الوحدة 3 — النشاط الأنزيمي للبروتينات

من إماهة النشاء إلى التثبيط التنافسي: مفهوم الأنزيم، قياس نشاطه بالتجريب المدعّم بالحاسوب، بنية الموقع الفعّال، والتخصّص المزدوج وشروط العمل.

يتكوّن الدرس من 13 أجزاء: 1. مدخل إلى الوحدة — ما الأنزيم ولماذا يهمّ؟، 2. إظهار النشاط الأنزيمي بالتجارب الاعتيادية، 3. قياس النشاط الأنزيمي — التجريب المدعّم بالحاسوب ExAO، 4. حركية التفاعل الأنزيمي — أربع تجارب، 5. الموقع الفعّال — بنيته وتشكّله، 6. العلاقة بين الأنزيم ومادّة التفاعل والتخصّص المزدوج، 7. التثبيط التنافسي، 8. تأثير درجة حموضة الوسط على النشاط الأنزيمي، 9. تأثير درجة الحرارة والمقارنة مع التفاعل الكيميائي، 10. التكامل البنيوي والتكامل المحفَّز — تحليل وثائق الملحق، 11. موقع التثبيت وموقع التحفيز — الطفرات والتخصّص المزدوج، 12. التفسير الجزيئي لتأثير الـ pH والحرارة — نمذجة الموقع الفعّال، 13. الحصيلة المعرفية والتطبيق.

1. مدخل إلى الوحدة — ما الأنزيم ولماذا يهمّ؟

وضعية الانطلاق

تعرّض أحد التلاميذ لحمّى شديدة ألزمته الفراش وعرّضت حياته للخطر. فلماذا يكون ارتفاع درجة حرارة الجسم فوق 42 °م خطراً إلى هذا الحدّ؟

الجواب يقود مباشرة إلى الأنزيمات: فكلّ نشاطات الجسم مرتبطة بعملها، وارتفاع الحرارة يُعطّلها.

الإشكاليات:

  • ما مفهوم هذه الجزيئات البروتينية التي تختلف أدوارها باختلاف المواد التي تؤثّر فيها؟
  • ما خصائصها وما شروط عملها؟

تذكير بالمكتسبات — الأنزيمات الهاضمة

يتناول الإنسان الأغذية في صورة معقّدة، بينما يتمّ امتصاصها على مستوى الأمعاء في صورة بسيطة. ويتمّ هذا التبسيط بواسطة أنزيمات هاضمة موجودة في الأنبوب الهضمي، من الفم فالمعدة ثمّ الأمعاء الدقيقة.

![تبسيط النشاء إلى ديكسترينات فمالتوز فغلوكوز بتأثير أنزيمَي الأميلاز والمالتاز](/uploads/media/svt/svt_u03_amylase_amidon.png)

سلسلة إماهة النشاء:

نشاء ← (أميلاز) ← ديكسترينات ← (أميلاز) ← مالتوز، سكر الشعير ← (مالتاز) ← سكريات بسيطة (غلوكوز)

| الأنزيم | مادّة التفاعل | | :------ | :------------- | | الأميلاز | النشاء | | البروتياز | البروتينات | | الليباز | الدسم |

> الاستنتاج الأوّل: تقوم الأنزيمات بـتسريع التفاعلات الكيميائية، ويتميّز عملها بـالنوعية.

عواقب غياب أنزيم — الحالة الأولى

![رسم يوضّح شخصاً يعاني من أعراض عدم تحمّل اللاكتوز](/uploads/media/svt/svt_u03_intolerance_lactose.png)

فحص الطبيب شخصاً يعاني من آلام في المعدة وتقيّؤ وإسهال وغازات، تتكرّر بعد ساعة إلى ساعتين من تناول الحليب أو مشتقّاته.

نتائج التحاليل:

| الفحص | النتيجة | | :---- | :------ | | نسبة السكر في الدم على الريق | طبيعية | | نسبة الغلوكوز بعد تناول محلول اللاكتوز بساعتين | لم ترتفع | | تحليل البراز | حموضة عالية وانطلاق غاز الهيدروجين |

التشخيص: مرض عدم تحمّل اللاكتوز (Intolérance au lactose)، وسببه غياب أو نقص نشاط أنزيم اللاكتاز المحلّل للاكتوز (سكر الحليب).

هل هو وراثي؟ في أغلب الحالات نعم: يتراجع إنتاج اللاكتاز تدريجياً بعد الفطام وفق برنامج محدّد وراثياً، لذلك لا تظهر الأعراض بعد الولادة مباشرة وإنّما بعد بلوغ سنّ معيّنة تختلف من شخص لآخر. وقد يكون مكتسباً (ثانوياً) بسبب التهاب الأمعاء أو أمراض الجهاز الهضمي التي تُضعف قدرة الخلايا المفرزة للأنزيم.

العلاج: تفادي الحليب ومشتقّاته وهو علاج مؤقّت، أو تناول غذاء يحتوي على أنزيم اللاكتاز مع الوجبة.

عواقب غياب أنزيم — الحالة الثانية

يعاني بعض الأطفال بعد الولادة من أمراض تخزين الغليكوجين (Glycogénose).

| العنصر | التفصيل | | :----- | :------ | | الأعراض | تضخّم الكبد بسبب تراكم الغليكوجين، زيادة حجم الكلى، نقص السكر في الدم | | السبب | غياب نشاط أنزيم Glucose-6-phosphatase بسبب طفرة على مستوى المورثة | | دور الأنزيم | تحويل الغلوكوز-6-فوسفات إلى غلوكوز داخل خلايا الكبد، وهو تحويل ضروري لخروج الغلوكوز من الكبد | | هل هو وراثي؟ | نعم، ولذلك لا يمكن علاجه علاجاً جذرياً |

لماذا ينخفض السكر في الدم؟ في الحالة الطبيعية يُعوَّض نقص السكر بين الوجبات بالسكر الناتج عن تحلّل الغليكوجين الكبدي. وفي حالة المرض ينعدم الأنزيم المسؤول عن التحويل، فيستحيل خروج الغلوكوز من الكبد.

> الخلاصة: غياب أنزيم واحد يكفي لتعطيل مسار أيضي كامل وإحداث مرض. هذا يقيس أهمّية الأنزيمات في الجسم.

2. إظهار النشاط الأنزيمي بالتجارب الاعتيادية

أ — الإماهة الأنزيمية للسكاروز

تستطيع خلايا الخميرة (فطر أحادي الخلية) النموّ في وسط يحتوي على السكاروز، عن طريق إفراز أنزيم إلى الخارج يقوم بإماهته إلى غلوكوز وفروكتوز.

![آلية إماهة السكاروز بأنزيم في أربع مراحل: الارتباط بالموقع الفعّال، تشكّل المعقّد، كسر الرابطة، تحرّر النواتج](/uploads/media/svt/svt_u03_saccharose_mecanisme.png)

بروتوكول التجربة: أربعة أنابيب تحتوي كلّها على 2 مل من محلول السكاروز، توضع في حمّام مائي عند 30 °م، ثمّ يُكشف عن الغلوكوز بعد فترات زمنية.

| الأنبوب | المحتوى الإضافي | وجود الغلوكوز | | :------ | :--------------- | :-------------- | | 1 | لا شيء (شاهد) | − بعد دقيقة، و+ بعد عدّة أشهر | | 2 | 2 مل من محلول الخميرة | +++ بعد دقيقة | | 3 | 2 مل من راشح محلول الخميرة | +++ بعد دقيقة | | 4 | 2 مل من راشح الخميرة بعد تسخينه للغليان | − |

تحليل المقارنات:

| المقارنة | الاستنتاج | | :------- | :--------- | | 1 و2 | وجود الخميرة أدّى إلى تسريع إماهة السكاروز | | 2 و3 | الخميرة سرّعت التفاعل عن طريق إفرازها لمادّة قابلة للترشيح | | 3 و4 | المادّة المسرِّعة تتخرّب بالحرارة، ممّا يشير إلى أنّها ذات طبيعة بروتينية |

> ملاحظة مهمّة: ترك الأنبوب الأوّل لفترة طويلة (عدّة أشهر) يؤدّي إلى إماهة كاملة للسكاروز. أي أنّ التفاعل يحدث تلقائياً لكن ببطء شديد؛ والأنزيم لا يخلق التفاعل بل يسرّعه.

