النشاط الانزيمي للبروتينات

بسم الله الرحمن الرحيم
- المجال التعليمي (1): التخصص الوظيفي للبروتينات
- الوحدة التعليمية (3): النشاط الإنزيمي للبروتينات.
إن كل نشاطات الجسم مرتبطة بعمل الإنزيمات ، فتعطل عملها يكون من أسباب ظهور أعراض مرضية تعرض حياة العضوية للخطر .
* الإشكالية: فما هي هذه الجزيئات ؟ و ماهي خصائصها و شروط عملها ؟.
3-1- مفهوم الإنزيم و أهميتها :
تؤدي الإنزيمات دورا فعالا في حياة الكائنات الحية نظرا للوظائف العديدة التي تقوم بها ، و تختلف أدوارها باختلاف المواد التي تؤثر فيها .
* الإشكالية : فما هو مفهوم الإنزيم ؟ و ما هو تأثيره على النشاط الأيضي ؟.
3-1-أ- التذكير بالمكتسبات القبلية حول دور الإنزيمات في الهضم :
- استغلال الوثيقة (1) ص (5

إن تغير درجة تعقيد الغذاء عند انتقاله في الجهاز الهضمي يعود إلى تدخل إنزيمات الهضم التي تعمل على تبسيط الغذاء بسرعة كبيرة ( تسريع التفاعلات الكيميائية الأيضية )
إنزيم الأميلاز يؤثر على النشاء ( مادة أيضية معقدة ) حيث يحلله و ينتج عن ذلك جزيئات سكر بسيط ( الجلوكوز )
تعريف أولي للإنزيم : مادة كيميائية تسرع التفاعلات الكيميائية الأيضية ( تأثير فعال ).
3-1-ب- عواقب غياب أو نقص إنزيم على النشاط الأيضي:
استعراض حالتين مرضيتين لتوضيح عواقب غياب الإنزيم على النشاطات الأيضية في الخلية
• الحالة الأولى: ( مرض عدم تحمل اللاكتوز intolérance au Lactose )
- الأعراض : آلام في المعدة ، تقيؤ ، إسهال و غازات .
( تتكرر هذه الحالة بعد ساعة إلى ساعتين من تناول الحليب أو مشتقاته )
- بعد التشخيص : عدم تناول غذاء فيه الحليب أو مشتقاته لمدة أسبوع ، ثم إجراء تحاليل طبية
- التحاليل الطبية : - نسبة السكر في دم الشخص المريض عادية ( طبيعية)
- قدم للمريض محلولا من اللاكتوز ، و بعد ساعتين لم يلاحظ أي ارتفاع في نسبة السكر في الدم ، لكن المريض أحس بأعراض تشبه أعراض تناول الحليب .
- تبين وجود حموضة عالية في البراز مع انطلاق غاز الهيدروجين في فم المريض

- الاستنتاج :
- المشكلة تكمن في سكر اللاكتوز و ليس الحليب ككل :
( تناول المريض اللاكتوز أدى إلى ظهور الأعراض المشابهة لأعراض تناول الحليب أو مشتقاته ).
- سكر اللاكتوز لم تتم إماهته ( هضمه ) : عدم ارتفاع نسبة الجلوكوز في الدم
( اللاكتوز = جلوكوز + جلاكتوز )
- حدوث التخمر للاكتوز ( بكتيريا معوية ) : انطلاق الهيدروجين من الفم و وجود الحموضة
* الفرضية المقترحة لتفسير سبب المرض :
- غياب أو نقص في نشاط إنزيم اللاكتوز المحلل لسكر اللاكتوز
* اقتراح العلاج :
- تفادي نتاول الحليب و مشتقاته ( هل يمكن للشخص أن يتفادى تناول الحليب و مشتقاته كليا ؟ )
- تناول دواء عبارة عن إنزيم اللاكتوز عند تناول غذاء فيه الحليب أو مشتقاته .
- قد يكون السبب وراثي ( أغلب الحالات المرضية لا يصاب فيها الشخص بعد الولادة مباشرة و إنما بعد بلوغه سنا معينا يختلف من شخص لآخر )
- الإصابة ببعض الأمراض ( التهاب الأمعاء ، بعض أمراض الجهاز الهضمي ) تؤدي الى ضعف قدرة الخلايا المفرزة لهذا الإنزيم .
• الحالة الثانية : أمراض تخزين الجليكوجين (Glycogénose) ما مرض
(Glycogénose Tipe I) و الذي يظهر عند بعض الأطفال عند الولادة
- الأعراض : تضخم الكبد(Hépatomégalie) زيادة حجم الكلى، نقص السكر في الدم.... الخ
- الأسباب : وراثية ( غياب نشاط إنزيم (Glucose-6-phosphatase) بسبب طفرة وراثية حيث يعتبر (G-6-p) إنزيم أساسي في تحويل الغلوكوز 6 فسفات إلى غلوكوز داخل الخلايا الكبدية .

