الإنزيمات وجزيء حفظ الطاقة ATP

• أوضّح دور الإنزيمات في التفاعلات الكيميائية في الخلية.
• أستقصي بعض العوامل المؤثّرة في نشاط الإنزيم.
• أوضّح دور جزيئات حفظ الطاقة ⁦ATP⁩ في الخلية.

الإنزيمات: محفّزات تعمل داخل الخلية

لاحظ العالم إدوارد بوخنر ⁦Buchner⁩ عند إضافته مستخلصًا من خلايا الخميرة إلى سُكّر السكروز تحطُّم هذا السُّكّر، وإنتاج كحول وغاز ثاني أكسيد الكربون.

• أُطلق على المواد المستخلصة من الخلايا اسم الإنزيمات ⁦Enzymes⁩، وهي تعني "داخل الخميرة".
• نال بوخنر جائزة نوبل في الكيمياء عام 1907م بعد هذا الاكتشاف.

طاقة التنشيط: كيف تُسرّع الإنزيمات التفاعل؟

• معظم التفاعلات الكيميائية التي تحدث داخل أجسام الكائنات الحيّة تحتاج إلى طاقة تنشيط ⁦Activation Energy⁩ عالية.

• الإنزيمات تُسرّع بعض التفاعلات الكيميائية عن طريق تقليل طاقة التنشيط.

ما المقصود بطاقة التنشيط؟

• معظم الإنزيمات بروتينات كروية الشكل.
• الإنزيمات عامَّةً تُحفّز التفاعلات الكيميائية من دون أن تُستهلك فيها.

الموقع النشط: أين تلتقي المادة بالإنزيم؟

• قد يوجد للإنزيم أكثر من موقع نشط.

• إنزيم تصنيع الغلايكوجين ⁦Glycogen Synthase⁩: يربط الوحدات البنائية (الغلوكوز) لتكوين الغلايكوجين.
• إنزيم المالتيز ⁦Maltase⁩: يُسرّع تفكُّك المالتوز إلى جزيئي غلوكوز.

• تُمثَّل آلية عمل الإنزيم بالمعادلة الآتية:
• المادة المُتفاعلة + إنزيم ⇌ (مُعقَّد الإنزيم - المادة المُتفاعلة) ⇌ إنزيم + المادة الناتجة
• مالتوز + إنزيم المالتيز ⇌ (مُعقَّد المالتيز - المالتوز) —$\text{H}_2\text{O}$← إنزيم المالتيز + (2) غلوكوز

ما أهمية الموقع النشط؟

القفل والمفتاح أم التلاؤم المستحث؟

• وضع العلماء فرضيتين لتفسير عملية ارتباط المادة المُتفاعلة بالموقع النشط للإنزيم، هما:
• فرضية القُفل والمفتاح ⁦Lock and Key Hypothesis⁩
• فرضية التلاؤم المُستحثّ ⁦Induced Fit Hypothesis⁩

أيُّ الفرضيتين السابقتين تُفسِّر إمكانية ارتباط إنزيم له موقع نشط واحد بمادة مُتفاعلة في تفاعل ما، وبمادة مُتفاعلة أخرى في تفاعل آخر؟

الحرارة المُثلى: متى يعمل الإنزيم بأقصى سرعة؟

• تُؤثِّر في نشاط الإنزيمات عوامل، منها: درجة الحرارة، والرقم الهيدروجيني ⁦pH⁩، وتركيز الإنزيم وتركيز المادة المُتفاعِلة.

• عند الارتفاع فوق الحرارة المُثلى: شكل الموقع النشط يتغيَّر، ويصبح غير مُتوافق مع المادة المُتفاعلة.
• يقل نشاط الإنزيم تدريجيًّا باستمرار الارتفاع حتى يفقد قدرته على العمل.
• عند الانخفاض: الموقع النشط لا يتغيَّر عادةً، لكنَّ نشاط الإنزيم ينخفض أيضاً.
• في جسم الإنسان: تعمل معظم الإنزيمات بصورة مُثلى بين $35°\text{C}$ و$40°\text{C}$، قرب حرارة الجسم $37°\text{C}$.

أَتتبَّع تأثير سرعة تفاعل يُحفِّزه إنزيم بزيادة درجة الحرارة.