ب — الإماهة الأنزيمية للنشاء

عند إنبات بذور القمح تتمّ إماهة النشاء المدّخر في البذرة إلى سكريات بسيطة يستعملها الرشيم للنموّ.

![طبق بيتري يحوي جيلوزاً ممزوجاً بالنشاء عليه بذور قمح في طور الانتاش، مع هالات شفّافة حول البذور بعد الكشف باليود](/uploads/media/svt/svt_u03_grains_ble_gelose.png)

| المرحلة | البروتوكول | النتيجة | | :------ | :---------- | :------- | | الأولى | بذور قمح منتشة مقطوعة طولياً توضع على جيلوز بالنشاء، ثمّ يُسكب محلول اليود بعد أيام | عدم تلوّن المناطق القريبة من البذرة باللون الأزرق البنفسجي | | الثانية | نزع الجيلوز الملامس للبذرة وإضافة محلول فهلينك مع التسخين | ظهور راسب أحمر آجرّي | | الثالثة | سحق بذور منتشة في ماء مقطّر، ترشيح، ثمّ إضافة الراشح إلى محلول نشاء | غياب اللون الأزرق البنفسجي بعد إضافة اليود |

التفسير:

  • عدم التلوّن باليود يشير إلى **غياب النشاء**، أي إلى **إماهته**.
  • الراسب الآجرّي مع فهلينك يكشف عن **السكريات المرجعة (الغلوكوز)**، وهي نواتج الإماهة.
  • المرحلة الثالثة تثبت أنّ المسؤول عن الإماهة هو **جزيئات قابلة للترشيح** أفرزتها البذرة وانتشرت في الجيلوز المجاور.

> الاستنتاج: الكائن الحيّ يفرز مواد قابلة للترشيح، تتخرّب بالحرارة، تُسرّع تفاعلات كيميائية محدّدة. هذه المواد هي الأنزيمات.

3. قياس النشاط الأنزيمي — التجريب المدعّم بالحاسوب ExAO

التركيب التجريبي

ExAO اختصار لـ Expérimentation Assistée par Ordinateur، أي التجريب المدعّم بالحاسوب.

![التركيب التجريبي للتجريب المدعّم بالحاسوب: مفاعل حيوي ولواقط ووسائط وحاسوب](/uploads/media/svt/svt_u03_exao_montage.png)

| المكوّن | الدور | | :------ | :---- | | المفاعل الحيوي (Bio-réacteur) | وعاء يتمّ فيه التفاعل، توضع فيه المحاليل ومواد التفاعل والأنزيم، مزوّد بمكان لحقن المواد، ومحكم الغلق خاصّة عند قياس تركيز الغازات | | المسبار أو اللاقط (Sonde / Capteur) | يكشف عن مادّة معيّنة ويقيس تركيزها بصورة مستمرّة؛ ويُضاف لاقط للحرارة وآخر للـ PH لمتابعة تغيّراتهما | | الوسائط (Interfaces) | ربط اللواقط بالحاسوب | | الحاسوب ببرنامجه (Logiciel) | حساب النتائج وعرضها على شكل منحنيات |

مزايا ExAO مقارنة بالتجارب الاعتيادية

  • **قياس سريع ودقيق** للمواد المتفاعلة أو النواتج.
  • **متابعة آنية** لسير التفاعل على الشاشة، دون انتظار انتهاء التجربة.
  • مشاهدة أثر **إضافة مركّبات** أو تغيير شروط التفاعل **مباشرة**.
  • **الاحتفاظ بالنتائج** في ذاكرة الحاسوب، ورسم منحنيات عدّة تجارب في **نفس المعلم** للمقارنة.

لماذا نتابع الحرارة والـ PH أثناء التجربة؟ لأنّ تغيّر كلّ منهما يؤثّر على النتائج المنتظرة، فوجب إبقاؤهما ثابتين أو معلومين.

قياس سرعة التفاعل الأنزيمي

![منحنيا تركيز مادّة التفاعل والناتج بدلالة الزمن مع العلاقة بين السرعة ومشتقّ التركيز](/uploads/media/svt/svt_u03_vitesse_definition.png)

| المفهوم | التعريف | | :------ | :------ | | سرعة التفاعل | تُقاس بتقدير كمّية المادّة المستهلكة أو الناتجة خلال وحدة الزمن | | السرعة الابتدائية Vi | السرعة القصوى المسجّلة في بداية التفاعل، عندما تكون كمّية مادّة التفاعل مرتفعة | | العلاقة | السرعة = نقصان تركيز مادّة التفاعل S مقسوماً على الزمن = تزايد تركيز الناتج P مقسوماً على الزمن |

الأنزيم المختار للدراسة

وقع الاختيار على أنزيم الغلوكوز أكسيداز (Glucose Oxydase — GO) الذي يحفّز التفاعل:

غلوكوز + O₂ ← (GO) ← غلوكونولاكتون + H₂O₂، ثمّ غلوكونولاكتون + H₂O ← حمض الغلوكونيك.

لماذا هذا الأنزيم بالذات؟ لأنّ التفاعل يؤدّي إلى استهلاك الأكسجين، فيمكن متابعته بـلاقط الأكسجين لحظة بلحظة.

ويمكن اختيار أنزيم الكتالاز (Catalase) لنفس الغرض، وهو يحفّز التفاعل: 2H₂O₂ ← 2H₂O + O₂.

4. حركية التفاعل الأنزيمي — أربع تجارب

أُجريت التجارب كلّها عند درجة حرارة ثابتة 37 °م ودرجة PH = 7، باستعمال أنزيم الغلوكوز أكسيداز.

التجربة 1 — في غياب الأنزيم وفي وجوده

عند الثانية 30 من انطلاق التسجيل يُحقن تركيز ثابت من الأنزيم، وتُعاد التجربة بدون حقن.

| الحالة | ملاحظة تركيز O₂ | التفسير | | :----- | :---------------- | :------- | | في غياب GO | ثابت ومرتفع | عدم استهلاكه لغياب الأنزيم | | في وجود GO | يتناقص مع مرور الزمن | استهلاكه في أكسدة الغلوكوز، نتيجة تشكّل معقّد أنزيم ــ مادّة التفاعل (ES) |

> الاستنتاج: حفّز الأنزيم تفاعل أكسدة الغلوكوز في وجود الأكسجين.

التجربة 2 — حقن كمّيتين متساويتين من الغلوكوز

![منحنى تركيز الأكسجين بدلالة الزمن بعد حقن الغلوكوز مرّتين متتاليتين بنفس الكمّية](/uploads/media/svt/svt_u03_deux_injections.png)

الملاحظة: ينخفض تركيز الأكسجين بعد كلّ عملية حقن، وبنفس المقدار في المرّتين.

التفسير: نفس الأنزيم قام بأكسدة الغلوكوز في الحقن الأوّل والثاني، أي أنّ الأنزيم لم يتأثّر بالتفاعل.

> المعلومة الإضافية: لا يُستهلك الأنزيم خلال التفاعل، وإنّما تُستهلك مادّة التفاعل. والدليل عودة النشاط الأنزيمي بعد إضافة الغلوكوز رغم عدم تجديد الأنزيم.

