسية: إنتروبيا مول واحد من المادة في ظل الظروف القياسية.

العدوى ومدى الحياة

بصرف النظر عن البشر ، لم تحدد الدراسات أي مستودعات كبيرة أخرى من الحلزونية البوابية. وقد أدى ذلك إلى استنتاج مفاده أن البشر هم المضيف الأساسي والمثالي للبكتيريا. في الحيوانات الأخرى (الكلاب ، إلخ) ، تشبه الكائنات الحية التي تم تحديدها فقط الحلزونية البوابية ومن المعروف أنها تسبب غير H. التهابات بيلوري.

على الرغم من أنه ثبت أن بكتيريا الملوية البوابية تصيب أكثر من 50 في المائة من سكان العالم ، فإن غالبية المصابين لا يعانون من الأعراض المرتبطة بالعدوى. ومع ذلك ، في حالات أخرى ، تم ربط البكتيريا بالعدوى التي تتطلب العلاج.

نظرًا لأن الحلزونية البوابية تنتج إنزيمات ومنتجات أخرى لحماية نفسها من ظروف بيئتها ، فإنها تؤثر على المخاط الواقي في هذه المنطقة المعوية. هذا يجعل من السهل على الحمض أن يتلامس مع البطانة الحساسة ويسبب التهيج.

يؤدي تهيج البطانة المستمر في النهاية إلى تقرحات (تقرحات في الاثني عشر والمعدة). يمكن أن تؤدي العدوى إذا لم يتم علاجها إلى التهاب المعدة أو مرض القرحة الهضمية أو سرطان المعدة.

تشمل بعض الأعراض المصاحبة للقرحة الهضمية ما يلي:

  • وجع القضم
  • ضعف الشهية
  • التقيؤ
  • فقدان الوزن
  • البراز الداكن
  • الانتفاخ

* جرثومة المعدة مسؤولة عن 70 إلى 80٪ من قرحة المعدة بالإضافة إلى 90٪ من جميع قرحات الاثني عشر.


عدم التناسق في التحفيز: نظم سباق الأحماض الأمينية "أحادية الاتجاه"

د- تلعب الأحماض الأمينية أدوارًا هيكلية ووظيفية وتنظيمية واسعة النطاق في الكائنات الحية. غالبًا ما تنشأ هذه الأحماض الأمينية من خلال التحويل المجسم للأحماض الأمينية الأكثر وفرة التي يتم تحفيزها بواسطة أنظمة سباق الأحماض الأمينية و epimerases. هذه الإنزيمات ذات أهمية لأن العديد منها أهداف معترف بها لتطوير الأدوية أو يمكن استخدامها صناعياً في تفاعلات التحول الأحيائي. على الرغم من أن معقدات الركيزة الإنزيمية الخاصة بهم عبارة عن دياستيريومير ، فإن بعض الأنماط العنصرية والأبيميراز تظهر تناظرًا زائفًا حركيًا ، مما يربط أزواج الركيزة التماثلية أو الفوقية مع تقاربات متساوية تقريبًا وتحفيز الانقلاب المجسم مع أرقام دوران مماثلة. في حالات أخرى ، يكون هذا التناظر الزائف الحركي غائبًا أو قد يتم `` كسره '' عن طريق استبدال Cys المحفزة بواسطة Ser في الموقع النشط لأنماط السباق المستقلة والعوامل المساعدة ، أو عن طريق تغيير قاعدة Brønsted للصبيد التحفيزي الذي يسهل نزع التوتر. من بقايا السيستئين. علاوة على ذلك ، تم اكتشاف قاعدة سباق L -Asp / Glu الطبيعية المحتوية على Thr والتي تحفز دوران الركيزة "أحادي الاتجاه" ، على عكس أنماط السباق ثنائية الاتجاه النموذجية والأبيميراز. تشير هذه الملاحظات إلى أنه يمكن إعادة تصميم أنظمة السباق Cys-Cys ثنائية الاتجاه في أنظمة سباق "أحادية الاتجاه" من خلال استبدال الثيول بمجموعة هيدروكسيل. يمكن بعد ذلك تحسين التحفيز بواسطة سلائف عنصر السباق "أحادية الاتجاه" بشكل أكبر عن طريق الطفرات الموجهة بالموقع وتوجيه التطور لتوفير إنزيمات مفيدة لتطبيقات التكنولوجيا الحيوية.