(Gluse G-6- Phosphatase إنزيم Glucose-6-phosphatase)
- النتائج : انخفاض نسبة السكر ( الجلوكوز ) في الدم خاصة في الفترات التي لا يتم فيها تناول غذاء غني بالسكر .
- العلاج : لا يوجد علاج لكون المرض وراثي .
تعريف الإنزيم : مادة بروتينية تسرع التفاعلات الكيميائية و تتميز بتأثيرها النوعي تجاه مادة التفاعل
( ركيزة معينة ) في شروط درجة حرارة ملائمة للحياة ( 37°م ) ، و لا تتغير بعد نهاية التفاعل أي أنها وسيط حيوي .

3-2- النشاط الإنزيمي و علاقته ببنية الإنزيم :
الإنزيمات هي بروتينات ذات بنية وظيفية محددة تعمل على تحفيز ( تنشيط ) التفاعلات الإنزيمية.
* الإشكالية : فما هي خصائص الإنزيم التي تمكنه من القيام بدوره ؟ و كيف يمكن قياس نشاطه ؟
3-2-أ- إظهار النشاط الإنزيمي عن طريق التجارب الاعتيادية :
3-2-أ1 – الإماهة الإنزيمية للسكروز:


- استغلال النتائج التجريبية ( الوثيقة 1)
- من 1 و 2 : تبين أن وجود الخميرة أدى إلى تسريع عملية إماهة النشاء ( وجود الإنزيم )
- من 3و 4 : تبين أن المادة التي أسرعت التفاعل تخرب بالحرارة ، و هذا يدل على أنها ذات طبيعة بروتينية .
- النتيجة الإنزيمات هي بروتينات تحفز ( تنشط ) التفاعلات الكيميائية .
3-2-أ2- إظهار النشاط الإنزيمي في بذور القمح :


- إستغلال النتائج التجريبية ( الوثيقة 2)
- إن عدم تلون المناطق القريبة من نصف البذرة باللون الأزرق يعود إلى عدم وجود النشاء نتيجة إماهته
- من المرحلتين 1 و 2 : إن إماهة النشاء تمت بواسطة إنزيمات أفرزتها البذرة و انتشرت في المنطقة المجاورة
- إن إماهة النشاء تمت بواسطة قابلة للتشريح و هي عبارة عن إنزيمات .
الخلاصة: يتم على مستوى خلايا الكائنات الحية ( حيوانية و نباتية ) نشاطات إنزيمية متنوعة
3-2-ب- قياس النشاط الإنزيمي و دراسة حركية التفاعلات الإنزيمية عن طريق التجريب المدعم بالحاسوب (EXAO)
3-2-ب1- تركيب الجهاز و مميزات استعماله:


* مزايا استعمال التجريب المدعم بالحاسوب في قياس نشاط الإنزيمات مقارنة بالتجربة الإعتيادية :
- يسمح بالقياس السريع للمواد المتفاعلة أو النواتج بدقة
- يسمح لنا بمتابعة سير التفاعل على الشاشة بصورة لحظية ( آنية ) لا تنتظر انتهاء التجربة للحصول على النتائج
- يسمح لنا بمشاهدة تأثير إضافة مركبات أو تغيرات في شروط التفاعل مباشرة
- يسمح بالحفاظ على النتائج في ذاكرة الحاسوب ، و ذلك للرجوع إليها في أي وقت
كما يمكن إجراء رسم منحنى بياني في نفس المعلم للتجربة السابقة لغرض المقارنة
3– 2 – ب2 – دراسة حركية التفاعلات الإنزيمية :
( ص 63 لدراسة حركية التفاعلات الإنزيمية ...... كما يلي :
* التجربة (1) :


