معلومة

6.1: جين واحد - نظرية إنزيم واحد - علم الأحياء

6.1: جين واحد - نظرية إنزيم واحد - علم الأحياء


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

نيوروسبورا كراسا

نيوروسبورا كراسا هو عفن الخبز الأحمر. مثل كل الفطريات ، يتكاثر عن طريق الجراثيم. ينتج نوعين من الجراثيم:

  • كونيديا هي الأبواغ التي تنتج عن التكاثر اللاجنسي. الانقسام الخيطي للنواة أحادية الصيغة الصبغية للفطر النشط المتنامي يولد الكونيديا.
  • أسكوسبوريس، من ناحية أخرى ، تتشكل بعد التكاثر الجنسي. إذا سمح لنوعين مختلفين من التزاوج ("الجنسين") بالنمو معًا ، فسوف يندمجان لتكوين زيجوت ثنائي الصبغة. ثم يؤدي الانقسام الاختزالي لهذه البيضة الملقحة إلى ظهور الأبواغ الأسكوية أحادية الصيغة الصبغية.

نيوروسبورا مناسب بشكل خاص للدراسات الجينية لأنه

  • يمكن أن تنمو بسرعة على وسط ثقافة بسيطة.
  • إنها تقضي معظم دورة حياتها في حالة أحادية العدد لذا ستظهر أي طفرات متنحية في نمطها الظاهري.
  • عندما تخضع البيضة الملقحة ثنائية الصبغة للانقسام الاختزالي ، تنتج النوى
    • الانقسام الاختزالي الأول ، يليه
    • الانقسام الاختزالي الثاني ، يليه
    • انقسام واحد
    محصورة في أنبوب ضيق ، و أسكوس.
  • لأن النوى لا يمكن أن تتخطى بعضها البعض ، إذا
    • نواة اللاقحة متغايرة الزيجوت للجين (كما هو موضح هنا أ و أ) و
    • لا يوجد عبور بالقرب من هذا المكان يحدث أثناء الانقسام الاختزالي الأول ،
    سيحتوي الأسكوس أخيرًا على أربعة أبواغ في أحد طرفيه تحتوي على أليل واحد وأربعة جراثيم في الطرف الآخر تحتوي على الأليل الآخر.

الجين الواحد - نظرية إنزيم واحد

يوفر السكروز وبعض الأملاح وفيتامين واحد - البيوتين - العناصر الغذائية التي يحتاجها Neurospora لتجميع جميع الجزيئات الكبيرة في خلاياه.

قام عالما الوراثة جورج دبليو بليدل وإي إل تاتوم بتعريض بعض كونيديا لنوع واحد من التزاوج من نيوروسبورا للأشعة فوق البنفسجية من أجل إحداث طفرات.

  • ثم سُمح للجراثيم المشععة الفردية بالإنبات على وسط "كامل" ؛ أي واحد غني بالفيتامينات والأحماض الأمينية المختلفة.
  • بمجرد أن طور كل منهم أفطورة ، سُمح له بالتزاوج مع نوع التزاوج الآخر.
  • تم تشريح الأبواغ الأسكوية المنتجة بشكل فردي ووضع كل واحد على مكتمل واسطة.
  • بعد حدوث النمو ، تمت زراعة أجزاء من كل ثقافة على أساسها متوسط ​​الحد الأدنى.
  • في بعض الأحيان استمر النمو. في بعض الأحيان لم يحدث ذلك.
  • عندما لم يحدث ذلك ("الأول" في الشكل) ، تم تزويد السلالة الخاصة بمزيج من الفيتامينات والأحماض الأمينية وما إلى ذلك حتى حدوث النمو ("الثاني").
  • في النهاية ، تم العثور على كل سلالة متحولة لديها حاجة واحد العناصر الغذائية؛ في المثال الموضح هنا فيتامين الثيامين ("الثالث").

استنتج Beadle و Tatum أن الإشعاع قد تسبب في جين يسمح بتخليق الثيامين من المكونات البسيطة في وسط ضئيل ليتحول إلى أليل لا يفعل ذلك. يتطلب تخليق الثيامين من السكروز عددًا من التفاعلات الكيميائية ، يتم تحفيز كل منها بواسطة إنزيم معين.

