التمثيل الغذائي للمواد الحاملة للطاقة

التمثيل الغذائي للمواد حاملة الطاقه

) (٤الإنزيمات :ENZYMES

مقدمة:

عرفت الإنزيمات عام ١٨٣٨م وكان يطلق عليها في ذلك الوقت اسم Fermentأي ما يسبب التخمر Fermentationوبعد ذلك أطلق عليها العالم Kuhunسنة ١٨٧٨م اسم الإنزيمات أي معناها في اليونانية"في الخميرة"In yeast إذ أمكن عمل مستخلص من الخميرة يسبب عملية التخمر .وكان يعتقد قبل ذلك أنه لا بد من وجود خلايا الخميرة حية لكي تسبب التخمر.

ثم جاء العالم Fisherسنة ١٨٩٤م واكتشف نظرية تخصص الإنزيم.

وفي عام ١٩٢٨م تمكن Summesمن الحصول على أول إنزيم في حالة بلورية تم فصل بعد ذلك العديد من الإنزيمات في حالة نقية )متبلورة أو غير متبلورة( وخاصة إنزيمات هضم البروتينات ثم إتجه بعد ذلك إلي الإهتمام بالإنزيمات الداخلية بالخلية .واتجه الإهتمام بعد ذلك إلي دراسة التركيب الكيميائي للإنزيمات وثبت أنها عبارة عن بروتينات ذات وزن جزئي مرتفع وأنها تتأثر بالح اررة وأمكن معرفة ترتيب الأحماض الأمينية في الجزئ ودرست الروابط الببتيدية وكيفية إتحاد السلاسل

الببتيدية مع بعضها.

تعريف الإنزيم – ماهية الإنزيم؟what's the enzyme يمكن تعريف الإنزيم بأنه عبارة عن :بروتينات أو مركبات عضوية ذات وزن جزيئي مرتفع -وتعمل كعوامل مساعدة في الكائنات الحية – وتفرز بواسطة خلايا الكائنات الحية -ولكن لها القدرة على التفاعل مستقلة عن الخلايا التي تفرزها – ولها خاصية التخصص الشديد -وتقتل أو يقف نشاطها بواسطة الح اررة.

تسمية الإنزيمات Enezymes nomenclature

مضافا إليها المقطع

تسمي الإنزيمات عادة باسم المادة التي يؤثر عليها الإنزيم

-٤٣٠-

المواد الحاملة للطاقة -التمثيل الغذائي

) (aseومثل ذلك إنزيم الماليتز maltaseالذي يقوم بالتحليل المائي لسكر المالتوز

.Maltose

وتسمي باسم التفاعل الذي تقوم به مضافا اليه مقطع ومثال ذلك الإنزيم الذي يؤكسد حامض الأسكوربيك فيسمي .Ascorbic acid oxidize وفي بعض الأحيان يعطي للإنزيم إسم ليس له علاقة باسم المادة أو التفاعل الذي يقوم به ومثال ذلك إنزيم البيسين pepsinوانزيم التريسين Trypsinوهما من

إنزيمات التحلل المائي للبروتينات.

والإنزيمات عبارة عن عوامل مساعدة نشطة وهي عموما سريعة المفعول ومقدار جدا منها يكفي للتفاعل .فلقد وجد أن جزئ واحد من الإنزيم يمكن أن يحول

قليل

حوالي ٤٠٠-٣٠٠جزئ من المادة المتفاعلة substrateفي الثانية الواحدة في درجة ح اررة الجسم .وهي عادة تعمل في وسط معين وتصبح غير فعالة إذا حدث

تغيير في الوسط.

والإنزيمات عادة تساعد على اتمام تفاعلات لا يمكن بالطرق الكيميائة المعروفة فمثلا نجد أن بعض المركبات التي لا تتأثر بالغليان بواسطة حامض النيتريك

عملها .

جدا بواسطة الإنزيمات على درجة الح اررة العادية.

المركز تتحلل بسهولة

وتعمل الإنزيمات عن طريق إتحادها مع المادة المتفاعلة الخاصة specific substrateفتجعلها في حالة نشطة وقادرة على التحول إلي ناتج التفاعل المفروض

بواسطة الإنزيم.

