الانزيمات

تعريف

الإنزيمات هي بروتينات منتجة في الخلايا النباتية والحيوانية ، والتي تعمل كمحفزات ، وتسريع التفاعلات البيولوجية دون أن يتم تعديلها.

تعمل الإنزيمات عن طريق الدمج مع مادة معينة لتحويلها إلى مادة مختلفة ؛ يتم إعطاء الأمثلة التقليدية من قبل الأنزيمات الهضمية الموجودة في اللعاب ، في المعدة ، في البنكرياس وفي الأمعاء الدقيقة ، والتي لها وظيفة أساسية في الهضم وتساعد على فصل الأطعمة في المكونات الأساسية ، والتي يمكن بعد ذلك امتصاصها واستخدامها من قبل الجسم المعالجة بواسطة إنزيمات أخرى أو طردها كنفايات.

كل إنزيم له دور محدد: ذلك الذي يكسر الدهون ، على سبيل المثال ، لا يعمل على البروتينات أو الكربوهيدرات. الانزيمات ضرورية لرفاهية الجسم. يمكن أن يسبب النقص ، حتى إنزيم واحد ، اضطرابات خطيرة. ومن الأمثلة المعروفة جيداً على ذلك مرض فينيل كيتون (PKU) ، وهو مرض يتميز بعدم القدرة على استقلاب حمض أميني أساسي ، فينيل ألانين ، والذي يمكن أن يسبب تراكمه تشوهات جسدية وأمراض عقلية.

التحليل الكيميائي الحيوي

الإنزيمات هي بروتينات خاصة لها خصائص كونها محفزات بيولوجية ، أي أنها تمتلك القدرة على تحطيم طاقة التنشيط (Eatt) من التفاعل ، وتعديل مسارها لجعل عملية بطيئة حركيا ، وتتحول بسرعة أكبر.

تزيد الإنزيمات حركية التفاعلات المحتملة ديناميكية حرارية ، وعلى العكس من المحفزات ، فإنها تكون محددة بشكل أو بآخر: فهي بالتالي تمتلك خصوصية الركيزة.

لا يشارك الإنزيم في رياضيات تفاعل التفاعل: لكي يحدث هذا ، من الضروري أن يكون الموقع التحفيزي النهائي متطابقًا مع الموقع الأصلي.

في العمل التحفيزي هناك دائما تقريبا مرحلة بطيئة تحدد سرعة العملية.

عندما يتعلق الأمر بالإنزيمات ، لا يصح الحديث عن تفاعلات التوازن ، بل نتحدث عن حالة ثابتة (حالة تتشكل فيها مستقلبات معينة وتستهلك باستمرار ، مما يجعل تركيزها ثابتًا تقريبًا بمرور الوقت). ويكون ناتج التفاعل الذي يحفزه الإنزيم ، بدوره ، متفاعلًا عادةً مع تفاعل لاحق ، يحفزه إنزيم آخر ، وهكذا دواليك.

عادة ما يتم تشكيل العمليات التي تحفزها الإنزيمات بواسطة سلاسل من التفاعلات.

يمكن تلخيص التفاعل العام الذي يحفزه إنزيم (E) على النحو التالي:

يجمع إنزيم عام (E) مع الركيزة (S) لتشكيل المعقد (ES) بسرعة ثابتة K1 ؛ يمكن أن تنفصل مرة أخرى إلى E + S ، مع سرعة ثابتة K2 ، أو (إذا كانت "حياة" طويلة بما فيه الكفاية) ، يمكن أن تستمر في تشكيل P مع سرعة ثابتة K3.

يمكن إعادة تركيب المنتج (P) ، بدوره ، مع الإنزيم وإصلاح الضلع مع ثابت سرعة K4.