من خلال إضافة سلائف مختلفة من الثيامين ، واحدة تلو الأخرى ، إلى الوسط الذي وُضِع فيه العفن المتحور ، تمكنوا من تضييق الخلل إلى عدم وجود إنزيم واحد.

  • إذا أضافوا إلى الوسيط الأدنى أي سلائف أخرى في العملية ، حدث النمو.
  • أي مقدمة قبل الخطوة المحظورة لا يمكن أن تدعم النمو.

وهكذا ، في هذا المثال ، تحويل السلائف ج السلائف د تم حظره بسبب عدم وجود الإنزيم المطلوب (ج).

قادهم هذا إلى افتراض جين واحد - إنزيم واحد النظرية: يتحكم كل جين في الكائن الحي في إنتاج إنزيم معين. هذه الإنزيمات هي التي تحفز التفاعلات التي تؤدي إلى النمط الظاهري للكائن الحي.

اليوم ، نعلم أنه ، في الواقع ، ليس فقط الإنزيمات ، ولكن جميع البروتينات الأخرى التي يتكون منها الكائن الحي يتم ترميزها بواسطة الجينات.


مفهوم واحد متعدد الببتيد جين واحد

إنها حقيقة أن الشخصيات الوراثية يتم الحفاظ عليها وتنتقل من جيل إلى آخر من خلال جزيئات الحمض النووي ، لأن الحمض النووي يمكن أن يكرر نفسه ويمكن للجزيئات المضاعفة أن تنتقل إلى النسل. يؤدي النشاط العام للجينات إلى التعبير عن السمات الوراثية في الكائن الحي.

الآن الأسئلة الرئيسية هي كيف تتحكم الجينات (جزيئات الحمض النووي) في عمليات التخليق الحيوي للخلايا وكيف تتحكم هذه الجينات في الخصائص المظهرية للكائنات الحية. تم البحث عن إجابات لهذه الأسئلة الأساسية في العلاقة بين الجينات والتفاعلات البيوكيميائية المحددة.

التغييرات الوراثية التي درسها علماء الوراثة لأول مرة كانت بالضرورة تلك التي يمكن ملاحظتها بسهولة. أجرى الطبيب الإنجليزي ، السير أرشيبالد جارود ، دراسة ثاقبة لبعض الأمراض الوراثية النادرة في الإنسان وأدرك أن بعض أوجه القصور البيوكيميائية ناتجة عن تشوهات إنزيمية. بناء على دراساته حول الأمراض الخلقية (الموجودة منذ الولادة) للإنسان.

اقترح السير جارود بأمان العلاقة بين الجينات والإنزيمات. تم تجاهل فكرة أن عمل الجين معني بتكوين إنزيم معين من قبل معظم علماء الوراثة لنحو ثلاثين عامًا.

أظهر جيمس ب. سمر من جامعة كورنيل وجون إتش نورث روب من معهد روكفلر بين عامي 1926 و 1930 أن الإنزيمات هي بروتينات. تم إحياء فكرة العلاقة بين الجين والإنزيم من قبل جورج دبليو بيدل وإدوارد إل تاتوم (1941).

من الدراسات التي أجريت على تشوهات التمثيل الغذائي الوراثي للفطر ، Neurospora crassa ، خلصوا إلى أن جميع خطوات التخليق الحيوي الوسيطة لعملية التمثيل الغذائي كانت تحكمها جينات متميزة. صاغ Beadle و Tatum مفهوم إنزيم الجين الواحد في عام 1944. تنص النظرية على أن الجين يمارس تأثيره على النمط الظاهري من خلال دوره في إنتاج الإنزيم.

درس Beadle و Tatum عمل الجني في neurospora crassa. عادة يمكن للفطر أن ينمو في وسط استزراع صغير يحتوي على أجار ، سكروز ، نترات ، معادن غير عضوية وفيتامين البيوتين الوحيد. هذا يعني أن هذا الكائن الحي يمكنه تصنيع جميع الفيتامينات والأحماض الأمينية الأخرى اللازمة لعملية التمثيل الغذائي.

عندما تعالج كونيديا هذه الفطريات بعوامل مطفرة (مثل الأشعة السينية) ، يصبح بعضها غير قادر على النمو في وسط ضئيل.