- في غياب الإنزيم يلاحظ ثبات تركيز (O2 ) لعدم استعماله .
- في وجود الإنزيم يلاحظ انخفاض : (O2 ) لاستعماله.
إن دور الإنزيم (GO) في التفاعل هو استهلاك الأكسوجين لأكسدة الجلوكوز و إنتاج حمض الفلوكوميك وفق أكسيد الهيدروجين (H2O2 ) .
* يمكن استعمال الزيادة في تركيز هادين المركبين الناتجين من تحديد نشاط الإنزيم ( علاقة طردية) .
- إن التفاعل يتم بسرعة كبيرة في وجود الإنزيم ، بينما يتم ببطء شديد أو لا يتم تماما في غيابه .
* التجربة (2) :

- يلاحظ انخفاض متماثل في تركيز (O2) بعد الحقن الأول و الثاني للجلوكوز. حيث أن نفس الإنزيم قام بأكسدة الجلوكوز و استهلاك ((O2 في الحقن الأول و الثاني دون أن يتأثر .



3 – 2 – ب2 ( ) : تغيرات السرعة الابتدائية للتفاعل الإنزيمي بدلالة تركيز مادة التفاعل .
* التجربة التجربة 3 ص 64 ) .




- رسم المنحنى البياني الدي يمثل تغيرات سرعة التفاعل بدلالة تركيز مادة التفاعل :
• تحليل المنحنى :
من ت 1 ت 300: نلاحظ تزايد سرعة
التفاعل الانزيمي بتزايد تركيز المادة (s)
- انطلاقا من ت 300 : نلاحظ ثبات سرعة التفاعل
الإنزيمي مهما زاد تركيز المادة (s)





• الفرضية ثبات السرعة الابتدائية للتفاعل الإنزيمي عندما يبلغ تركيز مادة التفاعل (s) حد معين يعود إلى كون الإنزيم قد بلغ طاقته القصوى ( تشبع الإنزيم بمادة التفاعل )
3 – 2 – ب3 ( ) : تغيرات الحركية الإنزيمية بدلالة طبيعة المادة ( مادة التفاعل ) :
- التجربة : التجربة (4) ص (65)



- يلاحظ ثبات تركي O2 في وجود الفركتور ، و هطا يدل على عدم استعماله من طرف الإنزيم
- يلاحظ انخفاض شديد في تركيز( (O2 في وجود الجلوكوز ، و هذا يدل على استعماله بكمية كبيرة من طرف الإنزيم .



3 – 2 – ج – النماذج الجزئية للانزيم و مادة التفاعل :
تم عن طريق برنامج Rastop تمثيل البنية الفراغية لإنزيم الليزوزيم (E) في غياب مادة التفاعل (5) و في وجودها (ES) فتحصلنا على النماذج الجزيئية الموضحة بالوثيقة (7) .
- استغلال الوثيقة (7) ص (65)

• يلاحظ ان هناك تكامل في البنية الفراغية لجزء صغير من الإنزيم ( تجويف صغير) و مادة التفاعل .
- ثبات سرعة التفاعل الإنزيمي عند التراكيز العالية لمادة التفاعل يعود الى كون مواقع التثبيت عند الأنزيم محدودة ( عدد ثابت ) حيث تبلغ سرعة التفاعل الإنزيمي اقصى حد لها ( سرعة عالية ) . و هذا ما يتوافق مع نص الفرضية السابقة .
- يدعى موقع ارتباط مادة التفاعل مع الإنزيم : الموقع الفعال .
3 – 2 – د : العلاقة بين الإنزيم و مادة التفاعل :
لتوضيح اكثر للعلاقة بين الإنزيم و مادة التفاعل في الحالات المختلفة ، تم اقتراح الأشكال الموضحة بالوثيقة (


- استغلال الوثيقة :
- يلاحظ :
- في الحالة (p) يوجد تكامل بنيوي بين شكل الموقع الفعال للإنزيم و شكل مادة التفاعل و بالتالي يحدث الإرتباط


- في الحالة (ب) : لا يوجد تكامل بنيوي بين شكل الموقع الفعال للإنزيم و شكل المادة التفاعل و لهذا يضطر الإنزيم إلى تغيير شكل موقعه الفعال ليصبح مكملا لشكل المادة .

