معلومة

بخصوص دور الانزيمات


تنص الكتب المدرسية بشكل عام على أن دور الإنزيمات هو تسريع مادة rxn الكيميائية عن طريق خفض طاقة التنشيط الخاصة بها.

ومع ذلك ، فأنا غير متأكد من علاقة الإنزيمات مثل الهيلياز ، والبوليميراز DNA / RNA ، والإنزيمات التقييدية بخفض طاقة التنشيط. أليس الدور الأساسي للمروحية ، على سبيل المثال ، هو فك الحمض النووي المزدوج الذي تقطعت به السبل؟


تتطلب جميع التفاعلات قدرًا من الطاقة للمضي قدمًا يسمى طاقة التنشيط. تقوم الإنزيمات بتخفيض طاقة التنشيط هذه من خلال وسائل مختلفة. مثال هنا هو فك الحمض النووي مزدوج الشريطة يتطلب كسر روابط الهيدروجين. يجب توفير الطاقة حتى يستمر التفاعل. يمكن وصف معدل التفاعل بواسطة معادلة أرهينيوس

يمكنك زيادة معدل التفاعل ، أو تقليل طاقة التنشيط. الإنزيمات مطلوبة للقيام بذلك في درجات الحرارة الفسيولوجية عن طريق خفض طاقة التنشيط ، لأن زيادة درجة الحرارة ليست خيارًا في العادة.

الإنزيمات التي ذكرتها لا تختلف.


دور الانزيمات في التمثيل الغذائي

تساعد بعض الإنزيمات في تكسير جزيئات المغذيات الكبيرة ، مثل البروتينات والدهون والكربوهيدرات ، إلى جزيئات أصغر. تحدث هذه العملية أثناء هضم المواد الغذائية في معدة وأمعاء الحيوانات. تقوم الإنزيمات الأخرى بتوجيه الجزيئات الصغيرة المتكسرة عبر جدار الأمعاء إلى مجرى الدم. لا تزال هناك إنزيمات أخرى تعزز تكوين جزيئات كبيرة ومعقدة من الجزيئات الصغيرة والبسيطة لإنتاج مكونات خلوية. الإنزيمات مسؤولة أيضًا عن العديد من الوظائف الأخرى ، والتي تشمل تخزين الطاقة وإطلاقها ، ومسار التكاثر ، وعمليات التنفس ، والرؤية. لا غنى عنها للحياة.

كل إنزيم قادر على تعزيز نوع واحد فقط من التفاعلات الكيميائية. تسمى المركبات التي يعمل عليها الإنزيم ركائز. تعمل الإنزيمات في أنظمة التمثيل الغذائي المنظمة بإحكام تسمى المسارات. الظاهرة البيولوجية التي تبدو بسيطة - تقلص العضلات ، على سبيل المثال ، أو انتقال النبضات العصبية - تتضمن في الواقع عددًا كبيرًا من الخطوات الكيميائية التي يتم فيها تحويل واحد أو أكثر من المركبات الكيميائية (الركائز) إلى مواد تسمى منتجات نتاج خطوة واحدة في مسار التمثيل الغذائي بمثابة الركيزة للخطوة التالية في المسار.

يمكن توضيح دور الإنزيمات في مسارات التمثيل الغذائي بشكل تخطيطي. المركب الكيميائي الذي يمثله أ (ارى الرسم البياني أدناه) إلى المنتج ه في سلسلة من الخطوات المحفزة بالإنزيم ، حيث يتم تمثيل المركبات الوسيطة بواسطة ب, ج، و د تتشكل على التوالي. وهي بمثابة ركائز للإنزيمات التي يمثلها 2 و 3 و 4. مركب أ يمكن أيضًا تحويلها من خلال سلسلة أخرى من الخطوات ، بعضها مماثل لتلك الموجودة في مسار تكوين هإلى المنتجات التي يمثلها جي و ح.

تمثل الأحرف أرقام المركبات الكيميائية تمثل الإنزيمات التي تحفز التفاعلات الفردية. تمثل الارتفاعات النسبية الطاقة الديناميكية الحرارية للمركبات (على سبيل المثال ، المركب أ هو أكثر ثراء من الطاقة ب, ب أكثر ثراءً من الطاقة ج). مجمعات سكنية أ, ب، وما إلى ذلك ، تتغير ببطء شديد في حالة عدم وجود محفز ولكن يتم ذلك بسرعة في وجود المحفزات 1 ، 2 ، 3 ، إلخ.

يمكن توضيح الدور التنظيمي للإنزيمات في المسارات الأيضية باستخدام تشبيه بسيط: ذلك بين المركبات ، ممثلة بأحرف في الرسم التخطيطي ، وسلسلة من خزانات المياه المتصلة على منحدر. وبالمثل ، فإن الإنزيمات التي تمثلها الأرقام مماثلة لصمامات نظام الخزان. تتحكم الصمامات في تدفق المياه في الخزان ، أي إذا كانت الصمامات 1 و 2 و 3 و 4 مفتوحة فقط ، فإن الماء يدخل أ يتدفق فقط إلى ه، ولكن إذا كانت الصمامات 1 و 2 و 5 و 6 مفتوحة ، فإن الماء يدخل أ يتدفق إلى جي. بطريقة مماثلة ، إذا كانت الإنزيمات 1 و 2 و 3 و 4 في المسار الأيضي نشطة ، فإن المنتج ه يتكون ، وإذا كانت الإنزيمات 1 و 2 و 5 و 6 نشطة ، يكون المنتج جي لقد تكون. وبالتالي فإن نشاط أو نقص نشاط الإنزيمات في المسار يحدد مصير المركب أ أي أنها إما تظل دون تغيير أو يتم تحويلها إلى منتج واحد أو أكثر. بالإضافة إلى ذلك ، إذا تم تشكيل المنتجات ، فإن نشاط الإنزيمات 3 و 4 بالنسبة إلى نشاط الإنزيمات 5 و 6 يحدد كمية المنتج ه شكلت مقارنة مع المنتج جي.