واتحاد الإنزيم مع المادة المتفاعلة يكون بطريقة مختلفة وخاصة .فهو جدا على مادة معينة أو روابط معينة highly specificويكون عادة

متخصص

إتحاد ضعيف ينتهي عند ظهور ناتج التفاعل وعادة يكون لكل تفاعل إنزيم معين )أي أن الإنزيم له مادة تفاعل خاصة به فقط وليس على مادة تفاعل قريبة الشبه بها

-٤٣١-

التمثيل الغذائي للمواد حاملة الطاقه

من الناحية الكيميائية أو الطبيعية(.

والمعروف عن الإنزيمات أنها تعمل تفاعلات عكسية )أي أنها تتحد مع وتنشط المادة الناتجة في التفاعل الأصلي كما تتحد مع المادة الداخلة في التفاعل الأصلي( فمثلا عندما يوجد تفاعل مزدوج بواسطة نوعين من الإنزيمات يشترك بينهما مادة

تفاعل واحدة فيكون ناتج التفاعل الأول هو المادة الداخلة substrateفي التفاعل

الثاني.

ويوجد نوعين من التفاعلى المزدوج :Substrate linked reaction -١التفاعل الذي يأخذ فيه الإنزيم الثاني المادة الناتجة من التفاعل الأول كمادة داخلة في التفاعل substrateوتحولها إلي مادة جديدة )أي أنها هي همزة الوصل( فمثلا A :يتحول إلي Bبواسطة إنزيم معين ثم Bتتحول إلي Cبواسطة إنزيم ثاني فهمزة الوصل هنا هي المادة Bالتي تشترك مع التفاعل الأول كمادة ناتجة من التفاعل وتشترك في التفاعل الثاني كمادة داخلة في التفاعل.

-٢التفاعل الذي يرجع الإنزيم الثاني ما عمله الإنزيم الأول في المادة الداخلة في التفاعل .فمثلا :إذا كان الإنزيم الأول يختزل التفاعل فإن الإنزيم الثاني يؤكسده أو إذا كان الإنزيم الأول يعطي مجموعة فوسفات فإن الثاني يأخذ مجموعة الفوسفات

وهكذا.

والفرق بين النوع الأول والنوع الثاني من التفاعل المزدوج هو أنه في النوع الأول تكون مادة همزة الوصل linking substrateعبارة عن مادة دخلت في التفاعل لتكوين مادة جديدة في سلسلة التفاعلات المختلفة كما في حالة التمثيل الغذائي .أما النوع الثاني فإن مادة الوصل linking substrateهي مادة غير داخلة في التفاعلات التمثيلية وتبقي كما هي بعد إنتهاء التفاعل ولا تتحول إلي مادة أخري فهي

مثلا hydrogen carrierبين Aو .C

مادة ناقلة للأيدروجين

-٤٣٢-

المواد الحاملة للطاقة -التمثيل الغذائي

الفرق بين الإنزيمات والعوامل المساعدة

differences between enzymes and co- factors

العامل المساعد :يؤثر على سرعة التفاعل الكيميائي دون أن يظهر في التفاعل ويبقي كما هو بعد نهاية التفاعل ولا يؤثر على كمية الناتج وكمية بسيطة منه تؤثر على سرعة التفاعل وعلي كمية كبيرة من المادة ويختلف عن الإنزيم في الآتي:

جدول رقم )(٤٨

العامل المساعد Co-factor

الإنزيم Enzyme

-١مادة عضوية أو غير عضوية

بروتين

-٢غير شديد التخصص

شديد التخصص

-٣لا يتأثر بالح اررة أو ال pH

يتأثر بالح اررة وال pH

-٤لا يحتاج لمواد أخري لمساعدته

يحتاج لمواد أخري مثل Co-enzymes

وغيرها

تخصص الإنزيمات :Specificity of enzymes

تخصص الإنزيم هي من أهم الصفات التي يتصف بها جزئ الإنزيم .ومعني التخصص هو أن يكون عمل الإنزيم مقصوار على نوع واحد من المركبات أو نوع معين من التفاعلات الخاصة به .ولذلك فإن التخصص للإنزيمات هو العامل

فمثلا :عملية تخمر الجلوكوز بواسطة

الأساسي في ترتيب سلسلة التفاعلات المعقدة

الخميرة لإنتاج الكحول يحتاج إلي أكثر من عشرة إنزيمات مختلفة .هذا وينقسم

تخصص الإنزيمات إلي الأقسام الآتية:

اولا :تخصص بالنسبة للتشابة الضوئي :Steriochemical specification فمثلا :إنزيم Arginaseالذي يحلل الحامض الأميني

