الإنزيمات وجزيء حفظ الطاقة ATP.

الربط بعلم التصنيع

مساحيق الغسيل الحيوية Biological Washing Powders

استطاع الإنسان صناعة مساحيق غسيل حيوية تحتوي عى إنزيمات تُُحلِّل المواد الموجودة في بقع الملابس، مثلا تهضم الإنزيمات الهاضمة البروتينات، وذلك اعتمادًا على خصائص الإنزيمات؛ إذ تُُحلِّل الإنزيمات الموجودة في مسحوق الغسيل البقع؛ ما يؤدّي إلى تنظيف الملابس. تعمل هذه المساحيق في درجات حرارة منخفضة؛ ما يُعَدُّ وسيلة من وسائل توفر الطاقة.

الموقع النشط للإنزيم

يوجد للإنزيم موقع نشط Active Site في صورة تجويف يتكوَّن من حموض أمينية مُعيَّنة، ويعمل قالَبًا ترتبط به المادة المُتفاعِلة التي يُؤثِّر فيها الإنزيم، انظر الشكل المجاور، علما بأنَّه قد يوجد للإنزيم أكثر من موقع نشط.

المادة المُتفاعِلة + إنزيم $\stackrel{}{\rightleftarrows }$ (مُعقَّد الإنزيم - المادة المُتفاعِلة) $\stackrel{}{\leftarrow }$ إنزيم + المادة الناتجة

مالتوز + إنزيم المالتيز $\stackrel{}{\rightleftarrows }$ (مُعقَّد المالتيز - المالتوز) $\underset{}{\leftarrow }$ إنزيم المالتيز + (2)غلوكوز

فرضية القُفْل والمفتاح Lock and Key Hypothesis

- تقوم هذه الفرضية على أنَّ شكل المادة المُتفاعِلة يتوافق مع شكل الموقع النشط للإنزيم ؛ لذا ترتبط المادة المُتفاعِلة بالموقع النشط ارتباطًا كاملا كما تتداخل مُسنَّنات المفتاح بالتجاويف المُتوافِقة مع شكلها في القُفْل، انظر الشكل الآتي:

فرضية التلاؤم المُستحَث Induced Fit Hypothesis

- تقوم هذه الفرضية على أنَّ شكل الموقع النشط للإنزيم يتغيَّر تغيُّرًا بسيطًا ومُؤقَّتًا عند ارتباط المادة المُتفاعِلة به؛ لكي يُصبِح مُناسِبًا لشكلها، انظر الشكل الآتي:

درجة الحرارة Temperature

- يتأثَّر نشاط الإنزيم بدرجة حرارة الوسط الذي يحدث فيه التفاعل.

- فلكل إنزيم درجة حرارة مُثلى تكون عندها سرعة التفاعل الذي يُُحفِّزه الإنزيم أعلى ما يُمكِن.

- وعند ارتفاع درجة حرارة الوسط أكثر من درجة الحرارة المُثلى، فإنَّ شكل الموقع
النشط يتغرَّ، ويصبح غير مُتوافِق مع المادة المُتفاعِلة التي يعمل عليها، فيقل نشاط الإنزيم تدريجيًّا باستمرار الارتفاع في درجة الحرارة حتى يفقد قدرته على العمل.

- تعمل معظم الإنزيمات في جسم الإنسان بصورة مُثلى عند درجات الحرارة التي تتراوح بين (35 °C) و(40°C)؛ أيْ درجات الحرارة القريبة من درجة حرارة جسم الإنسان ( 7 °C 3)، انظر الشكل المجاور:

الرقم الهيدروجيني pH

- يتأثَّر نشاط الإنزيم بالرقم الهيدروجيني pH للوسط الذي يحدث فيه التفاعل.

- فلكل إنزيم رقم هيدروجيني أمثل تكون عنده سرعة التفاعل الذي يُُحفِّزه الإنزيم أعلى ما يُمكِن. فإذا تغيَّر الرقم الهيدروجيني pH للوسط، فإنَّ شكل الموقع النشط للإنزيم يتغيَّر.

- أمّا الرقم الهيدروجيني الأمثل لعمل معظم الإنزيمات في جسم الإنسان فهو ( 8-6=pH ).

- فمثلاً، يعمل إنزيم التريبسين في الأمعاء عند الرقم الهيدروجيني ( 8=pH ) تقريبًا.