يخضع كل من تدفق الماء ونشاط الإنزيمات لقوانين الديناميكا الحرارية ، وبالتالي الماء في الخزان F لا يمكن أن تتدفق بحرية إلى ح عن طريق فتح الصمام 7 ، لأن الماء لا يمكن أن يتدفق صعودًا. ومع ذلك ، إذا كانت الصمامات 1 و 2 و 5 و 7 مفتوحة ، يتدفق الماء منها F إلى ح، لأن الطاقة المحفوظة أثناء تدفق المياه إلى أسفل المنحدرات عبر الصمامات 1 و 2 و 5 كافية للسماح لها بدفع الماء إلى الأعلى من خلال الصمام 7. بطريقة مماثلة ، لا تستطيع الإنزيمات الموجودة في المسار الأيضي تحويل المركب F مباشرة الى ح ما لم تكن الطاقة متوفرة ، فإن الإنزيمات قادرة على استخدام الطاقة من تفاعلات الحفاظ على الطاقة من أجل تحفيز التفاعلات التي تتطلب طاقة. أثناء أكسدة الكربوهيدرات المحفز بالإنزيم إلى ثاني أكسيد الكربون والماء ، يتم حفظ الطاقة في شكل مركب غني بالطاقة ، أدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP). يتم استخدام الطاقة في ATP أثناء عملية تستهلك الطاقة مثل تقلص العضلات المحفز بالإنزيم.

نظرًا لاختلاف احتياجات الخلايا والكائنات الحية ، يجب تنظيم ليس فقط النشاط ولكن أيضًا تركيب الإنزيمات ، على سبيل المثال ، يجب تنشيط الإنزيمات المسؤولة عن النشاط العضلي في عضلة الساق وتثبيطها في الأوقات المناسبة. فبعض الخلايا لا تحتاج إلى إنزيمات معينة فخلية الكبد على سبيل المثال لا تحتاج إلى إنزيم عضلي. لا تحتاج البكتيريا إلى إنزيمات لاستقلاب المواد غير الموجودة في وسط نموها. لذلك ، لا تتشكل بعض الإنزيمات في خلايا معينة ، ولا يتم تصنيع البعض الآخر إلا عند الحاجة ، ولا يزال البعض الآخر موجودًا في جميع الخلايا. يتم تنظيم تكوين ونشاط الإنزيمات ليس فقط من خلال الآليات الجينية ولكن أيضًا عن طريق الإفرازات العضوية (الهرمونات) من الغدد الصماء والنبضات العصبية. تلعب الجزيئات الصغيرة أيضًا دورًا مهمًا (انظر أدناه مرونة الإنزيم والتحكم الخيفي).

إذا كان الإنزيم معيبًا من بعض النواحي ، فقد يحدث المرض. يجب أن تعمل الإنزيمات الممثلة بالأرقام من 1 إلى 4 في الرسم التخطيطي أثناء تحويل مادة البداية أ للمنتج ه. إذا تم حظر خطوة واحدة لأن الإنزيم غير قادر على العمل ، المنتج ه قد لا تتشكل إذا ه ضروري لبعض الوظائف الحيوية ، نتائج المرض. تنتج العديد من الأمراض والظروف الموروثة للإنسان عن نقص إنزيم واحد. يتم سرد بعض من هؤلاء في الجدول. المهق ، على سبيل المثال ، ينتج عن نقص وراثي في ​​القدرة على تخليق إنزيم التيروزيناز ، الذي يحفز خطوة واحدة في المسار الذي يتم من خلاله تكوين صبغة الشعر ولون العين.


تصنيف

يتم تصنيف غالبية الإنزيمات إلى الفئات الرئيسية الثلاث التالية ، بناءً على التفاعلات التي تحفزها:

  • أوكسيدوروكتاز تحفز تفاعلات الأكسدة التي تنتقل فيها الإلكترونات من جزيء إلى آخر. مثال: نازع هيدروجين الكحول ، الذي يحول الكحول إلى ألدهيدات أو كيتونات. هذا الإنزيم يجعل الكحول أقل سمية لأنه يكسرها ، كما أنه يلعب دورًا رئيسيًا في عملية التخمير.
  • المحولات تحفيز نقل مجموعة وظيفية من جزيء إلى آخر. تتضمن الأمثلة الرئيسية ناقلات الأمين ، التي تحفز تدهور الأحماض الأمينية عن طريق إزالة المجموعات الأمينية.
  • هيدرولاز تعمل الإنزيمات على تحفيز التحلل المائي ، حيث يتم تكسير الروابط المفردة عند التعرض للماء. على سبيل المثال ، الجلوكوز 6 فوسفاتيز هو هيدروليز يزيل مجموعة الفوسفات من الجلوكوز 6 فوسفات ، ويترك الجلوكوز و H3PO4 (حمض الفوسفوريك).

ثلاثة إنزيمات أقل شيوعًا هي كما يلي:

  • Lyases تحفيز تفكك الروابط الكيميائية المختلفة بوسائل أخرى غير التحلل المائي والأكسدة ، مما يؤدي غالبًا إلى تكوين روابط مزدوجة جديدة أو هياكل حلقية. يعتبر Pyruvate decarboxylase مثالًا على اللياز الذي يزيل ثاني أكسيد الكربون (ثاني أكسيد الكربون) من البيروفات.
  • الايزوميراز تحفيز التحولات الهيكلية في الجزيئات ، مما يسبب تغيرات في الشكل. مثال: ريبولوز فوسفات إبيميريز ، الذي يحفز التحويل البيني لريبولوز-5-فوسفات و زيلولوز-5-فوسفات.
  • إنزيمات دمج الجزيئات تحفيز الربط - مزيج من أزواج من الركائز. على سبيل المثال ، hexokinases عبارة عن ligase يحفز التحويل البيني للجلوكوز و ATP مع الجلوكوز 6 فوسفات و ADP.