والأمثلة على ذلك كثيرة

الأرجنين Arginineلينتج Ureaو .Ornithine

هذا الإنزيم متخصص في نوع واحد من المواد التي تحتوي على ذرات كربون

-٤٣٣-

التمثيل الغذائي للمواد حاملة الطاقه

غير متناسقة مما يسبب في وجود نوعين منهما فهو متخصص للنوع )Levo

(L

وليس للنوع ).(D Dextro

وكذلك إنزيم Lactic dehydrogenaseالذي يعمل على المشابه الضوئي D- lacticولا يعمل على المشابه الضوئي .L-lactic

ثانيا :تخصص بالنسبة للتركيب الكيماوي

Chemical structure specification

يوجد ثلاثة أنواع من هذا التخصص:

أ -إنزيمات لها علاقة كبيرة بنوع الرابطة فقط )فأي جزئيين يتحدان بنفس نوع الرابطة يمكن للإنزيم أن يعمل عليها( ويطلق على هذا النوع من التخصص

نسبيا.

Low specifyوهو قليل الوجود

ب -إنزيمات لها علاقة بنوع الرابطة وأحد المواد الداخلة في التفاعل ومن أمثلتها :إنزيم المالتيز Maltaseفي الأمعاء الذي يعمل على الرابطة الجليكوسيدية من النوع الفاجلوكوسيد +جزيئ جلوكوز وبذلك يمكن أن يحلل جزيئ سكر المالتوز لأن تركيبه عبارة عن جزيئين من سكر الجلوكوز المرتبطين بواسطة رابطة جليكوسيدية من النوع ألفا وكذلك يمكن لهذا الإنزيم أن يحلل ميثايل الفا)م(

جلوكوبيرانوسيد.

ج -إنزيمات لها علاقة بنوع الرابطة ولا بد من وجود جزيئين معينين حول الرابطة )فإذا تغير أحدهما أو كلاهما فلا يمكن للإنزيم أن يعمل( .ويطلق على هذا النوع من التخصص Absolute specifyومن أمثلة هذا النوع إنزيم المالتيز

-٤٣٤-

المواد الحاملة للطاقة -التمثيل الغذائي

والموجود في بذور الشعير والذي لا يؤثر إلا على مركب به رابطة جليكوسيدية من النوع الفا +جزئيين من الجلوكوز على طرفي الرابطة .وهناك أمثلة أخري على هذا

جدا بين

النوع من التخصص الإنزيمي ،وفي واقع الأمر فإن هذا النوع هو الشائع

الإنزيمات ونذكر منها-:

إنزيم Succinic acid dehydrogenaseالذي يختص بتفاعلات نزع الهيدروجين من حمض السكسنيك Succinic acidفقط ولا يتم التفاعل مع حامض المالونيك Malonic acidوالذي يتشابه تشابها شديدا جدا مع حامض السكسينك

من ناحية تركيبه الكيميائي.

العوامل التي تؤثر على التفاعالت الإنزيمية :Kinetics of enzymes

-١درجة الح ارراة :Temperature

معظم التفاعلات الكيميائية تتأثر بالح اررة حيث أنها تزيد من سرعة معظم التفاعلات الكيميائية وعموما فإن التفاعلات الإنزيمية تسلك إلي حد ما مسلك التفاعلات الكيميائية بتأثرها بالح اررة ولكن إلي درجة معينة حيث أن ارتفاع درجة الح اررة يؤدي إلي قتل الإنزيم ويصبح غير فعال Inactiveويرجع ذلك إلي حدوث تغير طبيعي في جزيئ البروتين المكون للإنزيم Denaturationويثبت ذلك أن الإنزيمات عبارة عن بروتينات ،ولكل إنزيم درجة ح اررة معينة يكون فيها أنشط ما يمكن وتسمي هذه الدرجة بدرجة الح اررة المثلي .optimum temperature ودرجة الح اررة المثلى لمعظم الإنزيمات تقع ما بين °٤٠-٣٧م أما الدرجة التي توقف عمل الإنزيم Thermal inactivation of the enzymeفتقع ما بين -٧٠

°٨٠م.

وتفقد الإنزيمات حيويتها إذا ما فقدت مفعولها بواسطة الح اررة ولو أن بعض الإنزيمات مثل التربسين Trypsinيمكن من أن يستعيد حيويته ثانية بعد فقد نشاطه

بالح اررة.