يتم بعد ذلك اختبار هذه الجراثيم الطافرة بشكل منهجي عن طريق إضافة فيتامينات معينة وأحماض أمينية وما إلى ذلك إلى الوسط الأدنى لتحديد المادة أو المواد التي لا تستطيع تصنيعها. يمكن عبور المسوخ مع النوع العادي أو البري ويمكن اختبار منتجاتها من الانقسام الاختزالي ، الأبواغ الثمانية ، بشكل فردي لمتطلباتها الغذائية.

إذا تم عبور سلالة تتطلب أرجينين (أ -) مع سلالة طبيعية (أ +) ، يمكن أن تنمو جميع الأبواغ الأسكاكية الثمانية في وسط يحتوي على أرجينين ، ولكن يمكن أن تنمو 4 أبواغ أسكوية فقط في وسط يفتقر إلى الأرجينين. هذا يشير إلى أن جينًا واحدًا قد تحور.

قد يكون عنصر الأرجينين الذي يتطلب طفرة أكثر تعقيدًا لأنه ، كما هو موضح في السلسلة التالية ، يتضمن تخليق الأرجينين سلسلة من الخطوات الوسيطة يتم التحكم في كل تفاعل بواسطة جين واحد. لوحظت ثلاث خطوات في تحويل حمض الجلوتاميك إلى أرجينين ووجد أن كل منها يتحكم فيه جين واحد.

يؤدي تحور جين واحد إلى قمع خطوة واحدة. يمكن إثبات ذلك من خلال نمو متحولة على وسيط ضئيل مع تلك المادة التي لا يمكن تصنيعها. في العديد من الدراسات البيوكيميائية ، أظهرت مقتطفات نيوروسبورا أن التربتوفان مثل الأرجينين يتم تصنيعه في سلسلة من التفاعلات الكيميائية.

تتطلب الطفرات في التربتوفان خريطة سلالات في عدة مواقع جينية. كل متحولة معيبة في إحدى خطوات تسلسل التخليق الحيوي. تنعكس الطفرة في منطقة كروموسومية معينة من خلال فقدان نشاط إنزيم واحد. وبالتالي فإن علاقة إنزيم الجينات الأساسية واضحة.

أثبتت الأبحاث الحديثة الاستنتاج الأساسي حول العلاقة بين الجين والإنزيم. حاليًا ، تم تعديل مفهوم Beadle and Tatum & # 8217s الخاص بإنزيم واحد من الجين إلى جين واحد - سلسلة بولي ببتيد واحد (بروتين) في ضوء التعقيد في الهياكل ووظائف الإنزيمات. أثبتت أبحاث المودم أن الجين هو DNA الذي يهتم بشكل مباشر بتخليق بروتين معين.

يُطلق على التعبير عن الجينات عن طريق النسخ الجيني إلى تسلسل الحمض النووي الريبي التكميلي والترجمة اللاحقة للمعلومات الوراثية الموجودة في الرنا المرسال إلى سلسلة عديد الببتيد التي تشكل المنتج النهائي لعمل الجين الفعل الجيني الأولي.

إن التحليل الذي يتجاوز الإجراء الأساسي للجين معقد بشكل كبير بسبب الحالة المتكاملة للتمثيل الغذائي الخلوي والتنموي ، وبُعد النمط الظاهري عن عمل الجين الأساسي وعدد الخطوات المتداخلة المتأثرة بالجينات الأخرى (التفاعل الجيني) والعوامل البيئية ( تفعيل الجينات).

في بدائيات النوى ، يحدث نسخ المعلومات الجينية وترجمتها في حجرة خلية واحدة بينما في حقيقيات النوى ، يتم إنجاز العمليتين في جزأين منفصلين للخلية ، أي النواة والسيتوبلازم. بالإضافة إلى ذلك ، بعض المعلومات الجينية (DNA العضية) موجودة أيضًا وتستخدم في عضيات حشوية معينة خاصة البلاستيدات والميتوكوندريا.

يتم تنسيق تشغيل الجينوم النووي والجينوم خارجها بواسطة آلية ما لم يتم فهمها بالكامل بعد. يحدث التنظيم الجيني لعمل الجين الأساسي بالمعنى الدقيق للكلمة فقط على مستوى النسخ.