بخصوص دور الإنزيمات - علم الأحياء

معدل التفاعل على الكبد والتفاح والبطاطس مع بيروكسيد الهيدروجين

كان الغرض من هذا المعمل هو اختبار وظيفة الإنزيم في بيئات مختلفة. يؤثر تركيز الركيزة ودرجة الحرارة ودرجة الحموضة على التفاعل الكيميائي. في هذا المختبر ، تم استخدام إنزيم الكاتلاز لتفكيك بيروكسيد الهيدروجين إلى ماء أقل سمية وغاز أكسجين. باستخدام الملاحظة الكمية والنوعية ، مفهوم بقاء الإنزيمات بعد تأكيد التفاعل من الاختبار الأول. بعد اختبار الكبد والتفاح والبطاطس ، استنتج أن الكبد يحتوي على معظم الكاتلاز. ركز الاختبار النهائي على معدل تفاعل الكبد في مختلف محاليل الأس الهيدروجيني. تبين أن العلاقة بين معدل تفاعل الكاتلاز ودرجة الحموضة مكافئة مع ذروة قريبة من المحايدة.

غطى هذا المعمل قياس تأثيرات التغيرات في درجة الحرارة ، ودرجة الحموضة ، وتركيز الإنزيم على معدلات تفاعل تفاعل محفز بالإنزيم في تجربة مضبوطة. تمت الإجابة عن الأسئلة المتعلقة بكيفية تأثير العوامل البيئية على معدل التفاعلات المحفزة بالإنزيم في هذا المختبر. تأثرت معدلات تفاعل الإنزيمات بشكل كبير بالتغيرات في درجة الحرارة ودرجة الحموضة وتركيز الإنزيم. كان الإنزيم الذي تمت دراسته في هذا المختبر هو الكاتلاز. يحلل الكاتلاز بيروكسيد الهيدروجين ، وهو مادة سامة ، إلى مادتين آمنتين - الماء والأكسجين ، عن طريق تسريع التفاعل. إن الإنزيمات مثل الكاتلاز حيوية لجسمنا ، لأنه إذا لم يتم تفكيك المواد السامة مثل بيروكسيد الهيدروجين إلى مواد غير ضارة في أجسامنا ، فإنها ستسمم خلايانا. يكون رد الفعل الذي يحدث في هذا الشكل: 2H2O2 ---- & gt 2H2O + O2


أساليب
تم إجراء هذه الدراسة في New Tech High @ Coppell تحت إشراف السيدة ووتون في 8 أكتوبر 2015. تمت دراسة قدرة الإنزيمات على التحلل خلال الأجزاء الثلاثة للمختبر. في الجزء أ ، استخدمنا 3 مل من 3٪ بيروكسيد الهيدروجين على قطعة من الكبد لمراقبة معدل التفاعل. بمجرد الانتهاء من ذلك ، أخذنا السوائل المتبقية واستخدمناها على قطعة جديدة من اللحم لمعرفة ما إذا كان الإنزيم قابلاً لإعادة الاستخدام. في الجزء ب ، اختبرنا ولاحظنا وسجلنا معدل التفاعل مع بيروكسيد الهيدروجين على ثلاث مواد: التفاح والكبد والبطاطس. في الجزء ج ، قمنا بتغيير الرقم الهيدروجيني للمحلول عن طريق إضافة قطرات من حمض الهيدروكلوريك المخفف لمعرفة ما إذا كان له تأثير على معدل التفاعل في المحفزات على أجزاء من الكبد.

عندما تمت إضافة ركيزة بيروكسيد الهيدروجين إلى المواد ، قام كل منها بتفاعل مختلف تمامًا. بعد إسقاط بيروكسيد الهيدروجين على عينات التفاح ، لم يكن هناك أي تفاعل يشير إلى الحصول على تصنيف 0. بمجرد إضافة نفس الكمية من الركيزة إلى البطاطس ، كان هناك تفاعل طفيف وغاز فقاعي ، وبالتالي حصل على تصنيف 2. الكبد تم بعد ذلك اختبار الكاتلاز ونتج عنه أكبر تفاعل حصل على تصنيف 5 بسبب السرعة والحجم. بعد اختبار كل مادة ، بدأت المجموعة بعد ذلك في النظر في الظروف المثلى لدرجة الحموضة للتفاعلات. بعد إضافة حمض الهيدروكلوريك إلى الكبد ، بدا أن معدل التفاعل يتضاءل مع زيادة الحموضة.

الركيزة: بيروكسيد الهيدروجين

بالنظر إلى بياناتنا للتجربة الأولى ، يمكننا أن نستنتج أن الكبد يحتوي على إنزيم الكاتلاز بينما بيروكسيد الهيدروجين هو الركيزة. هذا صحيح لأنه في التفاعل ، لوحظ أن بيروكسيد الهيدروجين قد مر بتغير كيميائي تحول إلى جزيئات ماء وجزيئات ثاني أكسيد ، بينما بقي الكبد على حاله. نظرًا لأن الركيزة مرت بالفعل بالتفاعل الكيميائي ، فلا يمكن أن تمر عبر تفاعل آخر مع الكاتلاز الجديد ، ولكن لا يزال الكاتلاز القديم يحتوي على إنزيمات وظيفية وبالتالي يمكن إعادة استخدامها. كان رد الفعل واضحًا وسريعًا للغاية ، وهو أمر منطقي بالنظر إلى وظيفة الكبد في الكائن الحي هي تكسير الخلايا وتنقيتها.

في الجزء الثاني من التجربة ، كانت شدة التفاعل بترتيب تصاعدي هي التفاح والبطاطس والكبد. عينة التفاح عبارة عن كربوهيدرات مخصصة كغذاء لبذور التفاح ولن تحتوي على إنزيمات ، وبالتالي لم يلاحظ أي تفاعل. سيكون للبطاطس تفاعل شبه مكثف لأن تركيزًا صغيرًا فقط من عينة البطاطس عبارة عن إنزيمات بينما الباقي عبارة عن نشا ومركبات عضوية. سيكون للكبد تفاعل كبير لأن غالبية الكبد عبارة عن بروتينات وإنزيمات تعمل على تكسير بيروكسيد الهيدروجين.