التجربة 3 — تغيير تركيز مادّة التفاعل

خمس تجارب بنفس تركيز الأنزيم وتراكيز متغيّرة من الغلوكوز.

![خمسة منحنيات لتركيز الأكسجين بدلالة الزمن عند تراكيز مختلفة من مادّة التفاعل](/uploads/media/svt/svt_u03_concentrations_substrat.png)

| تركيز S (ميكرومول/ل) | 1 | 10 | 70 | 300 | 600 | | :-------------------- | :- | :-- | :-- | :--- | :--- | | Vi (ملغ/ل/دقيقة) | 3.6 | 9.6 | 28.8 | 34.8 | 34.8 |

![منحنى السرعة الابتدائية بدلالة تركيز مادّة التفاعل يبلغ مستوى ثابتاً](/uploads/media/svt/svt_u03_vi_substrat.png)

التحليل:

  • من التركيز 1 حتّى 300: كلّما زاد التركيز **زادت** السرعة الابتدائية.
  • من 300 حتّى 600: مهما زاد التركيز **بقيت** السرعة الابتدائية ثابتة.

الفرضيات المقترحة: لم يعد الأنزيم قادراً على تحويل كمّيات أكبر؛ بلغ طاقته القصوى؛ تشبّع الأنزيم بمادّة التفاعل.

> المعلومة الإضافية: يؤثّر الأنزيم على مادّة التفاعل عن طريق الارتباط بها، وعدد مواقع الارتباط محدود.

التجربة 4 — غلوكوز أم فروكتوز؟

![منحنيان لتركيز الأكسجين: استهلاك واضح في وجود الغلوكوز وثبات تامّ في وجود الفروكتوز](/uploads/media/svt/svt_u03_glucose_fructose.png)

| السكّر | تركيز O₂ | الاستنتاج | | :----- | :-------- | :--------- | | الغلوكوز | يتناقص | حدوث التفاعل | | الفروكتوز | ثابت | عدم حدوث التفاعل |

> الاستنتاج: لا يتعرّف أنزيم GO إلّا على الغلوكوز. فللأنزيم تخصّص تجاه مادّة التفاعل، رغم أنّ الفروكتوز سكّر سداسي الكربون له نفس الصيغة الإجمالية.

حوصلة التجارب الأربع

| التجربة | ما أثبتته | | :------ | :--------- | | 1 | الأنزيم يحفّز التفاعل | | 2 | الأنزيم لا يُستهلك أثناء التفاعل | | 3 | الأنزيم يتشبّع، فله عدد محدود من مواقع الارتباط | | 4 | الأنزيم نوعي تجاه مادّة التفاعل |

5. الموقع الفعّال — بنيته وتشكّله

النماذج الجزيئية للأنزيم ومادّة التفاعل

مُثّلت البنية الفراغية لأنزيم الليزوزيم في غياب مادّة التفاعل (E) وفي وجودها (ES).

![البنية الفراغية لأنزيم الليزوزيم وحده ثمّ مرتبطاً بمادّة التفاعل، مع تكبير لموقع الارتباط](/uploads/media/svt/svt_u03_lysozyme_es.png)

![نموذج مكدّس لأنزيم يُظهر موقع التفاعل فارغاً ثمّ مشغولاً بمادّة التفاعل](/uploads/media/svt/svt_u03_lysozyme_site.png)

الاستنتاج: ينتج عن البنية الفراغية للأنزيم موقع تفاعل يتكامل بنيوياً مع مادّة التفاعل. ووجود عدد محدّد من مواقع الارتباط هو ما يفسّر ثبات السرعة عند التراكيز العالية في التجربة 3: عند تشبّع المواقع تبلغ السرعة أقصاها.

![مخطّط مبسّط للموقع الفعّال لأنزيم يرتبط بمادّتَي تفاعل لإنتاج مركّب واحد](/uploads/media/svt/svt_u03_site_actif_schema.png)

دراسة الموقع الفعّال لأنزيم الكربوكسي بيبتيداز

![الموقع الفعّال لأنزيم الكربوكسي بيبتيداز في غياب مادّة التفاعل وفي وجودها، مع الأحماض الأمينية وذرّة الزنك](/uploads/media/svt/svt_u03_carboxypeptidase.png)

البيانات المرقّمة: 1 أحماض أمينية، 2 مادّة التفاعل، 3 ذرّة الزنك التي تمثّل موقع التحفيز.

| الحالة | وضعية الأحماض الأمينية المشكّلة للموقع الفعّال | | :----- | :--------------------------------------------- | | في غياب مادّة التفاعل | وضعية فراغية معيّنة، متباعدة | | في وجود مادّة التفاعل | وضعية فراغية متقاربة نحو مادّة التفاعل |

تفسير التقارب: تغيّر وضعية هذه الأحماض الأمينية بين غياب مادّة التفاعل ووجودها يعود إلى التكامل المحفَّز: ارتباط مادّة التفاعل يُحدث تغيّراً في شكل الموقع الفعّال فيلتفّ حولها. أمّا كون الأحماض الأمينية المشكّلة للموقع الفعّال ليست متتالية في السلسلة الخطّية، فيعود إلى ظهور روابط جديدة بعد التفاف السلسلة وتحلزنها (بنيات ثانوية ثمّ ثالثية): الانطواءات تسمح لأحماض ذات أرقام متباعدة بأن تتقارب فضائياً أثناء نضج الأنزيم.

في هذا الأنزيم مثلاً تشارك الأحماض الأمينية تيروزين 248 وأرجينين 145 وحمض الغلوتاميك 270 إلى جانب ذرّة الزنك.

الروابط بين الموقع الفعّال ومادّة التفاعل

![رابطة ضعيفة بين حمض أميني لمادّة التفاعل وحمض أميني للموقع الفعّال](/uploads/media/svt/svt_u03_liaisons_site_substrat.png)

الروابط بين مادّة التفاعل والموقع الفعّال ضعيفة يسهل كسرها، وهذا ضروري: فلو كانت قوية لما تحرّر الناتج ولما تجدّد الأنزيم.

تعريف الموقع الفعّال ومميّزاته

> التعريف: الموقع الفعّال جزء من الأنزيم يرتبط نوعياً بمادّة التفاعل، مشكَّل من أحماض أمينية محدّدة وراثياً عدداً ونوعاً وترتيباً، ويضمّ موقعين: موقع التثبيت على مادّة التفاعل، وموقع التحفيز الذي يُجري التحويل الكيميائي.

مميّزاته:

  • يأخذ **حيّزاً صغيراً** من الأنزيم، أي أنّ أغلب الأحماض الأمينية لا تشارك في التفاعل مباشرة.
  • له شكل **ثلاثي الأبعاد**، وقد يتكوّن من أحماض أمينية متباعدة في التسلسل. ففي الليزوزيم يتكوّن من الأحماض 35 و52 و62 و63 و101 و107، والحمضان **Glu35** و**Asp52** هما المسؤولان عن التحفيز.
  • الروابط بينه وبين مادّة التفاعل **ضعيفة**.
  • بينه وبين مادّة التفاعل **تكامل بنيوي** يشبه التكامل بين **القفل والمفتاح**.

| السؤال | الجواب | | :----- | :----- | | هل يمكن للأنزيم أن يحتوي على عدّة مواقع فعّالة؟ | نعم، إذا كانت له بنية رابعية | | هل عدد المواقع يساوي حتماً عدد السلاسل؟ | لا | | وإذا تطلّب التفاعل مادّتين؟ | يكون الموقع الفعّال واحداً مقسَّماً إلى جزأين، كلّ منهما خاصّ بمادّة |

الخاصّية البنيوية الحاسمة: يتميّز الموقع الفعّال ببنية فراغية متكاملة مع مادّة تفاعل معيّنة، وتتمثّل هذه البنية في نوع وعدد وترتيب محدّد للأحماض الأمينية.

