الإنزيمات

بحث متقدم

أ ب ت ث ج ح خ د ذ ر ز س ش ص ض ط ظ ع غ ف ق ك ل م ن هـ و ي

الإنزيمات

انزيمات

Enzymes - Enzymes

الإنزيمات

أحمد مالو

بنية الإنزيمات

مولدات الإنزيم zymogens

تنظيم التفاعلات الإنزيمية

تصنيف الإنزيمات

استخدام الإنزيمات في الصناعة

الإنزيمات enzymes حَفّازات (وسطاء) catalysts حيوية تنتجها الخلايا، تنشط التفاعلات الكيميائية، ولها القدرة على العمل خارج الكائن الحي أو في داخله. تَعَرَّف الإنسان الإنزيمات منذ أحقاب موغلة في القدم؛ إذ صنع الخبز بمساعدتها، وكذلك استخدمها في الصناعات الغذائية كمنتجات الألبان وتخمير منتجات الأعناب والتعامل مع الأعشاب في العلاج الطبي وغيرها من الحاجات الحياتية. كما أن لها أهمية كبيرة في كثير من الاختصاصات الطبية والصناعية والإنتاج الزراعي، فالعديد من الأمراض التي تصيب الإنسان أو الماشية تكون نتيجة خلل في فعالية الإنزيمات، لذا تُسْتَخْدَم أيضاً مركباتٍ علاجية في بعض الحالات المرضية، وكذلك في إنتاج العديد من المجالات الصناعية؛ مثل الصناعات الغذائية والنسيجية والمنظفات والأدوية وغيرها.

تختلف الإنزيمات عن الوسطاء اللاحيوية، فهي تتميز بفعاليتها العالية جداً، وتتميز أيضاً بالتخصص الدقيق جداً والانتقائية العالية للتفاعلات التي تحفزها.

بنية الإنزيمات

جميع الإنزيمات التي تم عزلها مركباتٌ بروتينية، ولبنيتها دور كيميائي مهم في التفاعلات الكيميائية التي تحفزها. يتكون الإنزيم من ارتباط عدد كبير من الحموض الأمينية، قد يتجاوز المئات، يرتبط بعضها مع بعض بروابط ببتيدية، بحيث تمَيَّز لها سوِّيات بنيوية أولية وثانوية وثالثية وأحياناً رابعية.

إن حجم جزيء الإنزيم أكبر بكثير من حجم جزيئات المداد أو الركيزة substrate (المواد المتفاعلة) التي يمكن أن تكون مادة واحدة أو عدة مواد، ولكن موضِعاً محدداً من الإنزيم هو الذي يتآثر مباشرة مع الركيزة وليس كامل الجزيء، ويسمى هذا الموضع المركز (الموقع) الفعال active site (الشكل 1).

الشكل (1): المركز (الموقع) الفعال في الإنزيم.

يتكون المركز الفعال عادة من عدة حموض أمينية تكون بعيدة بعضها عن بعض على طول السلسلة البروتينية الإنزيمية، لكنَّ بعضها يقترب من بعض متجمعة فراغياً بتآثرات البنية الثالثية للبروتين لتتلاءم فراغياً مع الركيزة المتفاعلة، وتتلاءم كيميائياً مع التفاعل الذي ستقوم بتنشيطه، وترتبط معه مشكلة معقداً يطلق عليه معقد الإنزيم- الركيزة (ES) Enzyme-Substrate complex (الشكل 2).

الشكل (2) إلى اليسار تشكيل المركز الفعال وإلى اليمين معقد الإنزيم-الركيزة تمهيداً لإتمام الحفز.

وبناء على التلاؤم الفراغي والكيميائي بين الإنزيم والركيزة يتم الانتقال إلى الصفة الثانية ذات الأهمية الكبيرة في توصيف الإنزيمات، وهي أنها ذات تخصص دقيق جداً وانتقائية عالية للتفاعل الذي تحفّزه، وأي اختلاف في الأبعاد أو في الشحنات بين المركز الفعال والركيزة المتفاعلة يؤدي إلى تشكيلة إنزيم- ركيزة غير فعالة.