-٤٣٥-

التمثيل الغذائي للمواد حاملة الطاقه

-٢درجة الحموضة :pH

من المعروف أن حيوية أي إنزيم تكون أنشط ما يمكن على درجة حموضة pH خاصة .وهذه تسمي بالدرجة المثلي للحموضة .Optimum pH وأي زيادة في درجة الحموضة pHعلى كلتا الجانبين )حموضة كانت أو قلوية( عن درجة الحموضة المثالية Optimum pHتؤدي إلي حدوث تجلط للبروتين الموجود بالإنزيم أو تغير في طبيعة الداخلية Denaturationويصبح بذلك عديم الذوبان ولا يمكن عودته ثانية إلي حالة الذوبان الطبيعية .ولكن عند درجة الحموضة المثالية نجد أن الإنزيم يبقي في حالته الطبيعية ويكون بروتينه في حالة

ذائبة وبذلك يحتفظ بحيويته لمدة طويلة.

-٣تركيز المادة الداخلة في التفاعل substrateعلى سرعة التفاعل:

تزداد سرعة التفاعلات الإنزيمية كلما زادت كمية ال substrateحيث تقف عند حد معين لا يزيد فيه سرعة التفاعل مهما أضيف كمية أكبر من substrate وهذا يرجع إلي أن الإنزيم يتحد مع substrateلتكوين مركب وقتي يتحلل بعد ذلك

إلي نواتج التفاعل +الإنزيم.

وعلي ذلك فعندما تكون كمية المادة المتفاعلة صغيرة يمكن للإنزيم أن يتحد معها كلها ويكون المركب الجديد وبإضافة كمية كبيرة من المادة المتفاعلة فإن ذلك لا يؤثر على سرعة التفاعل لأن سطح الإنزيم والذي يمكنه أن يأخذ المادة المتفاعلة يكون كامل الإمتلاء بال substrateوسطح الإنزيم له القدرة على تكوين مركب وسطي مع كمية معينة فقط من المادة المتفاعلة ثم يتحلل هذا المركب إلي نواتج التفاعل وبزيادة المادة المتفاعلة نجد أن سرعة التفاعل لا تزيد إلا بنسبة معينة ثم

تقف.

-٤٣٦-

المواد الحاملة للطاقة -التمثيل الغذائي

-٤تأثير تركيز الإنزيم على سرعة التفاعل:

تزداد سرعة التفاعل reaction velocityبزيادة تركيز الإنزيم عن تركيز substrateوذلك لأن المساحة الموجودة على سطح الإنزيم ستزداد وبذلك يمكن أن تلتصق كمية كبيرة من المادة المتفاعلة على سطح الإنزيم لتكوين المركب الوقتي.

-٥تأثير وجود المثبطات على سرعة التفاعل:

يقف عمل الإنزيمات بواسطة العديد من المركبات الكيميائية علاوة على العوامل الفيزيائية physical factorsكالح اررة والرج الشديد والتعرض للأشعة فوق البنفسجية وغيرها وكل ذلك يؤدي إلي حدوث تغير طبيعي في جزيئ البروتين وبذلك يفقد حيويته .ولقد وجد أن الكثير من المرسبات التي ترسب البروتينات تؤدي إلي وقف

نشاط الإنزيم .وهناك نوعان من المثبطات-:

مثبطات منافسة Competitive inhibitors

مثبطات غير منافسة Non competitive inhibitors

أولا :المثبطات المنافسة :Competitive inhibitors

وهذا النوع من المثبطات كان يطلق عليه بالمثبطات العكسية )أي أن نشاط الإنزيم يمكن أن يعود بعد زوال تأثير المثبط( ولكن هذه التسمية لا تكون حقيقية )غير دقيقة( ذلك لأن المثبط غير المنافس بعد زواله أيضا في بعض الأحيان يمكن أن يعاود الإنزيم نشاطه وحيويته مرة ثانية .ومن أمثلة هذا النوع من المثبطات)أي المثبطات المنافسة( Succinic acid dehydrogenaseوالذي يحول حامض السكسينيك Succinic acidإلي حامض الفيوماريك Fumaric acidولكن بإضافة حامض المالونيك Malonic acidيعمل كمثبط منافس competitive inhibitorذلك لأن تركيبه الكيميائي يشابه تركيب حامض السكسينيك )حيث أن كل منهما عبارة عن حامض ثنائي الكربوكسيل .Dicarboxylic acid

