الإنزيمات

الإنزيمات هي بروتينات كروية — نوع من البروتينات له شكل دائري وقابل للذوبان. وهي محفزات بيولوجية: فهي تحفز (تسرّع) التفاعلات الكيميائية في الكائنات الحية، ولا تُستهلك، لذا تعمل كل إنزيم مراراً وتكراراً.

تعمل الإنزيمات في مكانين:

• الإنزيمات داخل الخلية تعمل داخل الخلية التي أنتجتها. مثال على ذلك الكاتاليز، الذي يحلل البيروكسيد الضار.
• الإنزيمات خارج الخلية يتم إفرازها (إرسالها للخارج) للعمل خارج الخلية. مثال على ذلك الأميليز، الذي يُطلق في الأمعاء لـ هضم النشاء.

يتميز كل إنزيم بجيب خاص يُسمى الموقع النشط. الجزيء الذي يعمل عليه الإنزيم يُعرف بـالركيزة. ترتبط الركيزة بالموقع النشط لتكوين معقد الإنزيم–الركيزة. ثم تحدث التفاعل، وتغادر النواتج، مما يحرر الموقع النشط لاستقبال ركيزة جديدة.

التحديد النوعي

يتميز الإنزيم بـالتحديد النوعي: فهو يعمل عادةً على ركيزة واحدة فقط. ويرجع ذلك إلى أن شكل الموقع النشط متكامل (يناسب) شكل تلك الركيزة ولا يناسب أي ركيزة أخرى. نطلق على هذه الخاصية اسم التحديد النوعي.

فكرتان تفسران كيفية ارتباط الركيزة:

• فرضية القفل والمفتاح — الموقع النشط له شكل ثابت، وتناسبه فقط ركيزة ذات الشكل المطابق، تماماً كما يدخل المفتاح في القفل.
• فرضية التوافق المستحث — لا يكون الموقع النشط مناسباً تماماً في البداية. عند ارتباط الركيزة به، يتغير شكل الموقع الن قليلاً ليعانقها بإحكام. تتناسب هذه الفكرة مع الأدلة بشكل أفضل.

خفض طاقة التنشيط

تحتاج كل تفاعل إلى "دفع" صغير من الطاقة للبدء، يُعرف بـطاقة التنشيط. يقوم الإنزيم بخفض طاقة التنشيط. وهذا يسمح للتفاعل بالحدوث بسرعة عند درجة الحرارة الطبيعية للخلايا، بدلاً من الحاجة إلى حرارة عالية.

يمكن تتبع تفاعل الإنزيم بطريقتين:

• قياس سرعة تكون النواتج. بالنسبة للكاتالاز، الأكسجين غاز ناتج، لذا يتم جمع الغاز وقياس حجمه بمرور الوقت.
• قياس سرعة اختفاء الركيزة. بالنسبة للأميليز، يتم أخذ عينات واستخدام اختبار اليود؛ يتلاشى اللون الأزرق الداكن كلما استُنفذ النشا.

يستخدم مقياس اللون (الكولوريمتر) لهذا الغرض بدقة. حيث يشع ضوءاً عبر الأنبوب ويقيس مقدار الضوء الممتص، مما يحول تغير اللون إلى رقم يمكن رسمه.

معدل التفاعل يكون حاداً في البداية (أكثر ركيزة متوفرة)، لذا فإن المعدل الأولي (الميل عند الزمن صفر) هو القيمة الأنصف للمقارنة.

مثال محلول. في أول $20$ ثانية من تفاعل الكاتالاز، تم جمع $16\ \text{cm}^3$ من الأكسجين. قدّر معدل التفاعل.

بما أن التفاعل يكون أسرع في البداية، فإن القياس خلال هذه الفترة القصيرة المبكرة يعطي قيمة قريبة من المعدل الأولي؛ أما المتوسط على فترة أطول فسيشمل المراحل البطيئة اللاحقة ويؤدي إلى تقدير منخفض.