ثمة إنزيمات لا يكتمل تشكل المركز الوظيفي الفعال لديها إلا إذا ارتبطت بمركب غير بروتيني يطلق عليه اسم العامل المتمم cofactor، هو- في كثير من الحالات- أحد مشتقات ﭬيتامين ما، مثل الـﭭيتامين 1B أو 2B أو 3B أو 6B، أو حمض الفوليك أو البيوتين، أوغيرها. وقد يكون ارتباط العامل المتمم بالإنزيم قوياً فلا ينفصل بعضهما عن بعض إلا بحلمهة الإنزيم، ويسمى هذا العامل المتمم حينها الزمرة الضميمة prosthetic group، أو يتم الارتباط بينهما قبل بدء التفاعل وينفصلان في نهايته، ويسمى عندها تميم الإنزيم coenzyme.

يقسم التخصص في الفعالية الإنزيمية إلى نوعين رئيسين: تخصص مطلق، وفي هذه الحالة يقوم الإنزيم بحفز تفاعل واحد فقط، والنوع الثاني تخصص نسبي، يقوم الإنزيم فيه بحفز تحول مركبات متقاربة بالبنية مع اختلافها الظاهري. فالإستراز esterase مثلاً يحفز حلمهة مجموعة واسعة من إسترات الحموض الكربوكسيلية، والفسفاتاز phosphatase يحفز حلمهة إسترات حمض الفسفور، والببتيداز peptidase والبروتياز protease تحلمه الببتيدات والبروتينات.

مولدات الإنزيم zymogens

تُصنّع عدة إنزيمات- خصوصاً التي تُفرَز في جهاز الهضم ومنها الكيموتربسين chymotrypsin، وعدد من الإنزيمات الأخرى- بشكل طليعة إنزيمية غير فعالة وظيفياً تُسمى مولدات الإنزيم أو طلائع الإنزيمات proenzymes. يكون المركز الفعَّال للإنزيم في طليعة الكيموتربسين chymotrypsinogen- مثلاً- عادة على نحو غير فعال، لكن لدى تعرضه لفعالية إنزيمي التربسين trypsin والكيموتربسين الفعّالين تتحلمه أربع روابط ببتيدية فيه، وينفصل نتيجة ذلك ثنائيا ببتيد في الموقعين 14 و 15 والموقعين 147 و 148، فيتشكل المركز الفعّال القادر على حفز الحفز النوعي للإنزيم، الذي يتم عند اقتراب جذور الحموض الأمينية في المواقع 57 و 102 و195 بعضها من بعض، وهذا ما يساهم مباشرة في الفعالية الإنزيمية (الشكل 3).

الشكل (3) تشكل المركز الفعال.

حركية التفاعلات الإنزيمية

تُمَيَّز في أثناء الحفز الإنزيمي ثلاث مراحل:

1– انضمام جزيئي الركيزة – أو جزيئاتها- إلى الإنزيم وتشكيل معقد الإنزيم- الركيزة.

2 – التحول الذي يطرأ على بنية الركيزة.

3 – انفصال النواتج النهائية للحفز الإنزيمي وعودة الإنزيم إلى وضعه الأولي.

ويمكن التعبير بشكل مبسط عن التفاعل الإنزيمي بالمعادلة (1):

$الوصف: D:\المجلد 3 تقانة اخراج\438\Image193660.jpg$

حيث E تشير إلى الإنزيم، و S إلى المداد (الركيزة)، وES إلى معقد الإنزيم- الركيزة، و P إلى مُنتَجات التفاعل.

تسمى الطاقة اللازمة للوصول إلى الحالة المُنَشَّطَة (الانتقالية) طاقة التنشيط Ea، وهي الطاقة اللازمة لهذه الجزيئات لتستطيع الدخول في التفاعل. وينخفض حاجز الطاقة في التفاعل نتيجة تشكل معقد الإنزيم ـ الركيزة (ES) (الشكل 4):

الشكل (4) دور الحفاز في كمية طاقة التنشيط.

تنظيم التفاعلات الإنزيمية

لابد من آلية تنظم عمل الإنزيمات على نحو ما. ويمكن تفهم ضرورة ذلك عندما يُعرَف أن الإنزيم يعمل ضمن الخلية الحية، ففي الحيز الخلوي- وهو نحو 10 ميكرومتر تقريباً- يجب أن تَحفِز مئات الإنزيمات تفاعلاتٍ محددة بدقة عالية وبانسجام كامل؛ مستخدمة الآلاف من أنواع الجزيئات من دون خلل في الزمان أو المكان وذلك بحسب حاجة الكائن الحي في اللحظة الراهنة.

