في جميع الأوقات ، دون أي تفكير واعي منك ، تخضع تريليونات الخلايا في جسمك لعدد هائل من التفاعلات الكيميائية التي تبقيك على قيد الحياة وفي حالة توازن. في حين أن ردود الفعل هذه قد تحدث من تلقاء نفسها إذا أعطيت الوقت الكافي ، فإن هذا المعدل لن يكون سريعًا بما يكفي لمتطلبات جسم الإنسان.
نتيجة لذلك ، يتم دعم جميع التفاعلات الكيميائية الحيوية تقريبًا بواسطة بروتينات متخصصة تسمى الانزيمات، وهي بيولوجية المحفزات يمكن أن تحدث ردود فعل أسرع بمليون مرة.
إن حياكة الإنزيمات عالية جدا. يمكن لمعظم مئات الإنزيمات المعروفة تحفيز تفاعل واحد فقط ، ويمكن تحفيز معظم التفاعلات فقط بواسطة إنزيم واحد محدد.
ما هي الانزيمات بالضبط؟
على الرغم من أن حمض نووي يمكن أن يعمل جزيء الحمض النووي الريبي (الحمض النووي الريبي) أحيانًا كمحفز غير إنزيمي ، والإنزيمات الحقيقية هي البروتينات، مما يعني أنها تتكون من سلاسل طويلة من أحماض أمينية مطوية في شكل معين. هناك 20 حمضًا أمينيًا في الطبيعة ، وكلها يحتاجها جسمك بكمية معينة.
يمكن لجسمك أن يصنع حوالي نصف هؤلاء ، بينما يجب تناول البقية في النظام الغذائي. تسمى تلك التي يجب أن تأكلها الأحماض الأمينية الأساسية.
تحتوي جميع الأحماض الأمينية على ذرة كربون مركزية مرتبطة بمجموعة حمض الكربوكسيل (-COOH) ، وهي مجموعة أمينية (-NH).2) المجموعة ، وسلسلة جانبية ، عادةً ما يشار إليها "-R" في الرسوم البيانية الكيميائية.
تحدد السلسلة الجانبية السلوك الفريد للحمض الأميني. يسمى ترتيب الأحماض الأمينية في البروتين به الهيكل الأساسي. سلسلة من الأحماض الأمينية تسمى أ بولي ببتيد; عادة عندما يشار إلى الجزيء على هذا النحو ، فإنه ليس بروتينًا وظيفيًا كاملاً ، ولكنه جزء منه.
يمكن أن ترتب سلاسل الأحماض الأمينية نفسها في تشكيلات تشبه اللولب أو تشبه الصفائح ؛ يشار إلى هذا باسم البروتين الهيكل الثانوي. يُطلق على كيفية ترتيب الجزيء نفسه في النهاية في ثلاثة أبعاد ، نتيجة للتفاعلات الكهربائية بين الأحماض الأمينية في أجزاء مختلفة من الجزيء ، الهيكل الثالث.
كما هو الحال مع أشياء كثيرة في العالم الطبيعي ، الشكل يناسب الوظيفة ؛ أي أن شكل الإنزيم يحدد سلوكه الدقيق ، بما في ذلك مدى قوة "البحث" عن شيء معين المادة المتفاعلة (أي الجزيء الذي يعمل عليه الإنزيم).
كيف تعمل الانزيمات؟
كيف تقوم الإنزيمات بالنشاط التحفيزي؟ يمكن تقسيم هذا السؤال إلى استعلامين متصلين.
أولاً: كيف تسرع الإنزيمات التفاعلات من حيث الحركة الأساسية للذرات؟ وثانيًا: ما هي السمات الخاصة حول بنية الإنزيمات التي تسمح بحدوث ذلك؟
الطريقة التي يعمل بها الإنزيم على تسريع معدل التفاعل هي من خلال تمهيد المسار بين بداية التفاعل ونهايته. في هذه الأنواع من ردود الفعل ، فإن منتجات (الجزيئات المتبقية بعد انتهاء التفاعل) لديها طاقة كلية أقل من المتفاعلات (الجزيئات التي يتم تغييرها إلى منتجات أثناء التفاعل).
للحصول على رد الفعل المتداول ، ومع ذلك ، يجب أن تتغلب المنتجات على "حدبة" الطاقة ، والتي تسمى طاقة التفعيل (هـأ).
تخيل أنك تركب دراجة على بعد نصف ميل من منزلك ، وهي نقطة ارتفاعها 100 قدم عموديًا فوق ممر سيارتك. إذا صعد الطريق لأول مرة 50 قدمًا قبل أن ينخفض بسرعة 150 قدمًا للوصول إلى الممر ، فمن الواضح أنك يجب أن تقوم بالدواسة لفترة من الوقت قبل أن تتمكن من البدء في الهبوط. ولكن إذا كان امتداد الطريق يتكون ببساطة من خفض منتظم لطيف بطول نصف ميل ، فيمكنك أن تتراجع طوال الطريق.
في الواقع ، يحول الإنزيم السيناريو الأول إلى السيناريو الثاني ؛ لا يزال فرق الارتفاع 100 قدم ، لكن التصميم العام ليس هو نفسه.
نموذج القفل والمفتاح
على مستوى التعاون الجزيئي ، غالبًا ما يتم وصف مركب الركيزة الإنزيمية من حيث a علاقة "القفل والمفتاح": الجزء من جزيء الإنزيم الذي يرتبط بالركيزة ، ويسمى موقع نشط، يتم تشكيله بحيث يتناسب تمامًا تقريبًا مع جزيء الركيزة.