- هناك أنواع مختلفة من النشاطات الإنزيمية :
- إنزيمات التحلل : الشكل ( د) .
- إنزيمات البناء : الشكل ( و ).
- إنزيمات التحول الكيميائي: الشكل ( ج) .
*تطبيق : إعتماد على نواتج التفاعلات لكل إنزيم في الأشكال ( ج- د- و) حدد نوع التفاعل الذي ينتمي إليه الإنزيم (GO) و إنزيم ( Catalase ) . مع التعليل


- الحل :
- التفاعل الذي ينتمي إليه الإنزيم (GO) : هو تفاعل التحول الكيميائي ( الشكل ج) .
* التعليل : انطلاقا من مادة التفاعل (Gwcose+O2 ) ينتج عنها مواد جديدة
( حمض غلوكونيك + H2O2 )
- التفاعل الذي ينتمي إليه إنزيم Catalase هو تفاعل التحلل ( الشكل د)
- التعليل : إنطلاقا من مادة التفاعل (H2O2 ) ينتج عنها مواد مكونة لها ( O H2 O2)

الخلاصة
- يرتكز التأثير النوعي للإنزيم و مادة التفاعل على شكل معقد ( إنزيم – مادة التفاعل ) (ES) ينشأ أثناء حدوثه روابط ( ضعيفة ) انتقالية بين جزء من مادة التفاعل و منطقة خاصة من الإنزيم تدعى : الموقع الفعال .
- يحدث التكامل البنيوي بين الموقع الفعال للإنزيم و مادة التفاعل عند اقتراب هذه الأخيرة و التي تحفز الإنزيم لتغيير شكله الفراغي ( بنيته ) فيصبح مكملا لشكل مادة التفاعل : إنه التكامل المحقن .
- إن تغير شكل الإنزيم يسمح بحدوث التفاعل , لأن المجموعات الكيميائية الضرورية لحدوثه تصبح في الموقع المناسب للتأثير على مادة التفاعل

3-3 دراسة تاثير تغييرات درجة الحموضة (PH) للوسط على نشاط الإنزيم
يتأثر نشاط الإنزيم بشروط الوسط الذي يعمل فيه و من بين هذه الشروط درجة حموضة الوسط .
• الإشكالية: فكيف تؤثر درجة الحموضة على نشاط الإنزيمات ؟
• التجربة: تم إجراء سلسلة من 5 تجارب حيث استعمل في كل منها نفس التركيز من الإنزيم و مادة التفاعل .
تغير درجة ((PH من تجربة لأخرى ، مع العلم أن درجة حرارة الوسط ثابتة (37°م) – نتائج التجارب ممثلة بالوثيقة (1).
- استغلال الوثيقة:



- تحليل المنحنيات :
- عند (PH=4) أو (PH=10) : نلاحظ ثبات تركيز O2و الذي يدل على عدم استعماله من طرف الإنزيم.
- عند أو (PH=6 : نلاحظ تناقص نسبي في تركيز O2 و الذي يدل على استعماله من طرف الإنزيم بكمية محدودة
- عند (PH=7): نلاحظ تناقص سريع و معتبر في تركيز O2 و الذي يدل على استعماله بكمية كبيرة من طرف الإنزيم .
الاستنتاج: يتاثر نشاط الانزيم بدرجة (PH) الوسط ، حيث يبلغ نشاطه الحد الأقصى عند حد معين (PH=7)
- التعبير عن النتائج الواردة في الجدول بيانيا



يستنتج من المنحنى:
- لهذا الإنزيم درجة (PH) مثلى (PH=7) يكون عندها نشاط الإنزيمي أعظميا .
- إن ثبات البنية الفراغية للإنزيم يكون عن طريق الروابط المختلفة التي قد تتأثر بتغيير (PH) مما يؤثر على البنية الفراغية للإنزيم و بالتالي شكل الموقع الفعال.