يُسيطر عديد من الآليات التنظيمية على عمل الإنزيمات، منها ما له علاقة بسرعة صنع البروتينات الإنزيمية وتفككها، وهي آلية محدودة الدور، ومنها آليات مُنَشِّطَة وأخرى مُثَبِّطَة لعمل الإنزيم. وهي تتخذ أشكالاً وآلياتِ عملٍ متباينة:

أ- المثبِّطات التنافسية: هي مركبات تشبه في بنيتها بنية الركيزة الحقيقية للتفاعل الإنزيمي، ولذلك تستطيع الارتباط بالمركز الفعال للإنزيم، ولكنها لا تحمل الزمر الوظيفية القادرة على إتمام التفاعل، فيتشكل معقد إنزيم- ركيزة غير فعال ويتوقف التفاعل الإنزيمي. وتُستَخْدَم مثل هذه المثبطات في الطب لإيقاف التفاعلات غير المرغوبة في الجسم (الشكل 5).

الشكل (5) أنواع المثبطات الإنزيمية.

ب- المثبِّطات الفراغية الألوستيرية: هي مثبطات ترتبط بمواضع بعيدة عن المركز الفعال في جزيء البروتين الإنزيمي وتغير بنيته الفراغية؛ مانعة بذلك تشكل البنية الوظيفية للمركز الفعال في الإنزيم، فيصبح غير قادر على الارتباط بالركيزة المتفاعلة (الشكل 5).

ج- التثبيط بنواتج التفاعل: هي آلية متطورة من تنظيم عمل الإنزيمات وخاصة في التفاعلات المتسلسلة متعددة المراحل، ويتلخص بارتباط الناتج النهائي للتفاعلات بالإنزيم المُحَفِّز للتفاعل الأول في السلسلة ويوقف عمله، وبالتالي التفاعل بكامله (الشكل 6)، فيما يسمى التثبيط الراجع feedback inhibition.

الشكل (6) التثبيط الراجع.

تصنيف الإنزيمات

توصلت اللجنة الدولية للإنزيمات عام 1961 إلى تقسيم جميع الإنزيمات إلى ستة صفوف رئيسة اعتماداً على طبيعة التفاعلات التي تنشطها، وتقسم الصفوف إلى صفيفات ومجموعات. يُعطى رقم خاص لكل إنزيم ضمن هذا التصنيف، وهكذا يكون لكل إنزيم أربعة أرقام تشفير خاصة به. والصفوف التي قسمت وفقها الإنزيمات هي:

1 - الصف الأول: إنزيمات الأكسدة والإرجاع (EC1) oxidoreductases: هي الإنزيمات المحفزة للتفاعلات التي ترافقها تغيرات في درجة أكسدة المركبات المتفاعلة؛ متضمنة نقل إلكترونات، وتقوم بدور مهم في تفاعلات التنفس الخلوي وإنتاج الطاقة، وبعضها يساهم في تفاعلات الفسفرة التأكسدية oxidative phosphorylation، وتستخدم الطاقة المتحررة من أكسدة السكريات والدهون في تركيب ATP، وبذلك تجعل الطاقة بمتناوَل التفاعلات التي تحتاج إلى طاقة. ومعظم هذا النوع من الإنزيمات يستخدم مجموعات ضميمة prosthetic groups، أو كوإنزيمات تقوم بنقل الإلكترونات. وهي تشمل نوكليوتيدات الفلاﭭين flavin nucleotides ونوكليوتيدات البيريدين pyridine nucleotides والهيم وإيونات معدنية متعددة مثل الحديد والنحاس والمولبدينيوم، فالأكسيجيناز مثلاً يستخدم الأكسجين الذري متقبلاً للإلكترونات؛ كما في اُكسيداز الغلوكوز في التفاعل (1).

التفاعل (1)

2 – الصف الثاني: إنزيمات النقل transferases (EC2): هي الإنزيمات التي تقوم بنقل بعض الذرات أو المجموعات الذرية ضمن الجزيئات المختلفة أو بينها، وهكذا فإن ناقلات الأمين transaminases – مثلاً- تنقل زمر الأمين كما يبينه التفاعل (2) في نقل الأمين من حمض أميني إلى حمض كيتوني، وناقلات الميتيل transmethylases تنقل زمر الميتيل.