تمامًا مثلما يؤدي تحريك مفتاح في قفل وتحويله إلى حدوث تغييرات في القفل (مثل حركة a deadbolt) ، يحقق المحفز نشاطًا إنزيميًا عن طريق التسبب في تغيير جزيء الركيزة شكل.
يمكن أن تؤدي هذه التغييرات إلى إضعاف الروابط الكيميائية في الركيزة من خلال التشويه الميكانيكي ، إعطاء الجزيء ما يكفي من "الدفع" أو "الالتواء" للتحرك نحو شكل المنتج النهائي.
غالبًا ما يكون المنتج الذي سيتم طرحه في ملف حالة انتقالية في غضون ذلك ، والذي يشبه إلى حد ما المادة المتفاعلة ويشبه المنتج إلى حد ما.
النموذج ذو الصلة هو نوبة مستحثة مفهوم. في هذا السيناريو ، لا يصنع الإنزيم والركيزة في البداية ملاءمة مثالية للقفل والمفتاح ، ولكن حقيقة يتسبب التلامس في حدوث تغييرات في شكل الركيزة التي تعمل على تحسين ركيزة الإنزيم الفيزيائية تفاعل.
إن التغيير في الركيزة يجعلها أكثر شبهاً بجزيء الحالة الانتقالية ، والذي يتم تغييره بعد ذلك إلى المنتج النهائي مع تحرك التفاعل للأمام.
ما الذي يؤثر على وظيفة الإنزيم؟
على الرغم من قوتها ، إلا أن الإنزيمات ، مثل جميع الجزيئات البيولوجية ، لا تُقهر. يمكن للعديد من نفس الحالات التي تتلف أو تدمر الجزيئات الأخرى ، وكذلك الخلايا والأنسجة الكاملة ، أن تبطئ نشاط الإنزيم أو تمنعها من العمل تمامًا.
كما تعلم على الأرجح ، الخاص بك درجة حرارة الجسم يجب أن تظل في نطاق ضيق (عادة حوالي 97.5 إلى 98.8 درجة فهرنهايت) حتى تظل بصحة جيدة. أحد أسباب ذلك هو أن الإنزيمات تتوقف عن العمل بشكل صحيح إذا ارتفعت درجة حرارة الجسم فوق هذا المستوى - وهو ما تعتبره حمى.
أيضًا ، يمكن للظروف الحمضية العالية أن تعطل الروابط الكيميائية للإنزيم. يسمى هذا الضرر الناتج عن درجة الحرارة ودرجة الحموضة تغيير الطبيعة من الانزيم.
بالإضافة إلى ذلك ، كما قد تتوقع ، تميل الزيادة في كمية الإنزيم إلى تسريع التفاعل بشكل أكبر ، بينما يؤدي انخفاض تركيز الإنزيم إلى إبطائه.
وبالمثل ، فإن إضافة المزيد من الركيزة مع الحفاظ على كمية الإنزيم نفسها تسرع التفاعل حتى يصل الإنزيم إلى "الحد الأقصى" ولا يمكن أن يحضر كل الركيزة الموجودة.
ما هي الإنزيمات المساعدة والعوامل المساعدة؟
لنفترض أنك ذاهب في رحلة على الدراجة لجمع التبرعات عبر البلاد وأنك مدعومًا على طول الطريق من قبل الأصدقاء الذين يقدمون لك المشروبات والملابس الطازجة من شاحنة.
سيحتاج أصدقاؤك إلى دعم خاص بهم أثناء الرحلة ، مثل الوقود للمركبة والطعام للطاقم.
إذا كان من الممكن اعتبار رحلتك بمثابة "رد فعل" وكان طاقم الشاحنة هو "الإنزيم" الذي "يحفز" رحلتك ، فيمكن اعتبار متاجر الطعام على الطريق على أنها الإنزيمات - في الكيمياء الحيوية، مواد ليست إنزيمات ، ولكنها ضرورية للإنزيمات للقيام بعملها على أفضل وجه.
مثل الركائز ، ترتبط الإنزيمات المساعدة بالموقع النشط للإنزيمات ، حيث ترتبط الركيزة ، لكنها لا تعتبر ركائز بحد ذاتها.
غالبًا ما تعمل الإنزيمات المساعدة كحاملات للإلكترون ، أو مواقع الالتحام المؤقتة للذرات أو المجموعات الوظيفية التي يتم نقلها بين الجزيئات في التفاعل الكلي. العوامل المساعدة هي جزيئات غير عضوية مثل الزنك التي تساعد الإنزيمات في الكائنات الحية ، ولكن على عكس الإنزيمات المساعدة ، فإنها لا ترتبط بالموقع النشط للإنزيم.
أمثلة شائعة الإنزيمات تضمن:
- أنزيم أ، أو CoA ، التي ترتبط بالأسيتات لتكوين acetyl CoA ، وهي مهمة في التنفس الخلوي ، والتي تولد الطاقة للخلايا من سكر الجلوكوز ؛
- نيكوتيناميد الأدينين ثنائي نوسيلوتيد (NAD) و فلافين الأدينين ثنائي نوسيلوتيد (FAD) ، وهي ناقلات إلكترون عالية الطاقة تساهم أيضًا في التنفس الخلوي ؛
- فوسفات البيريدوكسال ، أو فيتامين ب 6التي تنقل المجموعات الأمينية بين الجزيئات.