يشار إلى السلسلة الكاملة للعمليات الكيميائية الحيوية التي تؤدي من الجين إلى التعبير الظاهري الذي يتم من خلاله التعرف عليه باسم نظام العمل الجيني (Waddington ، 1962).

وبالتالي فإن الجين له وظيفتان أساسيتان:

(ط) النسخ أو الاستنساخ الذاتي و

(2) التدخل في الآلية التي يتم من خلالها إنتاج النمط الظاهري للكائن الحي في بيئة معينة (التكوين الظاهري).

العمل الجيني الأساسي (تخليق الجينات والبروتينات):

يحدد النمط الجيني (إجمالي المادة الجينية) للخلية النوع المحتمل للبروتينات ويحدد أيضًا كمياتها النسبية في الخلية. تعمل البروتينات كمكونات هيكلية للخلايا التي تشكل هيكل الجسم الحي. تسمى الأنواع الخاصة من البروتينات التي تعمل كمحفزات في إحداث العديد من التفاعلات الكيميائية والتحكم فيها بدقة بالإنزيمات.

في الواقع ، يتم تنفيذ جميع وظائف النظام الحي بواسطة البروتينات. وبالتالي ، من وجهة النظر الهيكلية والوظيفية ، تعد البروتينات مكونات مهمة للخلايا ، أو بعبارة أخرى ، تشكل البروتينات الآلية الجزيئية الأساسية للخلية.

تعمل الجينات من خلال التحكم في بنية ومعدل إنتاج بروتينات معينة (إنزيمات). الجينات هي أجزاء من جزيء الحمض النووي. يشكل الحمض النووي لكل جين خيطًا مكملًا من الرنا المرسال والذي يرتبط بالريبوسومات حيث يعمل على ترميز البروتين (الإنزيم).

يتم تحديد تسلسل الأحماض الأمينية في البروتين (أي بنية البروتين أو الإنزيم) من خلال تسلسل النيوكليوتيدات في mRNA والذي يتم تحديده بدوره من خلال تسلسل النيوكليوتيدات للحمض النووي (الجين).

تحدد سلسلة من التفاعلات التي يتحكم فيها الإنزيم السمات في الكائن الحي. نظرًا لأن بنية هذه الإنزيمات يتم التحكم فيها بواسطة الجينات ، فإن ذلك يعني أن الجينات تحدد السمات.

يمكن تلخيص الأحداث كلها على النحو التالي:

اللبنات الأساسية للبروتينات هي الأحماض الأمينية. باستثناء البرولين ، فإن جميع الأحماض الأمينية الأخرى لها بنية مشتركة تتكون من ذرة كربون مركزية (a-carbon) والتي ترتبط بمجموعة a-amino (- NH2) ، و α-carboxyl (- COOH) وذرة الهيدروجين (البروتون). الجزء الآخر من aminoacid يسمى مجموعة R والتي تختلف من حمض أميني إلى آخر. إنها مجموعة R هي التي تعطي الأحماض الأمينية خصائصها الكيميائية.

الصيغة العامة للأحماض الأمينية موضحة أدناه:

البروتينات هي جزيئات بوليمرية وتتكون من مزيج من العديد من جزيئات الأحماض الأمينية في تسلسل خطي. يتم ربط الأحماض الأمينية مع بعضها البعض من خلال نوع خاص من السندات يسمى ارتباط الببتيد.

يتم إنشاء رابطة الببتيد هذه عن طريق إزالة جزيء الماء بين الكربوكسيل (- COOH) والأمينو (- NH2) مجموعات من الأحماض الأمينية المجاورة. رابطة الببتيد من نوع أميد (- CONH -).

فيما يلي مثال على تكوين رابطة الببتيد:

بهذه الطريقة ، يتم ربط العديد من الأحماض الأمينية من طرف إلى طرف بواسطة روابط ببتيدية تصنع سلسلة طويلة. يحتوي أحد طرفي سلسلة البروتين على أمينو (NH2) المجموعة (نهاية أمينية) والأخرى تحتوي على مجموعة كربوكسيلية (- COOH) (نهاية كربوكسيلية).