التفاعل (2)

إحدى هذه المجموعة تسمى الكينازات kinases التي تحفز فسفرة المركبات بنقل زمرة الفسفات عادة من ATP، وبذلك تحفز مركباً غير نشط عادة لأن يتفاعل. تتطلب هذه الإنزيمات فسفات بيريدوكسال pyridoxal phosphate أو فسفات البيريدوكسامين، وهي مشتقات الـﭭيتامين B2 تميماتِ إنزيمات coenzymes.

3 – الصف الثالث: إنزيمات الحلمهة hydrolases (EC3): هي الإنزيمات التي تحفز تفاعلات تفكك الروابط بين الجزيئات المختلفة بمساهمة جزيئات الماء، وتنتمي إليها أنواع البروتياز التي تفكك البروتينات، والببتيداز peptidases التي تفكك الببتيدات، والليبازات lipases والأميلازات amylases، وكثير غيرها. يساهم بعض هذه الإنزيمات في تفاعلات خلوية محددة، مثل إنزيم الكولين إستيراز cholinesterase الذي يحلمه الأسيتيل كولين acetylcholine، كما في التفاعل (3).

التفاعل (3)

4 – الصف الرابع: إنزيمات الليازlyases (EC4) : هي الإنزيمات التي تفكك المركبات من دون مساهمة الماء، ويرافق هذا التفكيك عادة إما تشكيل رابطة مضاعفة وإما الانضمام إلى رابطة مضاعفة، مثل نازعات الكربوكسيل decarboxylases التي تنزع زمرة الكربوكسيل بشكل ثنائي أكسيد الكربون مع نزع جزيء ماء، كما في نازع كربوكسيل البيرو ﭬات pyruvate decarboxylase الذي ينزع ثنائي أكسيد الكربون من حمض البيروفي ويحوله إلى الألدهيد الإتيلي، التفاعل (4).

التفاعل (4)

وفي هذا النوع من الحفز يمكن أن يكون التفاعل العكسي هو الأكثر أهمية، وعندها يمكن أن يستبدل اسم لياز باسم synthetase.

5 – الصف الخامس: إنزيمات التماكب isomerases (EC5): هي الإنزيمات التي تحفز التحولات البنيوية الوظيفية والفراغية ضمن الجزيء، مثل إنزيم تماكب التريوزفسفات triosphosphate isomerase الذي يحفز التفاعل (5):

التفاعل (5)

6 – الصف السادس: إنزيمات الليغاز (الاصطناع) ligases (EC6): هي الإنزيمات التي تحفز صنع جزيئات عضوية بدءاً من طليعتين أو أكثر باستخدام طاقة حلمهة الـATP أو غيره من المركبات عالية الطاقة، مثل تركيب الغلوتامين، التفاعل (6).

التفاعل (6)

استخدام الإنزيمات في الصناعة

إن إحدى الميزات التي تتمتع الإنزيمات بها هي فعاليتها الوظيفية خارج الكائن الحي، لذا يستخدم العديد من هذه الإنزيمات حالياً في التطبيقات العملية والإنتاج الصناعي، وهذا الأمر يزداد باطِّراد كل عام.

ففي صناعة الخبز تؤدي إضافة المستحضرات الإنزيمية المحتوية على الأميلاز والبروتياز- المستحصلين من الفطر من جنس الأسبرجلوس Aspergillus- إلى تحسين نوعية الخبز ورائحته وزيادة سرعة التخمر وغيرها من الميزات.

وفي إنتاج الجلود وصناعة الفرو تستخدم مستحضرات البروتياز - مثل البروتيلين والبروتوفرادين- لزيادة سرعة نزع الأشعار من الفروة وزيادة طراوة الجلد الخام.

وفي الصناعات النسيجية ودباغة الجلود والصناعات الغذائية -كصناعة اللبن وطبخ الطعام- تدل الإحصائيات على زيادة الاعتماد على الإنزيمات بكميات تصل إلى أطنان كثيرة سنوياً؛ إذ يحقق ذلك فوائد اقتصادية كبيرة جداً.