في التجربة الثالثة ، استنتج أنه كلما زادت الحموضة في الركيزة ، انخفض معدل التفاعل. تُظهر بياناتنا اتجاهًا خطيًا ، ومع ذلك ، تُظهر الأبحاث أن الاتجاه هو في الواقع قطع مكافئ يفتح لأسفل بحد أقصى عند درجة حموضة 5 ، حموضة بيروكسيد الهيدروجين وحده. نظرًا لأننا كنا قادرين فقط على تحفيز بيئة ذات درجة حموضة أقل ، فقد تمكنا فقط من الحصول على اتجاه واحد للانحدار ، وإظهار النتائج الخطية. هذا يدل على أن الإنزيمات تعمل فقط في مستوى معين من الأس الهيدروجيني. إذا كانت عالية جدًا أو منخفضة جدًا ، فسيؤدي ذلك إلى تقليل الكفاءة وإبطاء معدل التفاعلات.

من خلال تجربتنا تم اختبار التفاعل بين إنزيم الكاتلاز وبيروكسيد الهيدروجين. تكرار التفاعل مع مواد مختلفة سمح باستنتاج تركيز الكاتلاز. باستخدام الكبد كعنصر تحكم لدينا ، قمنا بتغيير الرقم الهيدروجيني للمحلول في كل تجربة لاختبار معدل التفاعل مع زيادة الحموضة. خلصنا إلى أنه كلما زاد الرقم الهيدروجيني لمحلول ما ، زاد معدل التفاعل عكسيًا حتى وصل الرقم الهيدروجيني إلى حوالي 5. الخطأ في تجربتنا غير فقط الرقم الهيدروجيني المحدد ، لكن النتيجة الإجمالية للاختبار الأخير تظل صحيحة.


الطريقة العلمية

كعلماء ، يطبق علماء الأحياء المنهج العلمي. العلم ليس مجرد قائمة حقائق ، ولكنه نهج لفهم العالم من حولنا. إنه استخدام المنهج العلمي الذي يميز العلم عن مجالات الدراسة الأخرى التي تحاول تحسين فهمنا للعالم.

الطريقة العلمية هي طريقة منهجية لحل المشكلات. على الرغم من أن البعض يجادل بأنه لا توجد طريقة علمية واحدة ، ولكن هناك مجموعة متنوعة من الأساليب ، فإن كل من هذه الأساليب ، سواء أكانت صريحة أم لا ، تميل إلى دمج بعض الخطوات الأساسية: المراقبة ، والتساؤل ، والافتراض ، والتنبؤ ، والاختبار ، وتفسير نتائج اختبار. أحيانًا لا يكون التمييز بين هذه الخطوات واضحًا دائمًا. هذا هو الحال بشكل خاص مع الفرضيات والتنبؤات. لكن لأغراضنا ، سنفرق بين كل خطوة من هذه الخطوات في تطبيقاتنا للطريقة العلمية.

أنت بالفعل على دراية بخطوات الطريقة العلمية من التجارب المعملية السابقة. ستحتاج إلى استخدام معرفتك بالطريقة العلمية في معمل اليوم في إنشاء فرضيات لكل تجربة ، وابتكار بروتوكول لاختبار فرضيتك ، وتحليل النتائج. ضمن عملية التجريب ، سيكون من المهم تحديد المتغير المستقل والمتغير التابع والمتغيرات المعيارية لكل تجربة.


استنتاج

في هذا الاستعراض ، قدمنا ​​التطورات الأخيرة التي تستمر في دعم رؤية متكاملة ناشئة لبنية البروتين وديناميكياته ووظيفته مثل تحفيز الإنزيم. يعتمد نجاح مصانع الخلايا الميكروبية على الأداء الأمثل للآلات الجزيئية داخل الخلية. تؤدي الإنزيمات وظيفتها بكفاءة ملحوظة ، لأنها تزيد من معدل التفاعل بعدة أوامر من حيث الحجم. حتى وقت قريب ، كانت الإنزيمات (والبروتينات بشكل عام) تعتبر تجمعات ثابتة ، ومع ذلك ، استمرت التحقيقات الحديثة في تقديم أدلة تشير إلى أن الإنزيمات عبارة عن تجمعات نشطة ديناميكيًا. تشير التحقيقات التجريبية والنظرية / الحسابية التفصيلية للإنزيم CypA إلى أن حركات البروتين الداخلية هي جزء مصمم من بنية البروتين وتساهم في وظيفتها في تحفيز الببتيدل-بروبيل رابطة الدول المستقلة / العابرة الأزمرة. تشير الأدلة الداعمة من الأنظمة الأخرى (DHFR و LADH) إلى أن الترابط بين البنية والديناميكيات والوظيفة موجود في الإنزيمات الأخرى أيضًا.

يوضح الشكل 9 الصورة العامة الناشئة لديناميات البروتين وتقلبات المذيبات ووظيفة الإنزيم بناءً على الرؤى الحديثة. بالإضافة إلى التفاعلات الهيكلية ، تتحكم الحركات الداخلية في نطاقات زمنية سريعة في البيئة الكيميائية للموقع النشط لصالح الخطوة التحفيزية للمضي قدمًا إلى حالة المنتج. توفر التقلبات الديناميكية الحرارية لقشرة الماء والمذيب السائب طاقة للتغلب على حاجز طاقة التنشيط (في الحالات التي لا يتوفر فيها مصدر آخر للطاقة). تظهر مناطق حلقة السطح المرنة للإنزيم اقترانًا ديناميكيًا بالمذيب. يسمح هذا الاقتران الديناميكي بنقل الطاقة من المذيب إلى مناطق سطح الإنزيم. يتم نقل هذه الطاقة في النهاية إلى الموقع النشط من خلال شبكات الحركات أو الاهتزازات. تغير التقلبات المطابقة الأبطأ في الشبكات (في النطاق الزمني للتفاعل) تفاعلات الركيزة الإنزيمية بحيث تعبر المزيد من مسارات التفاعل حاجز TS للوصول إلى حالة المنتج بنجاح.