تسمى السلسلة الخطية للأحماض الأمينية المتكونة بهذه الطريقة بسلسلة بولي ببتيد أو بروتين. يتطلب تكوين ارتباط متعدد الببتيد عمل إنزيم الببتيد بوليميراز ومركب جوانوسين ثلاثي الفوسفات الغني بالطاقة (GTP).

في النظام الحي ، من المعروف أن 20 من أصل 22 من الأحماض الأمينية المختلفة تشارك في تخليق البروتين. هذه مذكورة في الجدول 20.1.

يعتمد الوزن الجزيئي للبروتين على طول الجزيء وعدد الأحماض الأمينية فيه.

يتم التعرف على البروتينات من خلال أربعة مستويات هيكلية:

إنه التسلسل الخطي للأحماض الأمينية في سلسلة عديد الببتيد. تسمى سلسلة البولي ببتيد المُصنَّعة حديثًا بالبروتين الأولي.

(2) الهيكل الثانوي:

عندما تكون سلاسل البولي ببتيد الأولية ملتوية أو ملفوفة في لولب ، تتشكل روابط كهروستاتيكية بين مجموعة & # 8211 COOH و NH2 تتطور روابط المجموعة والهيدروجين بين الأحماض الأمينية التي تواجه بعضها البعض بسبب اللف. يقال إن هذه البروتينات هي بروتينات ثانوية. في البروتينات البيولوجية ، تظل سلاسل البولي ببتيد ملفوفة إما في شكل مماثل أو في شكل p ، ومن ثم يطلق عليها اللولب الحلزون و P اللولب على التوالي.

(3) الهيكل الثالث:

عندما تصبح سلسلة البولي ببتيد الطويلة مطوية وملفوفة على نطاق واسع من أجل ضغط السلسلة اللولبية الطويلة في شكل كروي وبالتالي روابط معينة داخل السلسلة ، خاصة ثاني كبريتيد (- S & # 8211 S -) الجسور بين بقايا السيستين لسلسلة البولي ببتيد على نطاق واسع لإنشاء فجوات بين سلاسل البولي ببتيد ، ينتج عن بنية ثلاثية من البروتين.

غالبًا ما يضع التركيب الثلاثي للبروتين مجموعات كارهة للماء (كره الماء) في الخارج ومجموعات محبة للماء (محبة للماء) في الداخل. ومن الأمثلة على ذلك إنزيم الأنسولين وإنزيم الريبونوكلياز وما إلى ذلك. تعمل معظم البروتينات من الدرجة الثالثة مثل المحفزات أو الإنزيمات.

(4) الهيكل الرباعي:

يتوافق ارتباط أكثر من سلسلة متعددة الببتيد لتشكيل وحدة مستقرة مع الهيكل الرباعي. تنتج البروتينات الرباعية عندما يتم إنشاء روابط أو جسور بين السلاسل لربط سلسلتين أو أكثر من سلاسل البولي ببتيد المستقلة. تمتلك معظم البروتينات التي يزيد وزنها الجزيئي عن 20000 بنية رباعي وتتكون من أكثر من سلسلة بولي ببتيد واحدة.

أفضل مثال على البروتين الرباعي هو الهيموجلوبين (الوزن الجزيئي 1 ، 00000) والذي يتكون من سلسلتين من فئة أ واثنين من سلاسل بي. تعتمد الشخصية الكيميائية والبيولوجية للبروتين على الترتيب الذي ترتبط به الأحماض الأمينية. لذلك في سلسلة بروتين معينة يتم ترتيب الأحماض الأمينية بالترتيب الصحيح.

ولكن هل يمكن ترتيب هذه الأحماض الأمينية بدقة؟ نعم ، هذا صحيح ، وهذه الدقة في تسلسل الأحماض الأمينية أثناء تخليق البروتين يتم التحكم فيها بواسطة جزيء DNA الذي لا يشارك بشكل مباشر في التركيب. في الواقع ، ترسل جزيئات الحمض النووي رسالتها إلى مواقع تخليق البروتين من خلال نوع خاص من الحمض النووي الريبي يسمى messenger RNA أو mRNA.