وفي الكيمياء المنزلية تعد إنزيمات البروتياز- إضافة إلى إنزيمات ألفا أميلاز والغلوكوز أكسيداز والليبو أكسيداز وغيرها- جزءاً مهماً من مساحيق الغسيل.

وتضاف إنزيمات الغلوكوز أكسيداز والكاتالاز وغيرهما من الإنزيمات إلى معاجين الأسنان لحماية الأسنان من البكتريا ومن التعفن والتخمر.

أما في المجال الطبي فتلاقي المستحضرات الإنزيمية للببسين والتربسين والكيموتربسين والليباز والأميلاز- تحت أسماء تجارية مختلفة - استخداماً واسعاً في معالجة أمراض جهاز الهضم.

كما يستخدم الهيالورونيداز لتفكيك حمض الهيالورونيك وتسهيل مرور الأدوية المختلفة إلى النسج المصابة في أثناء معالجة المفاصل واستسقاء الجروح وغيرها.

يستخدم البلازمين plasmine - وهو من إنزيمات البروتياز- لِحَل الترومبين في الأوعية الدموية، كما يستخدم ريبونوكلياز منقوص الأكسجين - المستحصل من البنكرياس أو من البكتريا Streptococcus- لمعالجة الأجزاء العلوية من الطرق التنفسية، وقرنية العين، ولطرح القيح من الجروح.

كما يستخدم الأسبرجيناز asparaginase- الذي يحفز نزع زمرة الأمين من الأسبارجين الذي يساهم في نمو مجموعة من الأورام- لمعالجة بعض أنواع السرطان. أما الليزوزيم lysozyme فيستخدم لمعالجة لُحْمَة العين.

ويستخدم السيتوكروم cytochrome للتخلص من ظاهرة نقص التروية الهوائية في أمراض القلب، والكولاجيناز collagenase لتسريع ضمور الدمامل، والإلاستاز elastase لوقف تفشي تصلب الشرايين وانسدادها، وبتا-غالاكتوزيداز β-galactosidase لوقف ظاهرة عدم تحمل مشتقات الحليب في أثناء نقص هذا الإنزيم في جهاز الهضم عند عدد من الأشخاص. ويستخدم L- فنيل ألانين أمونيا لياز لخفض كمية الفنيل ألانين في الدم عند اختلال استقلابه في الجسم .

يُعد التشخيص الإنزيمي للأمراض مجالاً تطبيقياً مميزاً في الطب؛ إذ يمكن اختبار الحالات المرضية للأعضاء عند الإنسان بتحديد كمية الإنزيم أو أشكاله المتعددة (الإيزو إنزيمات)؛ ومستوى فعاليته في الدم أو في البول. ويُستخدَم لتشخيص حالة احتشاء القلب بمعايرة فعالية كل من: إنزيمات اللاكتات دِهدروجيناز، والأسبارتات أمينو ترانسفيراز، والكرياتين كيناز، وإيزوسيترات دى هدروجيناز، والفركتوز-1،6-بيس فسفات ألدولاز. ولتشخيص أمراض الكبد يُعايَر اللاكتات دِهدروجيناز وأسبارتات أمينو ترانسفيراز وألانين أمينو ترانسفيراز. ولتشخيص حالة تسلخ الأعضاء عند زرعها بمعايرة فعاليةγ -غلوتاميل ترانسفيراز، ولتشخيص مرض اليرقان معايرة فعالية الفسفاتاز القلوية، ولتشخيص اختلال وظيفة غدة البروستات معايرة الفسفاتاز الحامضية .

مراجع للاستزادة:

-D. A. Bender et al., Harper’s Illustrated Biochemistry, McGraw-Hill Companies, Inc., 2003.

-A. S. Bommarius and B. R. Riebel, Biocatalysis, Wiley-VCH & Co., 2004.

-J. M. Berg, J. L. Tymoczko, L. Stryer and Marilee Benore Parsons, Biochemistry, University of Michigan-Dearborn, 2005.

-R. A. Copeland, Enzymes: A Practical Introduction to Structure, Mechanism, and Data Analysis 2000 Wiley-VCH, Inc. 2000.

-J. Koolman and K. H. Roehm, Color Atlas of Biochemistry, Thieme, Marburg, Germany, 2005.

-D. L. Nelson and M. M. Cox, Principles of Biochemistry, University of Wisconsin–Madison, 2005.