الخلاصة
- إن تغير الشحنة الكهربائية لجذور الأحماض الأمينية في الموقع الفعال للإنزيم يؤدي الى فقدان الموقع الفعال .
- يبلف النشاط الإنزيمي أقصاه عند درجة (PH) معينة و هي (PH المثلى) و التي تختلف من إنزيم لآخر.

3-4- دراسة تأثير تغيرات درجة الحرارة على نشاط الإنزيم :
من بين العوامل المؤثرة أيضا على الإنزيم ( على نشاط الإنزيم ) في الوسط درجة الحرارة .
* الإشكالية : فكيف تؤثر درجة الحرارة على نشاط الإنزيمات ؟
* التجربة: تم إجراء سلسلة من 5 تجارب حيث استعمل في كل منها نفس التركيز من الإنزيم و مادة التفاعل حيث يتم فقط تغيير درجة الحرارة في كل حالة مع العلم ان درجة (PH) الوسط ثابتة (PH=7).
- نتائج التجربة ممثلة بالوثيقة (1)


- إستغلال الوثيقة (1) :
تحليل المنحنيات :
- عند درجة الحرارة (60° أو 70°) : نلاحظ ثبات تركيز( O2 ) ، و الذي يدل على عدم استعماله من طرف الإنزيم.
- عند درجة الحرارة (10° أو 50°) : نلاحظ تناقص نسبي في تركيز( O2 ) ، و الذي يدل على استعماله من طرف الإنزيم بكمية محدودة .
- عند درجة الحرارة (35°) : نلاحظ تناقص سريع و معتبر في تركيز( O2 ) ، و الذي يدل على استعماله بكمية كبيرة من طرف الإنزيم.
*الاستنتاج : يتأثر الإنزيم بتغيرات درجة الحرارة الوسط حيث يبلغ نشاطه الحد الأقصى عند حد معين ( درجة الحرارة المثلى : 35°م)
- التعبير عن النتائج الواردة في الجدول بيانيا المنحنى
- يستنتج من المنحنى :
- لهذا الإنزيم درجة حرارة مثلي (35°م) يكون عندها نشاطه أعظميا.
- ان ثبات البنية الفراغية للإنزيم راجع الى الروابط المختلفة و خاصة كنها الهيدروجينية التي تتاثر بالحرارة المرتفعة ، مما يؤثر على البنية الفراغية للإنزيم ، و بالتالي شكل الموقع الفعال









الخلاصة
يتم النشاط الإنزيمي ضمن مجال محدد من درجة الحرارة حيث :
- تقل حركة الجزيئات بشكل كبير في درجات الحرارة المنخفضة و يصبح بذلك الإنزيم غير نشط ( نشاط عكسي ) :¬] يمكن استعمال الإنزيم لنشاطه بنقله الى وسط ذو درجة حرارة ملائمة [
- تتخرب الإنزيمات ( البروتينات ) في درجة الحرارة المرتفعة ( اكبر من 40°م ) بسبب تكسر بعض الروابط المحافظة على بنيته الفراغية ، و بالتالي تفقد نهائيا بنيتها الفراغية المميزة و يفقد الإنزيم نشاطه ( وظيفته ) : ]نشاط غير عكسي[.
- يبلغ النشاط الإنزيمي سرعة أعظمية عند درجة الحرارة المثلى ، و هي درجة حرارة الوسط الخلوي ( 37°م عند الإنسان)

3-5- نمذجة تأثير درجة الحرارة و درجة الحموضة على النشاط الإنزيمي .



- إن تغير البنية الفراغية قد يكون بعدة أشكال و صور حسب نوع التأثير ( درجة PH ، درجة الحرارة ...) و حسب نوع الروابط التي تم تكسيرها مما يغير من البنية الفراغية للإنزيم ، و بالتالي شكل الموقع الفعال ، فمهما كان نمط التغير سوف يؤدي في النهاية الى نفس النتيجة و هي فقدان الإنزيم لنشاطه ( وظيفته )
* تطبيق:
1- حدد أوجه التشابه و الاختلاف في تأثير كل من الحرارة و( PH) على نشاط الإنزيم
2- إنطلاقا من المعارف المبنية و معارفك الخاصة أكتب نصا علميا تلخص فيه أهمية التعرف على خصائص الإنزيمات و شروط عملها ، مبرزا العلاقة بينهما و بين ضمان شروط صحية لحياة أطول.