عندما يتم خلط الإنزيم والركيزة ، فهناك جزء من الوقت لم يحدث فيه الاجتماع بين النوعين بعد: وبعبارة أخرى ، هناك فترة زمنية قصيرة للغاية (تعتمد على التفاعل) الانزيم والركيزة لم يلتقيا بعد ؛ بعد هذه الفترة ، يتلامس الإنزيم والركيزة بكمية أعلى تدريجياً ويتم تشكيل التلاصق ES. بعد ذلك ، يعمل الإنزيم على الركيزة ويتم تحرير المنتج. يمكننا بعد ذلك أن نقول أن هناك فاصل زمني أولي لا يمكن فيه تحديد تركيز المعبد ES ؛ بعد هذه الفترة ، من المفترض أن يتم تأسيس حالة ثابتة ، أي أن سرعة العمليات التي تؤدي إلى الحصول على التزامن تساوي سرعة العمليات التي تؤدي إلى تدمير المعقد.

ثابت ميخائيل-مينتين (KM) ثابت ثابت (يشار إلى التوازن الأول الموصوف أعلاه) ؛ يمكن للمرء أن يقول ، مع التقريب الجيد (لأن K3 ينبغي أيضا النظر فيها) أن يتم تمثيل KM بنسبة بين الثوابت الحركية K2 و K1 (في اشارة الى تدمير وتشكيل تلاصق ES في التوازن الأول الموصوف أعلاه).

من خلال ثابت ميخائيل - مينتين ، لدينا مؤشرًا على التقارب بين الإنزيم والركيزة: إذا كانت KM صغيرة ، فإن هناك تقاربًا كبيرًا بين الإنزيم والركيزة ، لذلك يكون التلاصق ES مستقرًا.

تخضع الإنزيمات للتنظيم (أو التعديل).

في الماضي كان الأمر يتعلق أساسا بالتشكيل السالب ، أي تثبيط القدرة التحفيزية للإنزيم ، ولكن يمكن أيضا أن يكون هناك تشكيل إيجابي ، أي أن هناك أنواع قادرة على تعزيز القدرات التحفيزية للانزيم.

هناك 4 أنواع من الموانع (تم الحصول عليها من تقريب يتم على نموذج لمطابقة البيانات التجريبية مع المعادلات الرياضية):

• تثبيط تنافسي
• تثبيط غير تنافسي
• تثبيط غير تنافسي
• تثبيط تنافسي

هناك حديث عن تثبيط تنافسي عندما يكون الجزيء (المانع) قادرًا على التنافس مع الركيزة. من خلال التشابه الهيكلي ، يمكن أن يتفاعل المانع بدلاً من الركيزة ؛ هذا هو المكان الذي تأتي منه مصطلحات "التثبيط التنافسي". يعتمد احتمال أن يرتبط الإنزيم بالمثبط أو الركيزة على تركيز كلاهما وتقاربهما مع الإنزيم ؛ لذلك ، تعتمد سرعة التفاعل على هذه العوامل.

للحصول على سرعة التفاعل نفسها التي من شأنها أن تكون دون وجود المانع ، فمن الضروري أن يكون هناك تركيز أعلى الركيزة.

يظهر بشكل تجريبي أنه ، في وجود مثبط ، يزيد ثابت ميخائيل-مينتين.

أما بالنسبة للتثبيط غير التنافسي ، فإن التفاعل بين الجزيء الذي يجب أن يعمل كمشكل (مثبط إيجابي أو سلبي) والإنزيم ، يحدث في موقع مختلف عن الموقع الذي فيه التفاعل بين الانزيم والركيزة. واحد يتكلم بالتالي عن التحوير التبادلي (من allosteros اليونانية → موقع آخر).

إذا كان المانع ملزمًا بالارتباط بالإنزيم ، فإنه يمكن أن يؤدي إلى تعديل بنية الإنزيم ، وبالتالي ، يمكنه تقليل الكفاءة التي ترتبط بها الركيزة بالأنزيم.

في هذا النوع من العمليات ، يبقى ثابت ميخائيل-مينتين ثابتًا لأن هذه القيمة تعتمد على التوازن بين الإنزيم والركيزة ، وهذه الأرصدة ، حتى في وجود المانع ، لا تتغير.