تمثيل تخطيطي للرؤية المتكاملة لبنية الإنزيم وديناميكياته ووظيفته. تلعب بنية الإنزيم وأحداث ديناميكيات البروتين الداخلية دورًا في الخطوة التحفيزية. تشارك البقايا المحفوظة من السطح إلى الموقع النشط في شبكة من حركات البروتين أو الاهتزازات التي تعزز التحفيز. تقترن المخلفات السطحية بالتقلبات الحرارية الديناميكية للمذيب ، وربما تلعب دورًا في نقل الطاقة من المذيب إلى البروتين.

النظرة المتكاملة مدعومة بأدلة من التحقيقات للعديد من البروتينات والإنزيمات الأخرى أيضًا [64-66]. أشار تحليل التسلسل باستخدام الخرائط الديناميكية الحرارية إلى اقتران نشط بعيد المدى في البروتينات [67] يمكن أن تكون التقلبات المطابقة البطيئة هي آلية نقل الطاقة عبر نطاقات طويلة في بنية البروتين ، وبالتالي ، توفر نظرة ثاقبة لفهم التأثيرات الخيفية. كشفت المحاكاة بالفعل أنه يمكن نقل الطاقة بين أوضاع اهتزازية معينة في بروتين [68 ، 69]. من المثير للاهتمام أيضًا ملاحظة أن تصميم محاكاة الموقع النشط للأنزيمات أمر صعب وأن التغيير في بنية الإنزيم بعيدًا عن الموقع النشط يؤدي إلى إنزيمات بطيئة أو غير نشطة. يقدم العرض المتكامل تفسيراً محتملاً ، حيث تساهم المناطق البعيدة للإنزيم في التحفيز من خلال الاقتران الديناميكي بالمذيب وعن طريق نقل الطاقة المطلوبة إلى الموقع النشط. لذلك ، فإن هذه النظرة المتكاملة لها آثار واسعة في كيمياء الإنزيمات وهندسة البروتين وتصميم الأدوية. قد يكون من الممكن معالجة تفاعلات الإنزيم المحفزة على سبيل المثال ، تم استخدام نبضة الليزر بالفعل لبدء تفاعل إنزيم يتضمن ديناميكيات البروتين المثارة حراريًا (الحركات الجزيئية على مقياس زمني البيكو ثانية) [70]. على أساس فهم أفضل لبنية الإنزيم وديناميكياته ووظيفته ، قد يكون من الممكن تصميم إنزيمات أو إنزيمات أكثر كفاءة بوظائف جديدة. علاوة على ذلك ، يمكن أن يساعد فهم التأثيرات الخيفية والتعاونية في تصميم أدوية أفضل وجديدة.


الأدوار الناشئة لبروتينات السيستين في علم الأحياء البشرية

الملخصيُنظر إلى بروتياز السيستين تقليديًا على أنه وسطاء ليسوسومات لتدهور البروتين النهائي. ومع ذلك ، فإن النتائج الأخيرة تدحض هذا الرأي المحدود وتشير إلى دور أكثر اتساعًا لبروتياز السيستين في علم الأحياء البشري. العديد من أعضاء هذه الفئة من الإنزيمات المكتشفة حديثًا يتم تنظيمهم من البروتياز مع تعبير محدود عن الأنسجة ، مما يشير إلى أدوار محددة في علم وظائف الأعضاء الخلوية. يبدو أن هذه الأدوار تشمل موت الخلايا المبرمج ، والاستجابات المناعية من الفئة الثانية من معقد التوافق النسيجي الكبير ، والمعالجة الأولية للهرمونات ، وإعادة تشكيل المصفوفة خارج الخلية المهمة لنمو العظام. قد تؤدي قدرة البلاعم والخلايا الأخرى على تحريك بروتياز السيستين المرن إلى أسطحها في ظل ظروف متخصصة إلى تسريع تحلل الكولاجين والإيلاستين في مواقع الالتهاب في أمراض مثل تصلب الشرايين وانتفاخ الرئة. يعد تطوير مثبطات لأنزيم السيستين البروتياز بتوفير عقاقير جديدة لتعديل المناعة وهشاشة العظام والالتهابات المزمنة.


موقع الغدة اللعابية

يصور الرسم التخطيطي الأنواع الثلاثة من الغدد اللعابية في الفم: 1) الغدد النكفية ، 2) الغدة تحت الفك السفلي ، 3) الغدة تحت اللسان.

الغدد النكفية

تقع الغدد النكفية داخل كل من خدودنا. الغدد النكفية هي أكبر أنواع الغدد اللعابية. إنها تمثل ما يصل إلى عشرين بالمائة من اللعاب في تجويف الفم لدينا. يكمن دورهم الرئيسي في تسهيل المضغ ، أو "المضغ" ، وفي بدء المرحلة الهضمية الأولى من طعامنا. يتم تصنيف الغدة النكفية بشكل خاص على أنها نوع من الغدة المصلية. الغدد المصلية هي تلك التي تفرز سائلًا غنيًا بالبروتين ، والذي يكون في هذه الحالة معلقًا غنيًا بالإنزيم لألفا أميليز.

الغده تحت الفك السفلي

بعد ذلك ، تقع الغدة تحت الفك السفلي بالقرب من الفك السفلي. هذا هو الجزء المتحرك من فكنا. في الأساس ، تقع هذه الغدة على أرضية أفواهنا. نظرًا لأنه يقع بشكل سطحي ، يمكننا أن نشعر به إذا وضعنا أصابعنا على بعد بوصتين فوق تفاحة آدم. وهي ثاني أكبر غدة لعابية وتنتج معظم اللعاب (تصل إلى 65٪). يعتبر مزيجًا من الغدد المصلية والمخاطية لأن المعلق غني بالأنزيمات والمخاط اللزج الذي يتم إطلاقه في تجويف الفم من خلال القنوات تحت الفك السفلي.

الغدد تحت اللسان

أخيرًا ، توجد الغدد تحت اللسان تحت اللسان. هم أصغر الغدد اللعابية وأكثرها تشتتًا. يفرزون في الغالب المخاط الذي يخرج مباشرة من خلال قنوات Rivinus. فقط بالحد الأدنى (

5٪) كمية اللعاب في تجويف الفم تأتي من هذه الغدد اللعابية.