6. العلاقة بين الأنزيم ومادّة التفاعل والتخصّص المزدوج

تعريفان أساسيان

| المصطلح | التعريف | | :------ | :------ | | مادّة التفاعل (Substrat — S) | جزيئة تدخل في تفاعل للتحوّل بتأثير أنزيم إلى منتوج | | المنتوج (Produit — P) | جزيئة تنتج خلال تفاعل أنزيمي |

التكامل المباشر والتكامل المحفَّز

![خمس حالات للعلاقة بين الأنزيم ومادّة التفاعل مع معادلات كلّ حالة](/uploads/media/svt/svt_u03_types_reactions.png)

| الحالة | الوصف | | :----- | :---- | | التكامل المباشر | يوجد تكامل بنيوي بين الأنزيم ومادّة التفاعل قبل الارتباط، فيتمّ الارتباط مباشرة وينتج P | | التكامل المحفَّز | لا يوجد تكامل مسبق، فيضطرّ الأنزيم إلى تغيير شكل موقعه الفعّال ليصبح مكمّلاً لشكل مادّة التفاعل |

> لماذا يسمح تغيّر شكل الأنزيم بحدوث التفاعل؟ لأنّ المجموعات الكيميائية الضرورية لحدوثه تصبح في الموقع المناسب للتأثير على مادّة التفاعل.

أنواع التفاعلات الأنزيمية

| نوع التفاعل | ما يقوم به الأنزيم | مثال | | :----------- | :------------------ | :---- | | تحويل كيميائي | تحويل مادّة إلى أخرى | الغلوكوز أكسيداز GO | | تفكيك | تفكيك مادّة إلى مكوّنات أبسط | الكتالاز (تفكيك H₂O₂ دون إماهة)، الأميلاز (إماهة) | | تركيب (بلمرة) | ربط مواد تفاعل في جزيئة واحدة | أنزيمات البلمرة |

التأثير النوعي المزدوج

![التخصّص المزدوج للأنزيمات: نوعية تجاه نوع التفاعل ونوعية تجاه مادّة التفاعل](/uploads/media/svt/svt_u03_specificite_double.png)

| نوع التخصّص | الصياغة | المعنى | | :----------- | :------- | :----- | | بالنسبة لنوع التفاعل | كلّ أنزيم يحفّز نوعاً واحداً من التفاعل | أنزيمات مختلفة قد تؤثّر على نفس مادّة التفاعل، لكن بتفاعلات مختلفة | | بالنسبة لمادّة التفاعل | كلّ أنزيم يتعرّف على نوع واحد من مادّة التفاعل | أنزيم واحد يؤثّر على مادّة تفاعل واحدة |

الدورة الأنزيمية

![دورة عمل الأنزيم: ارتباط مادّة التفاعل بالموقع الفعّال، التحفيز، تحرّر الناتج، وتجدّد الأنزيم](/uploads/media/svt/svt_u03_cycle_enzymatique.png)

الأنزيم محفّز حيوي (Catalyseur biologique)، ومعنى ذلك ثلاثة أمور:

  • **لا يتغيّر بنيوياً** في نهاية التفاعل، فيعود إلى دورة جديدة.
  • يعمل بـ**كمّيات ضئيلة**.
  • **لا يغيّر توازن** التفاعل العكوس، وإنّما **يُسرّعه** فقط.

تفسير منحنى التشبّع

![مخطّط يفسّر ثبات السرعة القصوى بتشبّع جزيئات الأنزيم بمادّة التفاعل](/uploads/media/svt/svt_u03_saturation_schema.png)

![ثلاث حالات لنسبة عدد جزيئات الأنزيم إلى عدد جزيئات مادّة التفاعل مع موقع كلّ حالة على منحنى السرعة](/uploads/media/svt/svt_u03_saturation_schema2.png)

| الحالة | العلاقة العددية | موقعها على المنحنى | | :----- | :--------------- | :------------------ | | B | عدد جزيئات الأنزيم أكبر من عدد جزيئات مادّة التفاعل | بداية المنحنى: السرعة منخفضة، الأنزيم غير مشبع | | C | عدد جزيئات الأنزيم يساوي عدد جزيئات مادّة التفاعل | منطقة الصعود | | D | عدد جزيئات الأنزيم أقلّ من عدد جزيئات مادّة التفاعل | المستوى الثابت: السرعة القصوى |

> الخلاصة: يتمّ التفاعل بتشكيل معقّد أنزيم ــ مادّة التفاعل، وعند تشبّع جميع الأنزيمات الموجودة في الوسط بمادّة التفاعل، تثبت السرعة عند قيمة قصوى.

أثر تركيز الأنزيم وتركيز مادّة التفاعل

| المتغيّر | الأثر على السرعة الابتدائية | التفسير | | :-------- | :---------------------------- | :------- | | زيادة تركيز الأنزيم E مع ثبات S | تزداد السرعة | زيادة عدد جزيئات الأنزيم المتدخّلة في التفاعل | | زيادة تركيز مادّة التفاعل S مع ثبات E | تزداد ثمّ تثبت | زيادة عدد جزيئات الركيزة المشاركة، ثمّ التشبّع |

7. التثبيط التنافسي

تجربة الأرابينوز

نقيس سرعة تفاعل أكسدة الغلوكوز بأنزيم GO في وجود وغياب سكّر الأرابينوز.

| تركيز S (ميلي مول/ل) | 2 | 5 | 10 | 20 | 50 | 100 | 200 | | :-------------------- | :- | :- | :-- | :-- | :-- | :--- | :--- | | Vi في غياب الأرابينوز | 0.42 | 0.97 | 1.70 | 2.49 | 3.53 | 3.70 | 3.70 | | Vi في وجود الأرابينوز | 0.32 | 0.86 | 1.50 | 1.56 | 1.70 | 2.10 | 2.10 |

![منحنيا السرعة الابتدائية بدلالة تركيز مادّة التفاعل في غياب الأرابينوز وفي وجوده](/uploads/media/svt/svt_u03_arabinose_inhibition.png)

التحليل

في غياب الأرابينوز: تزداد السرعة الابتدائية بزيادة تركيز مادّة التفاعل حتّى تبلغ قيمة قصوى، وتُفسَّر بزيادة عدد جزيئات الأنزيم المشاركة في التفاعل. ثمّ تثبت مهما زاد التركيز، وتُفسَّر بـتشبّع جزيئات الأنزيم.

في وجود الأرابينوز: سرعة النشاط الأنزيمي أقلّ من سرعته في غيابه، عند كلّ التراكيز؛ والفارق صغير عند التراكيز المنخفضة ثمّ يزداد مع ارتفاع التركيز، وتثبت السرعة القصوى عند قيمة أقلّ (2.10 مقابل 3.70).

> الاستنتاج: الأرابينوز يثبّط عمل أنزيم الغلوكوز أكسيداز.

الفرضيات وآلية التثبيط

الفرضيات المقترحة:

  • يرتبط الأرابينوز بالموقع الفعّال للأنزيم.
  • يغيّر الأرابينوز من بنية الموقع الفعّال.
  • يرتبط الأرابينوز بالركيزة مانعاً ارتباط الأنزيم بالغلوكوز.

المعطى الحاسم: للأرابينوز بنية فراغية تشبه إلى حدّ كبير البنية الفراغية للغلوكوز.