درجة الحرارة

مع ارتفاع درجة الحرارة، تكتسب الجزيئات المزيد من طاقة الحركة وتتصادم أكثر، فيرتفع المعدل. ولكن فوق درجة الحرارة المثلى، يبدأ الإنزيم في التنكُّر: حيث تكسر الحرارة الروابط التي تحافظ على شكله، فيتغير الموقع النشط不再 يناسب الركيزة.此后，速率迅速下降。

الرقم الهيدروجيني (pH)

لكل إنزيم رقم هيدروجيني مثلى. إذا ابتعد الرقم الهيدروجيني كثيراً عن هذا optimum، يتنكر الإنزيم وينخفض المعدل. ولدراسة تأثير الرقم الهيدروجيني بشكل عادل، يتم ثباته باستخدام محلول مُعدِّل.

تركيز الإنزيم

مع وجود ركيزة وفيرة، يعني زيادة الإنزيم وجود مواقع نشطة أكثر، فيرتفع المعدل بشكل طردي مع تركيز الإنزيم.

تركيز الركيزة

في البداية، يؤدي إضافة المزيد من الركيزة إلى تسريع التفاعل. ولكن بمجرد أن تكون جميع المواقع النشطة مشغولة، لا يفيد إضافة المزيد — يستوي المعدل عند حد أقصى.

تركيز المثبط

المثبط هو جزيء يُبطئ عمل الإنزيم. كلما زاد تركيز المثبط، انخفض المعدل.

المعدل الذي يستوي عندما تمتلئ جميع المواقع النشطة هو الحد الأقصى للمعدل، ويُرمز له بـ$V_{\text{max}}$.

ثابت مايكليس-مينتن ($K_{\text{m}}$) هو تركيز الركيزة الذي يعطي نصف $V_{\text{max}}$. وهو يخبرنا عن الألفة (قوة السحب) للإنزيم تجاه ركيزته:

• 低 $K_{\text{m}}$ means the enzyme reaches half-speed at a low substrate concentration, so it has a high affinity.
• 高 $K_{\text{m}}$ means a low affinity.

لذلك، lets $K_{\text{m}}$ you compare how strongly different enzymes hold their substrates.

بعض المثبطات عكسية: يمكنها مغادرة الإنزيم مرة أخرى. وهناك نوعان منها.

الإنزيم الثابت يكون مثبتاً في مكانه — على سبيل المثال، محبوساً داخل حبيبات صغيرة من الألجينات — بدلاً من أن يكون حراً طائراً في المحلول. تمر محلول الركيزة عبر الحبيبات.

عادةً ما يعمل الإنزيم الحر بشكل أسرع قليلاً، لأن الركيزة يمكنها الوصول إليه بسهولة. لكن الإنزيمات الثابتة لها مزايا عملية كبيرة:

• لا يُغسل الإنزيم، لذا يمكن استخدامه مراراً وتكراراً.
• النواتج نقية — حيث لا تختلط مع الإنزيم.
• الإنزيم أكثر استقراراً، لذا يتحمل تغيرات درجة الحرارة والـpH بشكل أفضل.
• يمكن إجراء العملية بشكل مستمر، مع مرور الركيزة ودخول النواتج خارجاً.

• اشرح عمل الإنزيم باستخدام نموذج التوافق المستحث (ينقش الموقع النشط حول الركيزة) — وهو المفضل حالياً على نموذج القفل والمفتاح.
• فوق المستوى الأمثل، يتلف الإنزيم (تنكسر الروابط الهيدروجينية والبنية الثالثية) — اكتب "يتلف"، ولا تكتب "يموت" أو "يُقتل".
• ميّز بين المثبطات: التنافسي يرتبط بالموقع النشط (يتم التغلب عليه بزيادة الركيزة، نفس $V_{max}$)؛ غير التنافسي يرتبط في مكان آخر (انخفاض $V_{max}$).
• قارن المعدلات باستخدام المعدل الابتدائي (المماس عند الزمن صفر) — وهو المقياس العادل قبل أن تصبح الركيزة عاملاً محدداً.