الهضم والامتصاص

الهضم هو التكسير الميكانيكي والكيميائي للغذاء إلى أجزاء عضوية صغيرة. يشير الهضم الميكانيكي إلى التحلل المادي لقطع كبيرة من الطعام إلى قطع أصغر يمكن الوصول إليها لاحقًا عن طريق الإنزيمات الهاضمة. في عملية الهضم الكيميائي ، تقوم الإنزيمات بتفكيك الطعام إلى جزيئات صغيرة يمكن للجسم استخدامها.

من المهم تقسيم الجزيئات الكبيرة إلى أجزاء أصغر ذات حجم مناسب للامتصاص عبر أغشية الخلايا. يجب اختزال الجزيئات الكبيرة والمعقدة من البروتينات والسكريات والدهون إلى جزيئات أبسط قبل أن تمتصها الخلايا الظهارية الهضمية. تلعب الأعضاء المختلفة أدوارًا محددة في عملية الهضم. يحتاج النظام الغذائي الحيواني إلى الكربوهيدرات والبروتين والدهون ، وكذلك الفيتامينات والمكونات غير العضوية لتحقيق التوازن الغذائي.

الإنزيمات الهاضمة هي إنزيمات تقوم بتكسير الجزيئات البوليمرية الكبيرة إلى كتل بنائية أصغر ، من أجل تسهيل امتصاصها من قبل الجسم. تم العثور على إنزيمات الجهاز الهضمي في المسالك الهضمية للحيوانات. تتنوع إنزيمات الجهاز الهضمي وتوجد في اللعاب الذي تفرزه الغدد اللعابية ، أو في المعدة التي تفرزها الخلايا المبطنة للمعدة ، أو في عصير البنكرياس الذي تفرزه خلايا إفراز البنكرياس ، وفي الإفرازات المعوية (الصغيرة والكبيرة) ، أو كجزء من بطانة الجهاز الهضمي.

تفيد البكتيريا المعوية المضيف من خلال استخلاص الطاقة من تخمر الكربوهيدرات غير المهضومة والامتصاص اللاحق للأحماض الدهنية قصيرة السلسلة. تلعب البكتيريا المعوية أيضًا دورًا في تصنيع فيتامين ب وفيتامين ك وكذلك في استقلاب الأحماض الصفراوية والستيرول والزينوبيوتيك.

الشكل ( PageIndex <1> ): الهضم الميكانيكي والكيميائي: يحدث الهضم الميكانيكي والكيميائي للطعام في عدة خطوات ، تبدأ في الفم وتنتهي في المستقيم.


تنظيم الجينات والتاريخ التطوري

إنزيمات أدينوزين دي أميناس التي تعمل على الحمض النووي الريبي (ADARs) هي إنزيمات تحفز التحويل الكيميائي للأدينوزين إلى إينوزينات في ركائز RNA مزدوجة الشريطة (dsRNA). نظرًا لأن خصائص الإينوزين تحاكي خصائص الجوانوزين (سيشكل الإينوزين رابطتين هيدروجينيتين مع السيتوزين ، على سبيل المثال) ، يتم التعرف على الإينوزين على أنه غوانوزين بواسطة الآلية الخلوية الانتقالية [1]. لذلك ، فإن تحرير "تحرير" Adenosine-to-inosine (A-to-I) RNA يغير بشكل فعال التسلسل الأساسي لأهداف الحمض النووي الريبي.

تم اكتشاف هذه الإنزيمات منذ أكثر من 25 عامًا [2] ، وهي محفوظة بشكل كبير في الميتازوا [3] ، على الرغم من أن عدد الجينات والأشكال الإسوية يختلف باختلاف الأنواع. ترميز جينومات الثدييات ثلاثة ADARs: ADAR1 و ADAR2 ، وهي نشطة تحفيزيًا [4] ، و ADAR3 ، والتي يُعتقد أنها غير نشطة تحفيزيًا [5]. ال أنواع معينة انيقة الجينوم يشفر اثنين من الجينات ، مADR1 و مADR2 [6] بينما واحد فقط ادار المكان موجود في ذبابة الفاكهة الجينوم [7] (الشكل 1 أ). بالإضافة إلى ذلك ، يشفر كل من الحبار [8] والهيدرا (RA Reenan ، نتائج غير منشورة) ادار locus ، في حين أن جينوم الدجاج وسمك الزرد يشفر اثنين وأربعة ادار الجينات على التوالي [9]. علاوة على ذلك ، توجد جينات ADAR أيضًا في جينومات كل من قنفذ البحر وشقائق النعمان البحرية ، مما يشير إلى أصل مبكر لإنزيمات تحرير الحمض النووي الريبي في تطور ميتازوان [9]. في المقابل ، لا يبدو أن جينات ADAR موجودة في جينومات الفطريات والنباتات والخميرة [9].

بروتين عائلة ADAR. (أ) هندسة المجال لـ ADARs metazoan. تم تصوير مجال نزع الأمين باللون الأرجواني ، بينما تظهر dsRBMs باللون البرتقالي ومجالات ربط Z-DNA ، وهي فريدة من نوعها للإنسان. ADAR1، باللون الأخضر. يحتوي الجينوم البشري على ثلاثة جينات ADAR (hADAR1 إلى 3). أن من الحبار Loligo pealeii يحتوي على جين يشبه ADAR2 (مربعADAR2) التي تنتج متغيرات (أ و ب) من خلال التضفير البديل. C. ايليجانس يحتوي على اثنين من الجينات (مADAR1 و 2) ، في حين أن جينوم D. melanogaster يشفر واحد فقط (dADAR) ، وهو إنزيم مماثل لـ hADAR2. على الرغم من وجود dsRBMs في العدار ماجنابيلاتا الجينوم شديد التباين ، وخمسة من هذه الأشكال يمكن التعرف عليها في جلالة الملكADAR، الجين الوحيد المحدد في هذا النوع. الإنسان و ذبابة الفاكهة يتم تضمين معماريات ADAT (باللون الأحمر) ، حيث يُعتقد أن هذه الإنزيمات هي أسلاف لـ ADARs الحالية. (ب) Cladogram يعتمد على تسلسل المجال التحفيزي ADAR. تم استخدام MacVector لإنشاء شجرة ارتباط بناءً على تسلسل البروتين لمجالات ADAR التحفيزية من أنواع مختلفة. C. ايليجانس ADAR2 غائب بسبب صعوبة محاذاة المجال الحفاز. لاحظ أن الإنسان و ذبابة الفاكهة مجموعة ADATs (الحمراء) باعتبارها مجموعة خارجية.