> الآلية المقترحة: التشابه البنيوي يرجّح أنّ الأرابينوز يرتبط بالموقع الفعّال فينافس الغلوكوز عليه، وهذا ما يُعرف بـالتثبيط التنافسي (Inhibition compétitive). لكنّ بقاء السرعة القصوى في هذه التجربة أقلّ (2.10 مقابل 3.70) حتّى عند 200 ميلي مول/ل يدلّ على أنّ التثبيط هنا ليس تنافسياً خالصاً: ففي التنافس الخالص يُزاح المثبّط عند التراكيز العالية جدّاً وتعود السرعة القصوى إلى قيمتها (انظر العلامات أدناه).

علامة التثبيط التنافسي

| الملاحظة | الدلالة | | :------- | :------- | | انخفاض السرعة يكون واضحاً عند التراكيز المنخفضة لمادّة التفاعل | المثبّط يجد المواقع شاغرة فيحتلّها | | الانخفاض يقلّ كلّما ارتفع تركيز مادّة التفاعل | مادّة التفاعل تصبح هي الغالبة عددياً فتزيح المثبّط | | السرعة القصوى قد تصبح متشابهة في الحالتين عند التراكيز العالية جدّاً | التنافس يُحسم لصالح مادّة التفاعل |

تعميم: كلّ مركّب يشبه مادّة التفاعل في بنيته الفراغية يمكنه أن يرتبط بالموقع الفعّال دون أن يتحوّل، فيشغله ويعيق التفاعل. وهذا المبدأ هو أساس عمل عدد كبير من الأدوية.

8. تأثير درجة حموضة الوسط على النشاط الأنزيمي

وضعية الانطلاق

يتأثّر نشاط الأنزيمات بشروط الوسط الذي تعمل فيه، ومن بينها درجة حموضة الوسط.

الفرضيتان: الأنزيم من طبيعة بروتينية والبروتين يتأثّر بالأحماض؛ ولكلّ بروتين درجة حموضة خاصّة به.

التجربة

خمس تجارب بنفس تركيز الأنزيم ونفس تركيز مادّة التفاعل، في نفس درجة الحرارة 37 °م، مع تغيير الـ PH.

![خمسة منحنيات لتركيز الأكسجين بدلالة الزمن عند درجات PH مختلفة: 4 و6 و7 و8 و10](/uploads/media/svt/svt_u03_ph_courbes.png)

| الـ PH | 4 | 6 | 7 | 8 | 10 | | :------ | :- | :- | :- | :- | :-- | | Vi (ملغ/ل/دقيقة) | 0 | 3.6 | 33.6 | 3.6 | 0 |

التحليل

قبل إضافة الأنزيم: تركيز الأكسجين ثابت، دلالة على عدم استهلاكه لغياب الأنزيم.

بعد إضافة الأنزيم:

| الـ PH | الملاحظة | الدلالة | | :------ | :-------- | :------- | | 4 و10 | تركيز O₂ ثابت ومرتفع | عدم استهلاكه رغم وجود الأنزيم | | 6 و8 | تناقص طفيف | استهلاك طفيف، نشاط ضعيف | | 7 | تناقص كبير | استهلاك كبير، نشاط أعظمي |

> الاستنتاج: يكون نشاط الأنزيم أعظمياً عند درجة PH مثلى، تُقدَّر في هذه الحالة بـ 7، ويقلّ نشاطه بالابتعاد عنها في الاتّجاهين.

آلية التأثير

تؤثّر درجة حموضة الوسط على الحالة الكهربائية (الشحنة) للوظائف الجانبية الحرّة للأحماض الأمينية (-NH₂ و-COOH) في السلاسل البيبتيدية، وخاصّة تلك الموجودة على مستوى الموقع الفعّال:

| الوسط | الشحنة الإجمالية | | :---- | :---------------- | | حمضي | تصبح موجبة | | قاعدي | تصبح سالبة |

فيفقد الموقع الفعّال شكله المميّز بتغيّر حالته الأيونية، ممّا يعيق تثبيت مادّة التفاعل، وبالتالي يمنع حدوث التفاعل.

لكلّ أنزيم درجة حموضة مثلى

![منحنيات الـ PH المثلى لثلاثة أنزيمات مختلفة، إلى جانب منحنى عامّ لفعالية أنزيم بدلالة الـ PH](/uploads/media/svt/svt_u03_ph_optimum.png)

| الأنزيم | الـ PH المثلى | مقرّ عمله | | :------ | :-------------- | :--------- | | الببسين (Pepsin) | حوالي 2، وسط حمضي | المعدة | | الأميلاز (Amylase) | حوالي 7، وسط متعادل | الفم والأمعاء | | الأرجيناز (Arginase) | حوالي 10، وسط قاعدي | الكبد |

> القاعدة: الـ PH المثلى ليست بالضرورة 7. فكلّ أنزيم يعمل عند الـ PH السائد في المكان الذي يشتغل فيه داخل الجسم.

خاصّية مهمّة: تأثير الـ PH غير الملائم عكوس إذا كان الانحراف عن الـ PH الأمثل معتدلاً: يستعيد الأنزيم نشاطه بعودة الـ PH إلى قيمته المثلى؛ أمّا الـ PH المتطرّف (شديد الحموضة أو القاعدية) فيُخرّب البنية الفراغية للأنزيم بصورة غير عكوسة.

9. تأثير درجة الحرارة والمقارنة مع التفاعل الكيميائي

التجربة

خمس تجارب بنفس تركيز الأنزيم ومادّة التفاعل، عند PH = 7، مع تغيير درجة الحرارة.

![خمسة منحنيات لتركيز الأكسجين بدلالة الزمن عند درجات الحرارة 10 و35 و50 و60 و70](/uploads/media/svt/svt_u03_temperature_courbes.png)

| درجة الحرارة (°م) | 10 | 35 | 50 | 60 | 70 | | :------------------ | :-- | :-- | :-- | :-- | :-- | | Vi (ملغ/ل/دقيقة) | 2.40 | 33.96 | 6.00 | 0.72 | 0.36 |

التحليل

| الدرجة | الملاحظة | الدلالة | | :----- | :-------- | :------- | | 60 و70 | تركيز O₂ كبير شبه ثابت | استهلاك ضعيف جدّاً (Vi = 0.72 و0.36)، نشاط شبه منعدم | | 10 | تناقص طفيف | استهلاك قليل | | 50 | تناقص طفيف | استهلاك قليل | | 35 | تناقص كبير | استهلاك كبير، نشاط أعظمي |

| المصطلح | القيمة في هذه التجربة | | :------- | :--------------------- | | درجة الحرارة المثلى | 35 °م | | درجة التخريب الكلّي | تقارب 70 °م (النشاط شبه منعدم ابتداءً من 60 °م) |

آلية التأثير

| المجال الحراري | ما يحدث | | :--------------- | :------- | | حرارة منخفضة | تتباطأ حركة الجزيئات، ولا تتأثّر الروابط الكيميائية، فيضعف نشاط الأنزيم (ويكاد يتوقّف قرب 0 °م) دون أن يتخرّب | | حرارة متوسّطة صاعدة | ترتفع سرعة التفاعل، لزيادة حركة الجزيئات، ممّا يزيد فرص اقتراب مادّة التفاعل من الموقع الفعّال | | حرارة مرتفعة | تتخرّب البنية الفراغية للبروتين بصورة غير عكسية، بسبب كسر الروابط الهيدروجينية والكارهة للماء، فيفقد الأنزيم موقعه الفعّال |

مقارنة تأثير الحرارة والـ PH

| المعيار | الحرارة المرتفعة | الـ PH غير الملائم | | :------ | :---------------- | :------------------ | | النتيجة النهائية | فقدان نشاط الأنزيم | فقدان نشاط الأنزيم | | السبب المباشر | كسر الروابط الضعيفة، خاصّة الهيدروجينية والكارهة للماء | تغيّر الحالة الكهربائية للوظائف الجانبية الحرّة | | هل التأثير عكوس؟ | لا، لا يستعيد الأنزيم نشاطه بعودة الحرارة إلى قيمتها المثلى | نعم في المجال المعتدل، يستعيد نشاطه بعودة الـ PH إلى قيمته المثلى (أمّا الـ PH المتطرّف فيُخرّبه نهائياً) |

وجه التشابه: كلاهما يغيّر البنية الفراغية للموقع الفعّال، ومهما كان نمط التغيّر فالنتيجة واحدة: فقدان الوظيفة.