ظاهرة التثبيط غير المتكافئ نادرة. مثبط غير متجانس نموذجي هو مادة ترتبط عكسيا إلى ES adduct مما أدى إلى ESI:

يمكن أن يكون تثبيط الزيادة في الركازة في بعض الأحيان من نوع غير متجانس ، حيث يتجلى ذلك عندما يرتبط جزيء ركيزة ثانٍ بمركب ES ، مما يؤدي إلى ظهور مجمع ESS.

من ناحية أخرى ، يمكن لمثبط تنافسي أن يرتبط فقط بموصقة الإنزيم القاعدي كما هو الحال في الحالة السابقة: يؤدي ربط الركيزة إلى الإنزيم الحر إلى تعديل تمهيدي يجعل الموقع في متناول المثبط.

انخفاض ثابت ميخائيل Menten مع زيادة تركيز المانع: على ما يبدو ، وبالتالي ، فإن تقارب الانزيم للركيزة يزيد.

سيرين بروتياز

هم عائلة من الإنزيمات التي تنتمي إليها الكيموتربسين والتريبسين.

Chymotrypsin هو إنزيم بروتين و hydrolytic الذي يقطع إلى اليمين من الأحماض الأمينية hydrophobic والعطرية.

المنتج الجيني الذي يرمز لـ chymotrypsin ليس نشطًا (يتم تنشيطه بواسطة أمر) ؛ الشكل غير الفعال لل chymotrypsin يمثله سلسلة polypeptide من 245 من الأحماض الأمينية. يمتلك الكيموتريبسين شكلاً كروياً بسبب خمسة جسور ثاني كبريتيد وتفاعلات ثانوية أخرى (كهرباء ، قوى فان دير فالس ، روابط هيدروجينية ، إلخ).

يتم إنتاج الكيموتيبسين عن طريق خلايا البنكرياس حيث يتم احتوائه في أغشية خاصة وطرده من خلال قناة البنكرياس في الأمعاء ، في وقت هضم الطعام: ال chymotrypsin هو في الواقع إنزيم هضمي. يتم هضم البروتينات والمغذيات التي نستوعبها من خلال النظام الغذائي ، ليتم تخفيضها إلى سلاسل أصغر ويتم امتصاصها وتحويلها إلى طاقة (على سبيل المثال ، يقسم الأميليز والبروتياز المواد المغذية إلى جلوكوز وأحماض أمينية تصل إلى الخلايا ، من خلال الأوعية الدموية يصلون إلى الوريد البابي ومن هناك يتم نقلهم إلى الكبد حيث يخضعون لمزيد من العلاجات).

يتم إنتاج الإنزيمات بشكل غير نشط ويتم تنشيطها فقط عندما تصل إلى "الموقع حيث يجب أن تعمل" ؛ بمجرد اكتمال الإجراء الخاص بهم ، يتم إلغاء تنشيطها. لا يمكن إعادة تنشيط الإنزيم ، الذي تم إلغاء تنشيطه مرة واحدة: للحصول على إجراء تحفيزي آخر ، يجب استبداله بجزيء إنزيم آخر. إذا تم إنتاج chimitripsin في شكل نشط بالفعل في البنكرياس ، فإنه يهاجم هذا الأخير: التهاب البنكرياس هي أمراض بسبب الإنزيمات الهاضمة التي يتم تفعيلها بالفعل في البنكرياس (وليس في المواقع المطلوبة) ؛ البعض منهم إذا لم يعالج في الوقت المناسب ، يؤدي إلى الموت.

في ال chymotrypsin وفي جميع البروتياز السرين ، فإن الإجراء التحفيزي يرجع إلى وجود أنيون الكحولات (CH2O-) في السلسلة الجانبية للسيرين.

تأخذ الإنزيمات البروتينية هذا الاسم على وجه التحديد لأن تأثيرها التحفيزي يرجع إلى سيرين.