على مدى العقود الثلاثة الماضية ، كان هناك اعتراف متزايد بأن الأحماض الأمينية d تلعب أدوارًا هيكلية ووظيفية وتنظيمية واسعة النطاق في الكائنات الحية. على سبيل المثال ، d -Ala ، d -Glu ، d ، l - (ميسو) -Diaminopimelate و d -Asp مكونات مهمة من الببتيدوغليكان الموجودة في جدران خلايا eubacteria. تنظم الأحماض الأمينية ذات السلسلة المتفرعة العمليات في البكتيريا ، مثل إعادة تشكيل جدران الخلايا وتفكيك الأغشية الحيوية. يلعب د-سير دورًا في الفوعة البكتيرية ، ويمكن العثور عليه في d -Ala -d -Ser dipeptide الذي يحل محل d -Ala -d -Ala dipeptide الموجود في الببتيدوغليكان البكتيري ، وبالتالي يمنح مقاومة للفانكومايسين. لا تقتصر الأدوار البيولوجية للأحماض الأمينية على البكتيريا. على سبيل المثال ، توجد d -Ser و d -Asp الحران في مجموعة متنوعة من الأنواع ، تتراوح من البكتيريا إلى الثدييات. يلعب كل من الأحماض الأمينية دورًا في وظائف المخ ، ويلعب d -Asp دورًا مهمًا في تكاثر الفقاريات.

أحد المصادر الرئيسية للأحماض الأمينية d هو من خلال التحويل المجسم للأحماض الأمينية الأكثر وفرة المحفزة بواسطة أنظمة السباق الأمينية و epimerases (معادلة. 1). هذه الإنزيمات ذات أهمية لأن العديد منها أهداف معترف بها لتطوير الأدوية أو يمكن استخدامها صناعياً في تفاعلات التحول الأحيائي. نموذجيًا ، قد تكون أنظمة سباق الأحماض الأمينية والإبيميراز إما مستقلة عن العامل المساعد أو تستخدم بيريدوكسال 5′-فوسفات (PLP) كعامل مساعد ، على الرغم من أن هذه الإنزيمات من عائلة enolase الفائقة تحفز التعرق أو إزالة ن- أحماض أيلامينو وثنائي الببتيدات بمساعدة كاتيون ثنائي التكافؤ. ألانين ، أرجينين وسيرين ، وكذلك إبيميريز إيزوليوسين ، هي أمثلة على الإنزيمات التي تتطلب PLP كعامل مساعد. يساعد تكوين قاعدة شيف مع المجموعة الأمينية من الركيزة على تحمض الكربون ألفا (الشكل 1 أ). من ناحية أخرى ، فإن أسبارتات Racemase (AspR) ، و glutamate racemase (GluR) ، و Proline racemase (ProR) ، و diaminopimelate epimerase (DAPE) و 4-hydroxyproline epimerase (HypE) كلها تحفز عملية التكسير العنصري أو التصفية من ركائزها الخاصة دون مساعدة من PLP (الشكل 2). تحتوي المواقع النشطة لأنظمة سباق الأحماض الأمينية المستقلة عن PLP على زوج من بقايا السيستين المحفوظة للغاية والتي تعمل كقواعد برونستيد متجانسة للتأثير على التحفيز عبر آلية من قاعدتين (الشكل 1 ب). تعمل ثيولات Cys A كقاعدة برونستيد (صكأ

8-10) لاستخلاص بروتون ألفا من ركيزة حمض أميني (الاسمي صكأ

29) لتوليد ملف aci-carboxylate / carbanionic وسيط ، والذي يتم تكوينه لاحقًا من الجانب المقابل بواسطة مجموعة thiol من Cys B لتوليد حمض أمينو d المقابل. في اتجاه رد الفعل المعاكس ، يتم عكس أدوار مخلفات Cys. تُظهر الهياكل البلورية للأشعة السينية أن بقايا Cys موجودة على الجانبين المعاكسين للموقع النشط ، وأن الركائز التماثلية أو الفوقية ترتبط بشكل فردي في ترتيب تعبئة صورة طبق الأصل مع مستوى مرآة زائف يتكون من ثلاثة غير هيدروجين بدائل في مركز مجسمة تخضع لانقلاب التكوين.


شاهد الفيديو: كيف تعمل الانزيمات (شهر فبراير 2023).