ومن المثير للاهتمام ، على الرغم من أن جينومات بدائية النواة لا تحتوي على جينات ADAR ، إلا أنها تقوم بتشفير نقل الحمض النووي الريبي (tRNA) أدينوزين ديميناز (TadA) ، والذي يعدل الحمض الريبي النووي النقال (tRNAs) المحدد [10]. يتم أيضًا حفظ أخصائيو تقويم حقيقيات النوى لإنزيم تحرير الحمض النووي الريبي ، وهو أدينوزين دي أميناس الذي يعمل على الحمض النووي الريبي (ADATs) ، في الميتازوا ويحفز نزع أمينات أدينوسينات معينة إلى إينوزينات عند أو بجوار مضاد الحمض الريبي النووي الريبي المضاد [11]. يقترح تجانس التسلسل بين المجالات التحفيزية لـ ADARs و ADATs نموذجًا تكون فيه إنزيمات تعديل الحمض النووي الريبي (tRNA) هي أسلاف لـ ADARs (الشكل 1 ب). في هذا النموذج ، اكتسب جين ADAT مكررًا واحدًا أو أكثر من مجالات ربط الرنا المزدوج الجديلة (dsRNA) التي سمحت للبروتين بالتعرف على dsRNAs وربطها. يُعتقد أن هذا الجين الجديد قد منح ميزة انتقائية بسبب إصلاح الطفرات الجينية الضارة عن طريق تعديلات A-to-I على مستوى mRNA [3].


مراجع

Laule O ، Furholz A ، Chang HS ، Zhu T ، Wang X ، Heifetz PB ، Gruissem W ، Lange M: الحديث المتبادل بين المسارات الخلوية والبلاستيدية للتخليق الحيوي للأيزوبرينويد في نبات الأرابيدوبسيس thaliana. Proc Natl Acad Sci USA. 2003 ، 100: 6866-6871. 10.1073 / pnas.1031755100. دراسة لتنظيم كل من الميفالونات والمسارات المستقلة لتخليق الأيزوبرينويد في النباتات.

Bochar DA ، Stauffacher CV ، Rodwell VW: تكشف مقارنات التسلسل عن فئتين من 3-hydroxy-3-methylglutaryl coenzyme A reductase. مول جينيت ميتاب. 1999 ، 66: 122-127. 10.1006 / mgme.1998.2786. أبلغت هذه المقالة عن تصنيف اختزال HMG-CoA في إنزيمات الصنف الأول والفئة الثانية على أساس مقارنة التسلسل. استخدم المؤلفون التحليل الوراثي لتحليل عدد كبير من التسلسلات الجينومية للعديد من الكائنات الحية.

Hedl M، Tabernero L، Stauffacher CV، Rodwell VW: Class II 3-hydroxy-3-methylglutaryl coenzyme A reductases. J باكتيريول. 2004 ، 186: 1927-1932. 10.1128 / JB.186.7.1927-1932.2004. مقالة مراجعة توضح بالتفصيل البحث والفكر الحالي فيما يتعلق بأشكال الفئة الثانية من الإنزيم ، بما في ذلك HMGRs للعديد من البكتيريا المسببة للأمراض.

Istvan ES، Palnitkar M، Buchanan SK، Deisenhofer J: التركيب البلوري للجزء الحفاز من اختزال HMG-CoA البشري: نظرة ثاقبة لتنظيم النشاط والحفز. EMBO J. 2000 ، 19: 819-830. 10.1093 / emboj / 19.5.819. أبلغت هذه المقالة و [5] عن التركيب البلوري للمجال التحفيزي لاختزال HMG-CoA البشري ، مما يوفر رؤى عديدة حول التحفيز بواسطة اختزال HMG-CoA من الفئة الأولى.

Istvan ES، Deisenhofer J: هيكل الجزء الحفاز من اختزال HMG-CoA البشري. Biochim Biophys Acta. 2000 ، 1529: 9-18. انظر [4]

Lawrence CM ، Rodwell VW ، Stauffacher CV: الهيكل البلوري لـ الزائفة الميفالونية اختزال HMG-CoA بدقة 3.0. علم. 1995 ، 268: 1758-1762. تشير هذه المقالة إلى أول هيكل مختزل لـ HMG-CoA تم حله.

Tabernero LD ، Bochar DA ، Rodwell VW ، Stauffacher CV: يوفر الإغلاق الناجم عن الركيزة لمجال الرفرف في الهياكل المعقدة الثلاثية رؤى جديدة حول آلية التحفيز بواسطة اختزال 3-hydroxy-3-methylglutaryl-CoA. Proc Natl Acad Sci USA. 1999 ، 96: 7167-7171. 10.1073 / pnas.96.13.7167. الهيكل الأصلي لـ P. ميفالوني يفتقر اختزال HMG-CoA [6] إلى جزء من الإنزيم المعروف بكونه حاسمًا في التحفيز. قدمت هذه المقالة نظرة ثاقبة للآلية التحفيزية من خلال حل بنية المنطقة الأصلية المفقودة.

Istvan ES ، Deisenhofer J: الآلية الهيكلية لتثبيط الستاتين من اختزال HMG-CoA. علم. 2001 ، 292: 1160-1164. 10.1126 / العلوم 1059344. تقدم هذه المقالة تقريراً عن تفسير هيكلي لتثبيط اختزال HMG-CoA البشري بواسطة الستاتينات ، وهي أدوية موصوفة على نطاق واسع لفرط كوليسترول الدم.

Tabernero L، Rodwell VW، Stauffacher CV: التركيب البلوري لعقار ستاتين مرتبط بمختزل هيدروكسي ميثيل جلوتاريل- CoA من الفئة الثانية. J بيول كيم. 2003 ، 278: 19933-19938. 10.1074 / jbc.M213006200. الكتاب بالتفصيل تفاعل P. ميفالوني اختزال HMG-CoA ، إنزيم من الدرجة الثانية ، مع الستاتينات.