وبمجرد أن يقوم كل الإنزيم بعمله ، قبل أن يمكن استخدامه مرة أخرى على الطبقة التحتية ، يجب استعادته بالماء ؛ "تحرير" السيرين بالماء هو أبطأ مراحل العملية ، وهذه المرحلة هي التي تحدد سرعة الحفز.

يحدث العمل التحفيزي على مرحلتين:

• تشكيل أنيون مع خصائص تحفيزية (أنيون كحول) وكربون كربونيل نووي لاحق (C = O) هجوم مع انشقاق رابطة الببتيد وتكوين الإستر ؛
• هجوم الماء مع استعادة المحفز (قادرة على إعادة ممارسة عملها الحفاز).

يمكن أن تتكون الإنزيمات المختلفة التي تنتمي إلى عائلة البروتياز السرى من أحماض أمينية مختلفة ، ولكن بالنسبة للجميع ، فإن الموقع الحفزي يتم تمثيله بواسطة الأنيون الكحولي في السلسلة الجانبية للسيرين.

فصيلة فرعية من الأنزيمات البروتينية هي الأنزيمات المتضمنة في التجلط (الذي يتكون في تحويل البروتين ، من شكله غير النشط إلى شكل آخر نشط). هذه الانزيمات تجعل التخثر فعالا قدر الإمكان ومحدودا في المكان والزمان (يجب أن يحدث التجلط بسرعة ويجب أن يحدث فقط بالقرب من المنطقة المصابة). يتم تنشيط الإنزيمات المشاركة في تجلط الدم عن طريق التتالي (من تنشيط إنزيم واحد ، يتم الحصول على المليارات من الإنزيمات: ينشط كل إنزيم ، بدوره ينشط العديد من الإنزيمات الأخرى).

تجلط الدم هو حالة بسبب الأداء السيئ لأنزيمات التخثر: يحدث بسبب التنشيط ، دون ضرورة (بسبب عدم وجود آفة) ، من الإنزيمات المستخدمة في التخثر.

هناك إنزيمات (تنظيمية) تحويلية وأنزيمات مثبطة للأنزيمات الأخرى: التفاعل مع هذا الإنزيم الذي ينظم أو يمنع نشاطه ؛ كما يمكن أن يكون منتج الإنزيم مثبطًا للإنزيم. هناك أيضا أنزيمات تعمل أكثر ، كلما زاد الركيزة الحالية.

الليزوزيم

اكتشف لويجي باستور ، عن طريق الصدفة ، العطس على طبق بتري ، أنه في المخاط يوجد إنزيم قادر على قتل البكتيريا: الليزوزيم . من اليونانية: liso = that cuts؛ زيمو = إنزيم.

Lysozyme قادرة على كسر جدار الخلية من البكتيريا. تحتاج البكتيريا ، وبصفة عامة ، كائنات وحيدة الخلية ، إلى هياكل مقاومة ميكانيكياً تحد من شكلها ؛ داخل البكتريا هناك ضغط تناضحي مرتفع جدا لذلك يسمون الماء. سينفجر غشاء البلازما إذا لم يكن هناك جدار خلوي يعارض دخول الماء ويحد من حجم البكتيريا.

يتكون جدار الخلية من سلسلة عديد السكاريد التي يتناوب فيها جزيئات N-acetyl-glucosamine (NAG) وجزيئات N-acetyl-muramic acid (NAM). الرابط بين NAG و NAM يكسر التحلل المائي. تشارك مجموعة الكربوكسيل من حركة عدم الانحياز ، في جدار الخلية ، في رابطة ببتيد مع حمض أميني.

من بين السلاسل المختلفة ، تتشكل الجسور تتكون من روابط peptide pseide: التفرع يرجع إلى جزيء الليسين. البنية ككل متشعبة جدا وهذا يعطيها درجة عالية من الاستقرار.