الرقم الهيدروجيني: لكل إنزيم قيمة مُثلى

• إذا تغيَّر الرقم الهيدروجيني ⁦pH⁩ للوسط، فإنَّ شكل الموقع النشط للإنزيم يتغيَّر.
• لمعظم الإنزيمات في جسم الإنسان: $\text{pH} = 6.0 - 8.0$.
• إنزيم التريبسين في الأمعاء: $\text{pH} = 8.0$ تقريباً.
• إنزيم البيسين (هضم في المعدة) من الاستثناءات: يعمل بأقصى فاعلية عند $\text{pH} = 1.5 - 2.0$ تقريباً.

التركيز والسرعة: متى تتوقف الزيادة؟

• كُلَّما زاد تركيز الإنزيم زادت سرعة التفاعل الكيميائي؛ إذ تتوافر أعداد أكبر من المواقع النشطة للارتباط بالمادة المُتفاعلة.
• عند مضاعفة تركيز الإنزيم من ⁦1X⁩ إلى ⁦2X⁩، مع إبقاء جميع العوامل الأخرى ثابتة، تكون سرعة التفاعل مثلي سرعته في الحالة الأولى.

• كُلَّما زاد تركيز المادة المُتفاعلة زادت سرعة التفاعل الكيميائي.
• عندما تُشغل جميع المواقع النشطة المتوافرة في جزيئات الإنزيم بجزيئات المادة المُتفاعلة، تثبت سرعة التفاعل بصرف النظر عن مقدار الزيادة في تركيزها.

أذكرُ سببًا لثبات سرعة تفاعل كيميائي يُحفِّزه إنزيم ما.

مُرافقات الإنزيمات: ناقلات الإلكترونات

• مثالان على مُرافقات الإنزيم: ⁦NAD+⁩ و⁦FAD⁩، وتعمل بوصفها نواقل للإلكترونات في عديد من تفاعلات الأكسدة والاختزال في الخلية.
• NAD+: Nicotinamide Adenine Dinucleotide.
• FAD: Flavin Adenine Dinucleotide.
• الاختزال: تستقبل الإلكترونات ذات الطاقة الكبيرة مع البروتونات، فتُختزل إلى ⁦NADH⁩ و⁦FADH2⁩.
• التأكسد: تفقد الإلكترونات إلى جزيئات أخرى في سلسلة نقل الإلكترون في الغشاء الداخلي للميتوكندريا في أثناء التنفس الخلوي.

• مثال آخر: جزيء ⁦NADP+ Nicotinamide Adenine Dinucleotide Phosphate⁩؛ وهو ناقل إلكترونات يُستخدم في تفاعلات البناء، مثل عملية البناء الضوئي.

أكتب معادلة اختزال جزيء ⁦NAD+⁩ إلى ⁦NADH⁩.

تجربة الحليب: كيف تؤثر الحرارة في التريبسين؟

أُصنِّف الأنابيب إلى أنابيب ظهرت عليها علامة ⁦X⁩، وأنابيب لم تظهر عليها هذه العلامة.

أستنتج درجة الحرارة المُثلى لعمل إنزيم التريبسين.

أُفسِّر سبب عدم ظهور علامة ⁦X⁩ على أحد أنابيب الاختبار.

أتواصل: أُناقش زملائي/زميلاتي في النتائج التي توصَّلتُ إليها.

جزيء حفظ الطاقة: كيف تُخزَّن الطاقة وتتحرر؟

• يتكوّن جزيء ⁦ATP⁩ من القاعدة النيتروجينية أدينين ⁦Adenine⁩، وسُكّر الرايبوز، وثلاث مجموعات من الفوسفات.
• الروابط بين مجموعات الفوسفات تُخزّن طاقة كيميائية.

• تكوين ⁦ATP⁩: يُنتج بفعل إنزيم إنتاج ⁦ATP Synthase⁩، وبذلك تُخزّن الطاقة الكيميائية في الرابطة بين مجموعتي الفوسفات.
• يُحفّز إنزيم إنتاج ⁦ATP⁩ الفسفرة في عمليتي التنفس الخلوي والبناء الضوئي.
• تحطيم رابطة بين مجموعتي الفوسفات تتحرّر الطاقة المُختزَنة فيها، وتنتج مجموعة فوسفات حُرّة:
• بين الثالثة والثانية بفعل إنزيم ⁦ATPase⁩: ينتج جزيء أدينوسين ثنائي الفوسفات ⁦ADP⁩.
• بين الثانية والأولى: ينتج جزيء أدينوسين أُحادي الفوسفات ⁦AMP⁩.

كم مجموعة فوسفات تلزم لتحويل جزيء ⁦AMP⁩ إلى جزيء ⁦ATP⁩؟

ممَّ يتكوَّن الأدينوسين؟

اختبر نفسك: أسئلة مراجعة الدرس