تقوم جميع الكائنات الحية باستمرار بالعديد من التفاعلات الكيميائية الحيوية للحفاظ على وجودها. تتطلب معظم هذه التفاعلات مدخلات من ال…
كان لدى المستكشفين الأوروبيين المعرفة والمهارات والمعدات الكافية ، ولكن لماذا لم يصلوا إلى العالم الجديد حتى نهاية القرن الخامس عشر؟ ستندهش عندما تعلم أن الإجابة على هذا السؤال مرتبطة بالجزيئات البيولوجية الصغيرة التي تسمى الإنزيمات ، والتي تعمل كمحفزات.
ما هو المحفز؟ إنها مادة تمكن التفاعل من الحدوث بشكل أسرع ، باستخدام طاقة أقل. إذا رسمت رسما بيانيا للطاقة اللازمة لتفاعل بيولوجي غير محلل ، فسيبدو مثل هذا. يمثل هذا الارتفاع طاقة التنشيط ، وهي الحد الأدنى من الطاقة اللازمة لاستمرار التفاعل. توفر الإنزيمات ، التي تعمل كمحفز ، مسار تفاعل بديل ، مع طاقة تنشيط أقل.
إذن ، كيف تعمل الإنزيمات بالفعل؟ معظم الإنزيمات عبارة عن بروتينات. يسمى جزء هيكلها الذي يتفاعل مع الجزيئات التي تحفزها بالموقع النشط ، والذي له تقارب مع ركائز معينة فقط ولن يرتبط بالآخرين. عندما تدخل الركائز الصحيحة إلى الموقع النشط ، يغير الإنزيم شكله لتحقيق تكوين تقارب أعلى. تسهل هذه الحالة الانتقالية التفاعل وتحول المواد المتفاعلة إلى نواتج. ومع ذلك ، فإن الإنزيم له تقارب أقل مع المنتجات ، لذا فهو يطلقها ويعود إلى شكله الأصلي ، ويكون جاهزا لتكرار نفس العملية. هذا مثال على إنزيم تقويضي لأنه أخذ ركيزة واحدة وكسرها لتشكيل منتجات متعددة. على العكس من ذلك ، هو الإنزيم المنشط ، الذي يأخذ ركيزتين ويربطهما معا لصنع منتج أكبر.
هناك العديد من الطرق الأخرى التي تعمل بها الإنزيمات. على سبيل المثال ، يحول هذا الإنزيم ركيزة واحدة إلى شكل جديد. في حين أن هذا ، ينقل جزءا من ركيزة إلى أخرى. لا تستطيع بعض الإنزيمات تحفيز التفاعلات من تلقاء نفسها وتتطلب عوامل مساعدة أو إنزيمات مساعدة من أجل تحفيز تفاعلها.
لذا ، قد تتساءل ، كيف يرتبط كل هذا برحلات القرن الخامس عشر؟ في ذلك الوقت ، لم يكن بإمكان البحارة الوصول إلى المنتجات الطازجة التي تحتوي على فيتامين سي ، وهو إنزيم أساسي لتخليق الكولاجين. وبسبب ذلك ، أصيب البحارة بمرض الاسقربوط ، وهو مرض نقص فيتامين سي ، والذي غالبا ما يكون قاتلا. لقد حلوا هذه المشكلة عن طريق تخليل الفواكه والخضروات الغنية بفيتامين سي. قلل التخليل من درجة الحموضة في الطعام ، مما منع نشاط الإنزيمات الميكروبية المسؤولة عن تعفنها. لذلك ، لعب تدمير الإنزيمات الميكروبية وإنقاذ الإنزيم المساعد الأساسي دورا رئيسيا في نجاح الرحلات الاستكشافية الطويلة.