- ويُعَدُّ إنزيم الببسين (إنزيم هضم في المعدة) من الاستثناءات؛ إذ يعمل بأقصى فاعلية عند الرقم الهيدروجيني ( 2-1.5=pH ) تقريبًا، انظر الشكل المجاور.

تركيز الإنزيم:

- كلَّما زاد تركيز الإنزيم زادت سرعة التفاعل الكيميائي.

- إذ تتوافر أعداد أكبر من المواقع النشطة للارتباط بالمادة المُتفاعِلة.

- فعلى سبيل المثال، إذا قارنْتُ سرعة تفاعلين مُتماثِلن؛ أحدهما أُجرِي بإضافة إنزيم
تركيزه ( 1X)، والآخر بإضافة إنزيم تركيزه (2X)، مع تثبيت جميع العوامل الأُخرى في التفاعلين؛ فسأُلاحِظ أنَّ سرعة التفاعل الثاني هي ضعف سرعة التفاعل الأوَّل، انظر الشكل المجاور:

تركيز المواد المتفاعلة:

- كلَّما زاد تركيز المادة المُتفاعِلة زادت سرعة التفاعل الكيميائي.

- وعندما تُشغَل جميع المواقع النشطة المتوافرة في جزيئات الإنزيم بجزيئات المادة
المُتفاعِلة لا تحدث أيُّ زيادة في سرعة التفاعل بصرف النظر عن مقدار الزيادة في تركيز المادة المُتفاعِلة ، انظر الشكل المجاور:

الربط بالنانو تكنولوجي

استخدام الإنزيمات المُستخلَصة من الفواكه الاستوائية في صناعة الخلايا الشمسية.
تتطلَّب صناعة بعض الشرائح الرقيقة المُستخدَمة في الخلايا الشمسية توافر درجات حرارة مرتفعة، ومبالغ مالية كثيرة. ولتقليل درجات الحرارة اللازمة لذلك، طوَّر باحثون تقنية عضوية تتضمَّن صناعة شرائح نانوية رقيقة من مادة أكسيد التيتانيوم، مستفيدين في ذلك من خصائص الإنزيمات؛ إذ تمكَّنوا من استخلاص إنزيم البابايين من ثمار فاكهة البابايا الاستوائية، ثم استعملوه مع أكسيد التيتانيوم لإنتاج هذه الشرائح ذات المسامية الكبيرة؛ بُغْيَةَ استخدامها في صناعة الخلايا الشمسية.

جزيء حفظ الطاقة ATP

- تحتوي الخلايا على جزيء عضوي يُسمّى أدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP) ،Adenosine Triphosphate.

- وهو يُُخزِّن الطاقة اللازمة لمعظم العمليات التي تحدث داخل خلايا الكائنات الحيَّة.

- يتكوَّن جزيء حفظ الطاقة ATP من القاعدة النيتروجينية أدينين Adenine ، وسُكَّر الرايبوز، وثلاث مجموعات من الفوسفات التي تُُخزِّن الروابط بينها طاقة كيميائية، انظر الشكل (أ).

- يُنتَج جزيء حفظ الطاقة بفعل إنزيم إنتاج ATP Synthase  ATP ، عن طريق إضافة مجموعة فوسفات إلى جزيء أدينوسين ثنائي الفوسفات ADP في عملية تُسمّى الفسفرة، وبذلك تُُخزَّن الطاقة الكيميائية في الرابطة بين مجموعتي الفوسفات.

- يُُحفِّز عملية الفسفرة إنزيم إنتاج ATP في عمليتي التنفُّس الخلوي والبناء الضوئي.

- وعند تحطيم رابطة بين مجموعتي الفوسفات الثالثة والثانية بفعل إنزيم ATPase تتحرَّر الطاقة المُختزَنة فيها، فينتج جزيء أدينوسين ثنائي الفوسفات ADP ومجموعة فوسفات حُرَّة،انظر الشكل (ب).

- أمّا عند تحطيم الرابطة بين مجموعتي الفوسفات الثانية والأولى، فتتحرَّر الطاقة المُختزَنة فيها، وينتج جزيء أدينوسين أُحادي الفوسفات AMP ومجموعة فوسفات حُرَّة، انظر الشكل (ج).