Lysozyme هو مضاد حيوي (يقتل البكتيريا): فهو يعمل عن طريق وضع صدع في الجدار البكتيري. عندما ينكسر هذا الهيكل (وهو مقاوم ميكانيكياً) ، تقوم البكتيريا بسحب الماء حتى ينفجر. تمكن Lysozyme من كسر رابطة b-1،4 glucosidic بين NAM و NAG.

يتم تمثيل الموقع التحفيزي لليزوزيم بواسطة أخدود يمتد بطول الإنزيم الذي يتم فيه إدخال سلسلة عديد السكاريد: ستة حلقات غلوكوسيدية من السلسلة ، وتجد مكانها في ثلم.

في الموضع الثالث من الأخدود يوجد عنق زجاجة: في هذا الوضع يمكن وضع NAG واحدة فقط ، لأن NAM ، وهي أكبر ، لا يمكن أن تدخل. يقع الموقع التحفيزي الفعلي بين المواضع الأربعة والخامسة: حيث يوجد NAG في الموضع الثالث ، يحدث القطع بين NAM و NAG (وليس العكس) ؛ لذلك ، هو قطع محددة.

الرقم الهيدروجيني الأمثل لعمل الليزوزيم هو خمسة. في الموقع الحفزي للإنزيم ، أي بين المواضع الأربعة والخامسة ، توجد سلاسل جانبية لحمض الأسبارتيك وحمض الغلوتاميك.

درجة التماثل : تقيس القرابة (أي التشابه) بين تراكيب البروتين.

هناك علاقة صارمة بين الليزوزيم واللاكتوز-سينثيز.

تخليق اللاكتوز اللاكتوز (وهو السكر الرئيسي في الحليب): اللاكتوز هو غلوكوسيد جالاكتوزيل حيث يوجد ارتباط gl-1،4 الجلوكوسيدية بين الجلاكتوز والجلوكوز.

وبالتالي ، يحفز "سينزاس اللاكتوز" التفاعل المعاكس للحافز الذي يحفزه الليزوزيم (الذي ، بدلاً من ذلك ، يكسر رابطة gl-1،4 glucosidic)

سينزاس اللاكتوز هو ديمر ، أي أنه يتكون من سلسلتين من البروتينات ، أحدهما له خصائص تحفيزية وقابلة للمقارنة مع الليزوزيم والأخرى هي وحدة فرعية تنظيمية.

أثناء الحمل ، يتم تصنيع بروتينات سكرية من خلايا الغدة الثديية بفعل غلاتوسيل ترانسفيراز (يحتوي على تزاوج متوالي 40٪ مع الليزوزيم): هذا الإنزيم قادر على نقل مجموعة غالاكتوزيل من بنية طاقة عالية إلى هيكل بروتين سكري. خلال فترة الحمل ، يحدث التعبير عن الجين الذي يشفر ترانسول الجلاكتوزيلاز (هناك أيضًا تعبير عن جينات أخرى تعطي أيضًا منتجات أخرى): يحدث زيادة في حجم الثدي بسبب تنشيط الغدة الثديية (سابقًا) غير نشطة) التي يجب أن تنتج الحليب. أثناء الولادة ، يتم إنتاج α-lactalalbumin ، وهو بروتين تنظيمي: فهو قادر على تنظيم القدرة التحفيزية لل galactosyltransferase (لتمييز الركيزة). الجلاكتوزيل ترانسفيراز المعدل بواسطة α-lactalalbumin ، قادر على نقل جلاكتوزيل إلى جزيء الجلوكوز: تشكيل رابطة g-1،4 glycosidic وإعطاء اللاكتوز (lactose synthase).

وهكذا ، فإن الجلاكتوز ترانسفيراز يقوم بإعداد الغدة الثديية قبل الولادة وينتج الحليب بعد الولادة.

لإنتاج بروتين سكري ، ترتبط جلاكتوزيل ترانفراسيس بجالاكتوزيل و NAG ؛ أثناء الولادة ، يرتبط الألبومين بالنعناع بـ galactosyltransferase ، مما يجعل الأخير يتعرف على الجلوكوز ولم يعد NAG يمنح اللاكتوز.