المحفّز الكيميائي مقابل المحفّز البيولوجي

تُماه نفس المادّة، النشاء، بطريقتين:

| المعيار | المحفّز الكيميائي (حمض كلور الماء) | المحفّز البيولوجي (الأميلاز اللعابي) | | :------ | :----------------------------------- | :------------------------------------- | | سرعة التفاعل | بطيء نسبياً: 48 ساعة | سريع: دقيقتان | | درجة الحرارة | عالية: 100 °م | حرارة الجسم: 37 °م | | النواتج | ديكسترينات ثمّ مالتوز فغلوكوز (إماهة كلّية) | ديكسترينات ثمّ مالتوز (إماهة جزئية) | | نوع التفاعل | إماهة كيميائية بحتة في وجود حمض وحرارة عالية | إماهة أنزيمية في شروط العضوية |

![منحنيا سرعة التفاعل بدلالة درجة الحرارة: التفاعل الأنزيمي والتفاعل الكيميائي](/uploads/media/svt/svt_u03_enzymatique_vs_chimique.png)

| الشكل | السلوك مع ارتفاع الحرارة | | :---- | :------------------------- | | (أ) التفاعل الأنزيمي | ترتفع السرعة تدريجياً حتّى 37 °م، ثمّ تنخفض إلى أن تنعدم عند 55 °م | | (ب) التفاعل الكيميائي | ترتفع السرعة باستمرار مع ارتفاع الحرارة (علاقة متزايدة) |

> الاستنتاج: يختلف التفاعل الكيميائي عن الأنزيمي في تأثير درجة الحرارة: فسرعة التفاعل الكيميائي تزداد باستمرار مع ارتفاع الحرارة، في حين يتوقّف التفاعل الأنزيمي عند الحرارة العالية بسبب تخرّب الأنزيم.

وهذا بالضبط جواب السؤال الذي بدأت به الوحدة: لماذا تكون الحمّى فوق 42 °م خطراً على الحياة.

10. التكامل البنيوي والتكامل المحفَّز — تحليل وثائق الملحق

الإشكالية

هل يكون الموقع الفعّال جاهز الشكل قبل وصول مادّة التفاعل، كالقفل ينتظر مفتاحه؟ أم أنّ مادّة التفاعل نفسها تُغيّر شكل الموقع الفعّال عند اقترابها؟ تجيب عن ذلك نماذج جزيئية لأنزيمين.

الوثيقة 1 — الأميلاز اللعابي والنشاء (التكامل البنيوي)

تُمثّل الوثيقة أنزيم الأميلاز اللعابي البشري بنموذج شريطي، مع تكبير للموقع الفعّال بنموذج سطحي، في غياب الركيزة ثمّ في وجودها.

| الحالة | ما نلاحظه | | :----- | :-------- | | في غياب الركيزة | يظهر الموقع الفعّال تجويفاً (أخدوداً) على سطح الأنزيم، له شكل محدّد | | في وجود الركيزة | تتوضّع سلسلة النشاء داخل التجويف وتملؤه، فيتطابق شكلها مع شكله |

> الاستنتاج: يوجد تكامل بنيوي بين شكل الموقع الفعّال وشكل جزء من مادّة التفاعل. هذا التكامل هو أساس التأثير النوعي للأنزيم تجاه مادّة التفاعل.

الوثيقة 2 — الكربوكسي ببتيداز (التكامل المحفَّز)

الكربوكسي ببتيداز أنزيم هاضم يُماه الرابطة الببتيدية الأخيرة في سلسلة ببتيدية من جهة نهايتها الكربوكسيلية، فركيزته سلسلة ببتيدية. تُظهر الوثيقة الأحماض الأمينية لموقعه الفعّال وشاردة الزنك (Zn) في غياب الركيزة ثمّ في وجودها:

![الموقع الفعّال لأنزيم الكربوكسي بيبتيداز في غياب مادّة التفاعل وفي وجودها](/uploads/media/svt/svt_u03_carboxypeptidase.png)

| الحمض الأميني | دوره في الموقع الفعّال | | :------------ | :--------------------- | | هيستيدين 69، حمض الغلوتاميك 72، هيستيدين 196 | تثبيت شاردة الزنك | | أرجينين 145 | تثبيت النهاية الكربوكسيلية للركيزة | | تيروزين 248 | يساهم في تثبيت الركيزة | | حمض الغلوتاميك 270 | يشارك في التحفيز (إماهة الرابطة) |

المعطى الكمّي: المسافة بين ذرّة الأكسجين في جذر التيروزين 248 وشاردة الزنك:

| الحالة | المسافة | | :----- | :------ | | في غياب الركيزة | 18.7 Å | | في وجود الركيزة | 7.5 Å |

(الأنغستروم Å يساوي $10^{-10}$ م.)

التحليل

  • اقترب جذر التيروزين 248 من الزنك بحوالي **11 Å** عند تثبيت الركيزة، وتغيّرت أيضاً وضعية أرجينين 145 وحمض الغلوتاميك 270.
  • إذن شكل الموقع الفعّال في غياب الركيزة **ليس مكمِّلاً تماماً** لها؛ وارتباط الركيزة هو الذي **حرّض** الأنزيم على تغيير شكله فانغلق الموقع حولها.

> الاستنتاج: يحدث التكامل بين الموقع الفعّال ومادّة التفاعل عند اقترابها، إذ تحفّز الأنزيم على تغيير شكله الفراغي فيصبح مكمِّلاً لشكلها: إنّه التكامل المحفَّز. ويسمح هذا التغيّر بحدوث التفاعل، لأنّ المجموعات الكيميائية الضرورية (هنا حمض الغلوتاميك 270 والزنك) تصبح في الموقع المناسب للتأثير على الرابطة الببتيدية.

لا تخلط بين ظاهرتين

| الظاهرة | متى تحدث؟ | ماذا تفسّر؟ | | :------ | :-------- | :---------- | | الانطواء (البنية الثالثية) | عند تركيب الأنزيم، مرّة واحدة | تقارب أحماض أمينية متباعدة الأرقام في السلسلة (69 و 145 و 248 و 270) لتشكيل الموقع الفعّال | | التكامل المحفَّز | في كلّ دورة تحفيز، عند ارتباط الركيزة | تحرّك جذور أحماض الموقع الفعّال (التيروزين 248) نحو الركيزة |

| النموذج | الموقع الفعّال قبل الارتباط | مثال من الوثائق | | :------ | :-------------------------- | :-------------- | | القفل والمفتاح (تكامل بنيوي مسبق) | مكمِّل للركيزة مسبقاً | الأميلاز والنشاء | | التكامل المحفَّز | يتغيّر شكله بتأثير الركيزة | الكربوكسي ببتيداز |

11. موقع التثبيت وموقع التحفيز — الطفرات والتخصّص المزدوج

الإشكالية

يتكوّن الموقع الفعّال من موقع تثبيت و موقع تحفيز. كيف نُثبت تجريبياً أنّ لكلّ حمض أميني في الموقع الفعّال دوراً محدّداً؟ وكيف يفسّر هذا التقسيم التأثير النوعي المزدوج للأنزيم؟

الوثيقة 1 — ركيزة واحدة وأنزيمان مختلفان

| الأنزيم | التفاعل الذي يحفّزه | | :------ | :------------------ | | الغلوكوز أكسيداز | غلوكوز + O₂ ← غلوكونولاكتون + H₂O₂ (أكسدة) | | الهكسوكيناز | غلوكوز + ATP ← غلوكوز ـ 6 ـ فوسفات + ADP (فسفرة) |

التحليل

  • الأنزيمان **يتعرّفان على الركيزة نفسها**، الغلوكوز: لكلّ منهما موقع تثبيت مكمِّل لشكلها.
  • لكنّهما **يحفّزان تفاعلين مختلفين**: فلكلّ منهما موقع تحفيز يحمل مجموعات كيميائية مختلفة.
  • وقد رأيت أنّ الغلوكوز أكسيداز لا يؤثّر على الفروكتوز رغم أنّ له الصيغة الإجمالية نفسها.