-٤٣٧-

التمثيل الغذائي للمواد حاملة الطاقه

COOH

COOH

CH2

CH2

CH2

COOH

COOH

Malonic acid

Succinic acid

فنجد أن حامض المالونيك Malonic acidيمكن أن يتحد مع الإنزيم مثل حامض السكسينيك Succinic acidولكن الفرق بينهما أن المركب المتكون من حامض السكسينيك والإنزيم يمكن أن يتحلل ويعطي ناتج التفاعل بينما المركب المتكون من حامض المالونيك والإنزيم لا يتحلل ويبقي كما هو وبذلك يعطل وجود الإنزيم على حالة حرة نشطة وتقف عليه تحويل حمض السكينيك إلي حمض فيوماريك.

ولو كان كل من المركبين المتشابهين كيميائيا يتحدان مع الإنزيم على نقط إرتكاز مختلفة لكان من السهل لكل منهما أن يتحد مع الإنزيم على النقط الخاصة به ولكن نظ ار لوجود منافسة بينهما يؤكد أن إتحادهما مع الإنزيم يكون على نفس النقط

بالضبط.

ومن المعروف أن الإنزيم يتحد مع ال substrateعند نقطة خاصة فإذا كانت هذه النقط الخاصة لإرتكاز المادة على الإنزيم غير حرة نتيجة لإتحادها مع مركب آخر فإن المادة نفسها لا يمكن أن تتحد في أي وضع آخر مع الإنزيم وبهذا لا يتكون المركب الجديد بين الإنزيم وال substrateويقف التفاعل.

ثانيا :المثبطات الغير منافسة :Non competitive inhibitors

وهذا النوع من المثبطات يؤثر على الإنزيم عن طريق فصل المجموعة الفعالة أو ترسيبها من الإنزيم كما في حالة تأثير سيانيد البوتاسيوم potasium cyanideعلى إنزيم ascorbic acid oxidizeفهي ترسب مجموعة النحاس الموجودة في الإنزيم وينتج عن

-٤٣٨-

المواد الحاملة للطاقة -التمثيل الغذائي

ذلك عدم حيويته وبإضافة كمية من أيونات النحاس للمحلول بعد التخلص من سيانيد

البوتاسيوم يمكن أن تعود إلى الإنزيم حيويته.

ومعظم المثبطات غير المنافسة يتحد مع الإنزيم مثل المثبطات المنافسة ولكن إتحادها مع الإنزيم يكون عند نقطة مختلفة من نقط إرتكاز ال substrateعلى الإنزيم ومع ذلك يمكن للمثبط أن يوقف عمل الإنزيم مع أنه متحد على نقط بعيدة عن نقط إرتكاز ال substrateومن أمثلة هذا النوع :إضافة الحامض الأميني الليسين Lysineإلى إنزيم الأرجينيز Arginaseفيقف نشاطه.

وعموما فالمثبط غير المنافس يكون تركيبة الكيميائي مختلف عن المادة

المتفاعلة.

ويوجد أنواع أخري من المثبطات وهي جميع المواد التي تعمل على تجلط البروتين أو تغير في طبيعته Denaturationمثل ثالث كلوريد حامض الخليك واليوريا وهذه الأنواع غير مختصة لأي نوع من الإنزيمات ويكون تأثيرها غير عكسي

عكسي

أو

فمثلا

بعض

أنواع

المثبطات

مثل

مركب

P.chloromercuribenzoateنجد أنه يؤثر على الإنزيمات ويوقف عملها ولكن بإضافة مركب )حامض السيستئين( Cysteineيزول عمل هذا المثبط ويصبح الإنزيم فعال ثانية ويمكن تفسير ذلك بأن هذا المركب يتفاعل فقط مع مجموعة السلفا هيدريل ) (SHولكن بإضافة Cysteineالذي يحتوي على مجموعة السلفا هيدريل هذه فتتحد هذه المجموعة ) (SHمع المركب المثبط ويبقي الإنزيم على حالة حرة

نشطة.

ويوجد نوع جديد من المثبطات يسمي Uncompetitiveوهذا النوع يتحد مع المركب المؤقت المتكون بين الإنزيم substrate +وليس مع ال substrateفقط فعند تكوين المركب الناتج من إتحاد الإنزيم مع ال substrateيتحد به uncompetitive

-٤٣٩-