في هذا المختبر ، يمكنك تحديد كيفية تأثير الظروف المختلفة على وظيفة الإنزيم ، من خلال تقييم معدل التفاعل ، وكمية المنتج المصنوع ، لكل وحدة زمنية. ستقيس أولا معدل تفاعل خط الأساس عند درجة حرارة الغرفة القياسية ودرجة الحموضة المحايدة. سيزداد المعدل في البداية حتى تشبع جميع جزيئات الإنزيم تماما بالركيزة. وبعد ذلك ، سيصل التحفيز إلى مستوى ثابت حيث أن الإنزيمات مشغولة بمواصلة دورة الركيزة الملزمة والتحفيز والإفراج. بمجرد تحديد معدل تفاعل خط الأساس ، يمكن استخدامه كنقطة مرجعية لظروف أخرى. الإنزيم الذي ستعمل معه في هذا المختبر هو اللفت بيروكسيداز. ستقوم بتقييم نشاطه تحت قيم متفاوتة من درجة الحرارة ودرجة الحموضة.
تسجيل الدخول أو للوصول إلى المحتوى الكامل. تعرّف على المزيد حول وصول مؤسستك إلى محتوى JoVE هنا
كان لدى المستكشفين الأوروبيين المعرفة والمهارات والمعدات الكافية ، ولكن لماذا لم يصلوا إلى العالم الجديد حتى نهاية القرن الخامس عشر؟ ستندهش عندما تعلم أن الإجابة على هذا السؤال مرتبطة بالجزيئات البيولوجية الصغيرة التي تسمى الإنزيمات ، والتي تعمل كمحفزات.
ما هو المحفز؟ إنها مادة تمكن التفاعل من الحدوث بشكل أسرع ، باستخدام طاقة أقل. إذا رسمت رسما بيانيا للطاقة اللازمة لتفاعل بيولوجي غير محلل ، فسيبدو مثل هذا. يمثل هذا الارتفاع طاقة التنشيط ، وهي الحد الأدنى من الطاقة اللازمة لاستمرار التفاعل. توفر الإنزيمات ، التي تعمل كمحفز ، مسار تفاعل بديل ، مع طاقة تنشيط أقل.
إذن ، كيف تعمل الإنزيمات بالفعل؟ معظم الإنزيمات عبارة عن بروتينات. يسمى جزء هيكلها الذي يتفاعل مع الجزيئات التي تحفزها بالموقع النشط ، والذي له تقارب مع ركائز معينة فقط ولن يرتبط بالآخرين. عندما تدخل الركائز الصحيحة إلى الموقع النشط ، يغير الإنزيم شكله لتحقيق تكوين تقارب أعلى. تسهل هذه الحالة الانتقالية التفاعل وتحول المواد المتفاعلة إلى نواتج. ومع ذلك ، فإن الإنزيم له تقارب أقل مع المنتجات ، لذا فهو يطلقها ويعود إلى شكله الأصلي ، ويكون جاهزا لتكرار نفس العملية. هذا مثال على إنزيم تقويضي لأنه أخذ ركيزة واحدة وكسرها لتشكيل منتجات متعددة. على العكس من ذلك ، هو الإنزيم المنشط ، الذي يأخذ ركيزتين ويربطهما معا لصنع منتج أكبر.
هناك العديد من الطرق الأخرى التي تعمل بها الإنزيمات. على سبيل المثال ، يحول هذا الإنزيم ركيزة واحدة إلى شكل جديد. في حين أن هذا ، ينقل جزءا من ركيزة إلى أخرى. لا تستطيع بعض الإنزيمات تحفيز التفاعلات من تلقاء نفسها وتتطلب عوامل مساعدة أو إنزيمات مساعدة من أجل تحفيز تفاعلها.
لذا ، قد تتساءل ، كيف يرتبط كل هذا برحلات القرن الخامس عشر؟ في ذلك الوقت ، لم يكن بإمكان البحارة الوصول إلى المنتجات الطازجة التي تحتوي على فيتامين سي ، وهو إنزيم أساسي لتخليق الكولاجين. وبسبب ذلك ، أصيب البحارة بمرض الاسقربوط ، وهو مرض نقص فيتامين سي ، والذي غالبا ما يكون قاتلا. لقد حلوا هذه المشكلة عن طريق تخليل الفواكه والخضروات الغنية بفيتامين سي. قلل التخليل من درجة الحموضة في الطعام ، مما منع نشاط الإنزيمات الميكروبية المسؤولة عن تعفنها. لذلك ، لعب تدمير الإنزيمات الميكروبية وإنقاذ الإنزيم المساعد الأساسي دورا رئيسيا في نجاح الرحلات الاستكشافية الطويلة.