> الاستنتاج: التأثير النوعي مزدوج: نوعية تجاه مادّة التفاعل يضمنها أساساً موقع التثبيت، ونوعية تجاه نوع التفاعل يضمنها أساساً موقع التحفيز.

الوثيقة 2 — نتائج طفرات على أحماض أمينية محدّدة (مثال مبسّط)

يمكن اليوم تغيير رامزة محدّدة في مورثة أنزيم، فيتغيّر حمض أميني واحد معروف الموقع في الأنزيم المركَّب. أُجريت هذه التقنية على أنزيم افتراضي، وقيس عند كلّ طافر تثبيت الركيزة (تشكّل المعقّد ES) والنشاط الأنزيمي:

| الأنزيم | الحمض الأميني المستبدَل | تثبيت الركيزة | النشاط الأنزيمي | | :------ | :---------------------- | :------------ | :-------------- | | الأصلي | لا شيء | عادي | 100 ٪ | | الطافر 1 | أرجينين من الموقع الفعّال ← ألانين | منعدم تقريباً | منعدم تقريباً | | الطافر 2 | حمض الغلوتاميك من الموقع الفعّال ← غلوتامين | عادي | منعدم تقريباً | | الطافر 3 | سيرين على سطح الأنزيم بعيد عن الموقع الفعّال ← ثريونين | عادي | قريب من 100 ٪ |

التحليل والتفسير

| الطافر | الاستنتاج | | :----- | :-------- | | 1 | الأرجينين القاعدي يرتبط بمادّة التفاعل برابطة شاردية؛ استبداله بالألانين ذي الجذر الصغير غير المشحون يمنع التثبيت، فلا يتشكّل المعقّد ES ولا يحدث التفاعل: الأرجينين من موقع التثبيت | | 2 | الركيزة تُثبَّت لكنّها لا تتحوّل: حمض الغلوتاميك من موقع التحفيز. الغلوتامين يشبهه في الشكل، لكنّ جذره يحمل وظيفة أميدية لا تتأيّن، فلا يستطيع التبادل بالبروتون كما تفعل الوظيفة الحمضية | | 3 | ليست كلّ الأحماض الأمينية ضرورية للنشاط: استبدال حمض أميني بعيد عن الموقع الفعّال بحمض أميني مشابه لا يغيّر الوظيفة |

وهذا ما لوحظ فعلاً على أنزيم الليزوزيم: استبدال حمض الغلوتاميك رقم 35 من موقعه الفعّال بالغلوتامين يُفقده نشاطه، مع بقاء قدرته على تثبيت ركيزته.

> الاستنتاج: يتشكّل الموقع الفعّال من أحماض أمينية محدّدة وراثياً عدداً ونوعاً وترتيباً؛ بعضها يثبّت مادّة التفاعل، وبعضها يحفّز تحويلها. يكفي تغيّر حمض أميني واحد من الموقع الفعّال لإفقاد الأنزيم وظيفته.

الربط بالأمراض الوراثية

طفرة في مورثة أنزيم ← رامزة مختلفة ← حمض أميني مختلف في الموقع الفعّال ← أنزيم لا يثبّت ركيزته أو لا يحوّلها ← تراكم الركيزة وغياب الناتج ← أعراض المرض. هذا هو التسلسل الذي يفسّر أمراض نقص الأنزيمات التي بدأت بها الوحدة.

12. التفسير الجزيئي لتأثير الـ pH والحرارة — نمذجة الموقع الفعّال

الإشكالية

لاحظت تجريبياً أنّ للأنزيم pH مثلى و درجة حرارة مثلى. كيف نفسّر ذلك على مستوى الجزيئات؟ نوظّف هنا ما تعلّمته عن التأيّن في جذور الأحماض الأمينية وعن الروابط غير التكافؤية التي تحفظ البنية الفراغية.

تذكير — تأيّن الجذور حسب الـ pH

| الوظيفة في الجذر | في وسط حمضي | في وسط قاعدي | | :--------------- | :---------- | :----------- | | حمضية (جذر Asp أو Glu) | COOH غير مشحونة | COO⁻ سالبة | | أمينية (جذر Lys) | NH₃⁺ موجبة | NH₂ غير مشحونة |

وعلى مستوى الأنزيم كلّه: إذا كان pH الوسط أصغر من pHi فشحنته الإجمالية موجبة، وإذا كان أكبر من pHi فشحنته الإجمالية سالبة.

نمذجة تأثير الـ pH (مثال مبسّط)

نفترض أنّ موقع تثبيت أنزيم يضمّ حمض أسبارتيك (Asp) و ليزين (Lys)، وأنّ مادّة التفاعل تحمل مجموعة أمينية ومجموعة كربوكسيلية تقابلانهما. التثبيت يتمّ بـ رابطتين شارديتين: COO⁻ لجذر Asp مع NH₃⁺ للركيزة، و NH₃⁺ لجذر Lys مع COO⁻ للركيزة.

| الوسط | جذر Asp | جذر Lys | مجموعتا الركيزة | الروابط الشاردية | النشاط | | :---- | :------ | :------ | :-------------- | :--------------- | :----- | | pH = 2 | COOH | NH₃⁺ | NH₃⁺ و COOH | لا رابطة تقريباً | ضعيف جدّاً | | pH مثلى ≈ 7 | COO⁻ | NH₃⁺ | NH₃⁺ و COO⁻ | رابطتان | أعظمي | | pH = 12 | COO⁻ | NH₂ | NH₂ و COO⁻ | لا رابطة تقريباً | ضعيف جدّاً |

التفسير

  • عند الـ pH المثلى تكون الحالة الأيونية لجذور الموقع الفعّال **مكمِّلة** للحالة الأيونية للركيزة، فيتشكّل المعقّد ES بأكبر نسبة.
  • بالابتعاد عن الـ pH المثلى تتغيّر **شحنات** الجذور: تختفي روابط التثبيت، وتتغيّر أيضاً الروابط الشاردية التي تحفظ البنية الثالثية، فيفقد الموقع الفعّال **شكله المميّز**.
  • هذا التأثير **عكوس** ما دام التغيّر معتدلاً: بعودة الـ pH تعود الشحنات والروابط. لكنّ الأوساط الشديدة الحموضة أو القاعدية قد تكسر روابط كثيرة فتُخرّب البنية **نهائياً**.

نمذجة تأثير درجة الحرارة

يخضع التفاعل الأنزيمي لأثرين متعاكسين للحرارة:

| المجال | ما يحدث للجزيئات | أثره على Vi | | :----- | :--------------- | :---------- | | حرارة منخفضة | حركة الجزيئات بطيئة جدّاً، فتقلّ اللقاءات بين الأنزيم ومادّة التفاعل؛ الروابط سليمة | نشاط ضعيف، عكوس: يعود بالتدفئة | | من المنخفضة إلى المثلى | تزداد حركة الجزيئات فتزداد اللقاءات الفعّالة وتشكّل المعقّد ES | تتزايد | | فوق المثلى | الاهتزاز الحراري يكسر الروابط الضعيفة (الهيدروجينية والكارهة للماء والشاردية) التي تحفظ البنية الثالثية | تتناقص ثمّ تنعدم | | حرارة مرتفعة | تخرّب البنية الفراغية وفقدان شكل الموقع الفعّال | منعدمة، غير عكوس |

> التفسير: درجة الحرارة المثلى هي النقطة التي يكون فيها أثر تسريع الحركة أكبر ما يمكن قبل أن يتغلّب عليه أثر التخريب. لذلك يأخذ منحنى Vi بدلالة الحرارة شكل جرس غير متناظر: صعود تدريجي ثمّ هبوط سريع.