يتم تخزين المعلومات الخاصة بهيكل عديد الببتيد (البروتين) في سلسلة عديد النوكليوتيد. يحدد تسلسل القواعد في سلسلة عديد النوكليوتيد تسلسل الأحماض الأمينية في عديد ببتيد معين.

يعتبر نقل المعلومات من الحمض النووي إلى الحمض النووي الريبي ثم من الحمض النووي الريبي إلى البروتين (تسلسل الحمض الأميني) أحادي الاتجاه وفقًا لفرانسيس كريك (1956) ولا يتدفق في الاتجاه العكسي ، أي من البروتين إلى الحمض النووي الريبي إلى الحمض النووي.

يتم تزويد جزيء الحمض النووي بالمعلومات لتكرارها. وصف فرانسيس كريك هذا التدفق للمعلومات من الحمض النووي إلى جزيء البروتين بأنه عقيدة مركزية. هذا موضح في الشكل 20.1.

لذلك ، تتضمن العقيدة المركزية للبيولوجيا الجزيئية العمليات الرئيسية الثلاث التالية للحفاظ على المعلومات الجينية ونقلها:

عملية يشار إليها بالسهم المحيط بالحمض النووي مما يدل على أن الحمض النووي هو قالب للتكرار الذاتي.

يشير السهم الموجود بين DNA و RNA إلى أن جميع الحمض النووي الريبي الخلوي يتم تصنيعه في قوالب الحمض النووي.

هذه هي العملية التي يتم من خلالها تحديد جميع البروتينات بواسطة قوالب RNA على الريبوسومات.

في بعض الخلايا المصابة بفيروسات الحمض النووي الريبي ، على سبيل المثال ، TMV ، φMS2، φR17 وما إلى ذلك ، فإن الحمض النووي الريبي الفيروسي ينتج نسخًا جديدة من نفسه بمساعدة RNA المتماثل. يعمل الحمض النووي الريبي الجيني لبعض الفيروسات ، على سبيل المثال RSV ، أحيانًا كقالب لإنتاج الخيط التكميلي للحمض النووي (النسخ العكسي).

على هذا الأساس ، اقترح باري كومونر (1968) أن تدفق المعلومات يجب أن يكون دوريًا وليس بطريقة واحدة ، لكن مثل هذه الانعكاسات للتدفق الطبيعي للمعلومات هي أحداث نادرة.


CH450 و CH451: الكيمياء الحيوية - تحديد الحياة على المستوى الجزيئي

6.1 طبيعة وتصنيف الإنزيمات

6.2 أسماء الإنزيمات وتصنيفها

6.3 بنية الإنزيم وربط الركيزة

6.4 الإنزيمات وتوازن التفاعل

6.5 خصائص وآليات عمل الإنزيم

6.6 تتأثر الإنزيمات بالرقم الهيدروجيني ودرجة الحرارة

6.7 الإنزيمات حساسة للمثبطات

6.8 المنظمين الخيفي والتحكم في نشاط الإنزيم

6.9 أصل الإنزيمات وتنقيتها واستخداماتها

6.10 الأنزيمات الصناعية

6.11 المراجع

6.1 طبيعة وتصنيف الإنزيمات

الإنزيمات عبارة عن محفزات بيولوجية (تُعرف أيضًا باسم المحفزات الحيوية) التي تسرع التفاعلات الكيميائية الحيوية في الكائنات الحية. يمكن أيضًا استخلاصها من الخلايا ثم استخدامها لتحفيز مجموعة واسعة من العمليات المهمة تجاريًا. على سبيل المثال ، لها أدوار مهمة في إنتاج عوامل التحلية وتعديل المضادات الحيوية ، فهي تستخدم في مساحيق الغسيل ومنتجات التنظيف المختلفة ، وتلعب دورًا رئيسيًا في الأجهزة التحليلية والمقايسات التي لها تطبيقات سريرية وطب شرعي وبيئية. تم استخدام كلمة "إنزيم" لأول مرة من قبل عالم الفيزيولوجيا الألماني فيلهلم كون في عام 1878 ، عندما كان يصف قدرة الخميرة على إنتاج الكحول من السكريات ، وهي مشتقة من الكلمات اليونانية en (بمعنى "داخل") و zume (بمعنى "داخل"). 'خميرة').