Istvan ES: اختزال HMG-CoA البكتيرية والثديية: الإنزيمات ذات الصلة ذات البنى المتميزة. بيول هيكل العملة للعملات. 2001 ، 11: 746-751. 10.1016 / S0959-440X (01) 00276-7. مراجعة توفر نظرة ثاقبة للعلاقات بين اختزال HMG-CoA من الفئة الأولى والفئة الثانية ، من حيث الهيكل والتطور.

Bochar DA ، Friesen JA ، Stauffacher CV ، Rodwell VW: التخليق الحيوي لحمض الميفالونيك من acetyl-CoA. الإيزوبرينويدات بما في ذلك الكاروتينات والمنشطات. حرره: Cane D. 1999، New York: Pergamon Press، 15-44. مقالة مراجعة شاملة توضح بالتفصيل التحفيز ، وهيكل ، وتنظيم اختزال HMG-CoA. هو مكتوب من وجهة نظر توليف المنتجات الطبيعية.

Goldstein JL ، Brown MS: تنظيم مسار الميفالونات. طبيعة سجية. 1990 ، 343: 425-430. 10.1038 / 343425a0. أول تقرير رئيسي عن تنظيم اختزال HMG-CoA.

Horton JD, Goldstein JL, Brown MS: SREBPs: activators of the complete program of cholesterol and fatty acid synthesis in the liver. ياء كلين إنفست. 2002, 109: 1125-1131. 10.1172/JCI200215593. A recent review detailing the role of sterol regulatory element binding proteins (SREBPs) in the regulation of cholesterol biosynthesis. This is the transcriptional control for HMG-CoA reductase.

Mitropoulos KA, Venkatesan S: Membrane-mediated control of HMG-CoA reductase activity. In Regulation of HMG-CoA Reductase. Edited by: Preiss B. 1985, Orlando: Academic Press, 1-48. A classical review article summarizing the role of the membrane anchor domain in HMG-CoA reductase degradation.

Jingami H, Brown MS, Goldstein JL, Anderson RJ, Luskey KL: Partial deletion of membrane-bound domain of 3-hydroxy-3-methylglutaryl coenzyme A reductase eliminates sterol-enhanced degradation and prevents formation of crystalloid endoplasmic reticulum. J Cell Biol. 1987, 104: 1693-1704. 10.1083/jcb.104.6.1693. The original report of the sterol-mediated regulation of HMG-CoA reductase degradation and localization of the region responsible for mediating this degradation.

Xu L, Simoni RD: The inhibition of degradation of 3-hydroxy-3-methylglutaryl coenzyme A (HMG-CoA) reductase by sterol regulatory element binding protein cleavage-activating protein requires four phenylalanine residues in span 6 of HMG-CoA reductase transmembrane domain. Arch Biochem Biophys. 2003, 414: 232-243. 10.1016/S0003-9861(03)00168-1. A study of the structure-function relationships between HMG-CoA reductase degradation and the sterol cleavage activating protein (SCAP).

Sever N, Yang T, Brown MS, Goldstein JL, DeBose-Boyd RA: Accelerated degradation of HMG-CoA reductase mediated by binding of insig-1 to its sterol-sensing domain. خلية مول. 2003, 11: 25-33. 10.1016/S1097-2765(02)00822-5. The authors identified the role of the protein insig-1 in regulation of HMG-CoA reductase by degradation.

Sever N, Song BL, Yabe D, Goldstein JL, Brown MS, DeBose-Boyd RA: Insig-dependent ubiquitination and degradation of mammalian 3-hydroxy-3-methylglutaryl-CoA reductase stimulated by sterols and geranylgeraniol. J Biol Chem. 2003, 278: 52479-52490. 10.1074/jbc.M310053200. This study described the relationship between ubiquitination, degradation, and the protein insig-1 in HMG-CoA reductase degradation.

Sato R, Goldstein JL, Brown MS: Replacement of serine-871 of hamster 3-hydroxy-3-methylglutaryl-CoA reductase prevents phosphorylation by AMP-activated kinase and blocks inhibition of sterol synthesis induced by ATP depletion. Proc Natl Acad Sci USA. 1993, 90: 9261-9265. In this study, the authors identified the specific amino acid of mammalian HMG-CoA reductase that is phosphorylated and mediates regulation of HMG-CoA reductase by reversible phosphorylation.

Hardie DG: The AMP-activated protein kinase cascade: the key sensor of cellular energy status. Endocrinology. 2003, 144: 5179-5183. 10.1210/en.2003-0982. A review article describing the AMP-activated protein kinase (AMPK) that phosphorylates HMG-CoA reductase.

Dale S, Arro M, Becerra B, Morrice NG, Boronat A, Hardie DG, Ferrer A: Bacterial expression of the catalytic domain of 3-hydroxy-3-methylglutaryl-CoA reductase (isoform hmgr1) from نبات الأرابيدوبسيس thaliana, and its inactivation by phosphorylation at Ser577 by براسيكا أوليراسيا 3-hydroxy-3-methylglutaryl-CoA reductase kinase. Eur J Biochem. 1995, 233: 506-513. 10.1111/j.1432-1033.1995.506_2.x. A study that illustrated that plant HMG-CoA reductases are probably regulated by reversible phosphorylation.

Ensembl Human Genome browser. Ensembl information about the human HMG-CoA reductase gene and transcript details., [http://www.ensembl.org/Homo_sapiens/]

Higgins D, Thompson J, Gibson T, Thompson JD, Higgins DG, Gibson TJ: CLUSTAL W: Improving the sensitivity of progressive multiple sequence alignment through sequence weighting, position-specific gap penalties and weight matrix choice. الدقة الأحماض النووية. 1994, 22: 4673-4680. An article describing the CLUSTAL W program, which is used for multiple sequence alignments of amino-acid sequences.


شاهد الفيديو: الانزيمات مبنى ووظيفة (كانون الثاني 2022).