درجة الحرارة المثلى تعكس البنية

ليست 37 °م قيمة عامّة لكلّ الأنزيمات: فأنزيمات الإنسان مثلاها قريبة من حرارة جسمه، بينما يعمل أنزيم بلمرة الـ ADN لبكتيريا تعيش في الينابيع الحارّة (*Thermus aquaticus*) على أحسن وجه عند حوالي 72 °م. بنيته الفراغية مثبّتة بروابط أكثر، فتقاوم الاهتزاز الحراري. إذن درجة الحرارة المثلى خاصّية مرتبطة ببنية كلّ أنزيم.

منهجية الجواب في الامتحان

  • صِف المنحنى بالأرقام (القيمة المثلى، قيم الانعدام).
  • فسّر **على المستوى الجزيئي**: الشحنات والروابط للـ pH، والحركة ثمّ تكسّر الروابط للحرارة.
  • اختم بالعلاقة: تغيّر البنية الفراغية للموقع الفعّال ← عدم تشكّل المعقّد ES ← توقّف النشاط.

13. الحصيلة المعرفية والتطبيق

تعريف الأنزيم

> الأنزيم وسيط حيوي من طبيعة بروتينية، يُسرّع حدوث التفاعل، له تأثير نوعي تجاه مادّة التفاعل، ويعمل في شروط ملائمة للحياة.

| الكلمة | لماذا وُصف بها | | :----- | :-------------- | | وسيط | لأنّه يتدخّل ليسرّع التفاعل الكيميائي، ثمّ يسترجع بنيته ونشاطه في نهاية التفاعل | | حيوي | لأنّه من طبيعة بروتينية تنتجه العضوية، ويعمل في شروط ملائمة للحياة |

كيف يكتسب الأنزيم تخصّصه الوظيفي؟

  • يرتبط التخصّص الوظيفي للأنزيم بـ**بنيته الفراغية** ثلاثية الأبعاد.
  • تتوقّف هذه البنية على **تموضع فراغي محدّد** لأحماض أمينية محدّدة **وراثياً**.
  • تسمح هذه البنية بتجمّع أحماض أمينية موجودة في **أماكن مختلفة** من السلسلة البيبتيدية لتشكيل **موقع فعّال** يتكامل بنيوياً مع مادّة التفاعل.
  • يرتكز التخصّص على تشكّل معقّد **أنزيم ــ مادّة التفاعل (ES)**، حيث تنشأ روابط ضعيفة غير تكافؤية بين جزء من مادّة التفاعل والموقع الفعّال.

الحصيلة المعرفية

  • الأنزيمات **وسائط حيوية**، تتميّز بتأثيرها النوعي تجاه مادّة تفاعل معيّنة في شروط ملائمة للحياة.
  • يرتكز التأثير النوعي على تشكّل معقّد **ES**، تنشأ أثناء حدوثه روابط انتقالية ضعيفة بين جزء من مادّة التفاعل ومنطقة خاصّة من الأنزيم تُدعى **الموقع الفعّال**.
  • يحدث **التكامل المحفَّز** عند اقتراب مادّة التفاعل التي تحفّز الأنزيم لتغيير شكله الفراغي فيصبح مكمّلاً لشكلها.
  • تغيّر شكل الأنزيم يسمح بحدوث التفاعل، لأنّ المجموعات الكيميائية الضرورية تصبح في الموقع المناسب.
  • يتشكّل الموقع الفعّال من موقعين: **موقع التثبيت** و**موقع التحفيز**.
  • تأثير الأنزيمات **نوعي مزدوج**: تجاه مادّة التفاعل وتجاه نوع التفاعل.
  • تؤثّر درجة حموضة الوسط على الحالة الكهربائية للوظائف الجانبية الحرّة، فيفقد الموقع الفعّال شكله المميّز. **ولكلّ أنزيم درجة حموضة مثلى.**
  • يتمّ النشاط الأنزيمي ضمن مجال محدّد من درجات الحرارة: تقلّ حركة الجزيئات في الحرارة المنخفضة، وتتخرّب البروتينات في الحرارة المرتفعة، ويبلغ التفاعل سرعته الأعظمية عند **درجة الحرارة المثلى** وهي درجة حرارة الوسط الخلوي، 37 °م عند الإنسان.

تطبيق — حساب السرعة الابتدائية

![منحنى تركيز الأكسجين بدلالة الزمن بعد حقن محلول الغلوكوز ثمّ أنزيم الغلوكوز أكسيداز](/uploads/media/svt/svt_u03_application_vi1.png)

![نفس المنحنى مع الإسقاطات اللازمة لحساب السرعة الابتدائية للتفاعل](/uploads/media/svt/svt_u03_application_vi2.png)

الطريقة:

  • حدّد لحظة حقن الأنزيم، فمنها يبدأ التفاعل.
  • ارسم **المماسّ** للمنحنى عند هذه اللحظة، فهو يمثّل السرعة الابتدائية.
  • اختر نقطتين على المماسّ، واقرأ إحداثيّيهما.
  • السرعة الابتدائية = الفرق بين تركيزَي الأكسجين مقسوماً على الفرق بين الزمنين، بالقيمة المطلقة.

في المثال المرسوم، ينتقل تركيز الأكسجين من 8 ملغ/ل إلى 4 ملغ/ل بين الدقيقة 1 والدقيقة 2 تقريباً، فتكون السرعة الابتدائية 4 ملغ/ل/دقيقة.

> انتبه في الامتحان: الوحدة جزء من الجواب. اكتبها دائماً، واذكر شروط التجربة (الحرارة والـ PH) عند تفسير أيّ منحنى.

مصطلحات يجب إتقانها

| المصطلح | التعريف | | :------- | :------- | | Enzyme | أنزيم: وسيط حيوي بروتيني يسرّع تفاعلاً نوعياً | | Substrat | مادّة التفاعل أو الركيزة: الجزيئة التي يؤثّر عليها الأنزيم | | Site actif | الموقع الفعّال: منطقة الأنزيم التي ترتبط بمادّة التفاعل، وتضمّ موقع تثبيت وموقع تحفيز | | Complexe ES | معقّد أنزيم ــ مادّة التفاعل | | Vi | السرعة الابتدائية: سرعة التفاعل في لحظة انطلاقه | | ExAO | التجريب المدعّم بالحاسوب | | Inhibition compétitive | التثبيط التنافسي: منافسة مركّب شبيه بمادّة التفاعل على الموقع الفعّال | | PH optimal | الـ PH المثلى: درجة الحموضة التي يكون عندها النشاط أعظمياً | | Dénaturation | التخرّب: فقدان البنية الفراغية للبروتين وبالتالي وظيفته |

الجزء الأول من الدرس مفتوح للجميع، وبقيته مع الاشتراك.

تمرّن على هذا الدرس

تمارين درس الوحدة 3 — النشاط الأنزيمي للبروتينات (59 تمريناً) — تمارين مصحّحة، أوّلها مفتوح للجميع.

مواضيع بكالوريا علوم الطبيعة والحياة

كل مواضيع بكالوريا علوم الطبيعة والحياة

دروس أخرى في علوم الطبيعة والحياة