في هذا المختبر ، يمكنك تحديد كيفية تأثير الظروف المختلفة على وظيفة الإنزيم ، من خلال تقييم معدل التفاعل ، وكمية المنتج المصنوع ، لكل وحدة زمنية. ستقيس أولا معدل تفاعل خط الأساس عند درجة حرارة الغرفة القياسية ودرجة الحموضة المحايدة. سيزداد المعدل في البداية حتى تشبع جميع جزيئات الإنزيم تماما بالركيزة. وبعد ذلك ، سيصل التحفيز إلى مستوى ثابت حيث أن الإنزيمات مشغولة بمواصلة دورة الركيزة الملزمة والتحفيز والإفراج. بمجرد تحديد معدل تفاعل خط الأساس ، يمكن استخدامه كنقطة مرجعية لظروف أخرى. الإنزيم الذي ستعمل معه في هذا المختبر هو اللفت بيروكسيداز. ستقوم بتقييم نشاطه تحت قيم متفاوتة من درجة الحرارة ودرجة الحموضة.
View the full transcript and gain access to JoVE Lab Manual videos
Q1: What is the role of activation energy in enzyme-catalyzed reactions?
Activation energy is the minimum amount of energy required for a reaction to proceed. Enzymes lower this activation energy by providing an alternate reaction pathway, enabling reactions to occur faster and using less energy. This catalytic function allows biological processes to happen efficiently at body temperature without requiring excessive heat or energy input.
Q2: How does an enzyme's active site determine which substrates it can bind?
Each enzyme's active site has a specific shape and chemical properties that match only certain substrates. When the correct substrate enters the active site, the enzyme changes shape to achieve higher affinity, facilitating the reaction. The enzyme then releases the products and returns to its original shape, ready to repeat the catalytic cycle with new substrate molecules.
Q3: What is the difference between catabolic and anabolic enzymes?
Catabolic enzymes break down larger molecules into multiple smaller products, such as lactase splitting lactose into glucose and galactose. Anabolic enzymes combine multiple substrates into a single larger product, like DNA polymerase joining nucleotides to synthesize DNA. These opposing functions allow organisms to both extract energy and build complex molecules.
Q4: How do pH and temperature affect enzyme activity?
Enzymes require specific pH and temperature ranges to function optimally. Deviations from optimal pH alter the charges in the active site, preventing substrate interaction. Similarly, temperature shifts alter the active site shape; returning to optimal temperature usually restores function, but excessive heat can permanently denature the enzyme. These properties are exploited in food preservation through pickling and cooking.
Q5: What are cofactors and coenzymes, and why do some enzymes need them?
Cofactors are inorganic substances like ions (Mg2+, Mn2+) required for enzymatic function, while coenzymes are organic biomolecules like B vitamins that participate in catalysis without being consumed. Some enzymes cannot catalyze reactions independently and require these helper molecules to function. For example, vitamin C is an essential coenzyme for collagen synthesis.
Q6: How is enzyme reaction rate measured and used as a reference in experiments?
Reaction rate is quantified by measuring the amount of product made per unit time, calculated during the linear phase when product concentration increases steadily until enzyme saturation. Once a baseline reaction rate is established under standard conditions, it serves as a control reference point for comparing how different treatments like temperature or pH variations affect enzyme efficiency.
Q7: What are enzyme inhibitors and how do they affect enzyme function?
Enzyme inhibitors are molecules that decrease enzymatic activity by binding to the active site or allosteric sites on the enzyme. Inhibitor binding can be reversible, allowing the enzyme to resume function once the inhibitor detaches, or irreversible, permanently damaging the enzyme. Inhibitors have practical applications as antibiotics to inhibit bacterial growth and as chemotherapeutics to prevent cancer cell division.