في أواخر القرن التاسع عشر وأوائل القرن العشرين ، تم إحراز تقدم كبير في الاستخراج والتوصيف والاستغلال التجاري للعديد من الإنزيمات ، ولكن لم يتم بلورة الإنزيمات حتى عشرينيات القرن الماضي ، مما يكشف عن ارتباط النشاط التحفيزي بجزيئات البروتين.على مدار الستين عامًا التالية أو نحو ذلك ، كان يُعتقد أن جميع الإنزيمات عبارة عن بروتينات ، ولكن في الثمانينيات وجد أن بعض جزيئات الحمض النووي الريبي (RNA) قادرة أيضًا على إحداث تأثيرات تحفيزية. تلعب RNAs ، التي تسمى الريبوزيمات ، دورًا مهمًا في التعبير الجيني. في نفس العقد ، طور علماء الكيمياء الحيوية أيضًا تقنية لتوليد أجسام مضادة تمتلك خصائص تحفيزية. تتمتع هذه "الأبزيمات" المزعومة بإمكانيات كبيرة كمحفزات صناعية جديدة وعلاجات. على الرغم من هذه الاستثناءات الملحوظة ، فإن الكثير من علم الإنزيمات الكلاسيكي ، والباقي من هذا المقال ، يركز على البروتينات التي تمتلك نشاطًا تحفيزيًا.

كمحفزات ، فإن الإنزيمات مطلوبة فقط بتركيزات منخفضة جدًا ، وهي تسرع التفاعلات دون أن يتم استهلاكها أثناء التفاعل. عادة ما نصف الإنزيمات بأنها قادرة على تحفيز تحويل جزيئات الركيزة إلى جزيئات المنتج على النحو التالي:

الإنزيمات محفزات قوية.

يمكن التعبير عن النشاط التحفيزي الهائل للإنزيمات بشكل أفضل من خلال ثابت ، كقط, التي يشار إليها بشكل مختلف باسم معدل الدوران ، وتيرة الدوران أو عدد دوران. يمثل هذا الثابت عدد جزيئات الركيزة التي يمكن تحويلها إلى منتج بواسطة جزيء إنزيم واحد لكل وحدة زمنية (عادةً في الدقيقة أو في الثانية). أمثلة على قيم معدل الدوران مذكورة في الجدول 6.1. على سبيل المثال ، يمكن لجزيء واحد من الأنهيدراز الكربوني أن يحفز تحويل أكثر من نصف مليون جزيء من ركائزه ، وهو ثاني أكسيد الكربون (CO).2) والماء (H2O) ، في المنتج ، بيكربونات (HCO3 -) ، كل ثانية - إنجاز رائع حقًا.

الإنزيمات هي محفزات محددة

بالإضافة إلى كونها محفزات عالية الفعالية ، تمتلك الإنزيمات أيضًا خصوصية ملحوظة من حيث أنها تحفز بشكل عام تحويل نوع واحد فقط (أو على الأكثر مجموعة من الأنواع المماثلة) من جزيء الركيزة إلى جزيئات المنتج. تظهر بعض الإنزيمات خصوصية المجموعة. على سبيل المثال ، يمكن أن يزيل الفوسفاتاز القلوي (إنزيم يتم مواجهته بشكل شائع في الجلسات المختبرية للسنة الأولى حول حركية الإنزيم) مجموعة الفوسفات من مجموعة متنوعة من الركائز.

تظهر الإنزيمات الأخرى خصوصية أعلى بكثير ، والتي توصف بالخصوصية المطلقة. على سبيل المثال ، يُظهر الجلوكوز أوكسيديز خصوصية كاملة تقريبًا لركائزه ، β-D-glucose ، ولا يوجد نشاط فعليًا مع أي السكريات الأحادية الأخرى. كما سنرى لاحقًا ، فإن هذه الخصوصية لها أهمية قصوى في العديد من الاختبارات التحليلية والأجهزة (أجهزة الاستشعار الحيوية) التي تقيس ركيزة معينة (مثل الجلوكوز) في خليط معقد (مثل عينة الدم أو البول).

الجدول 6.1 معدل دوران بعض الإنزيمات الشائعة التي تظهر تباينًا واسعًا

العودة إلى الصدارة

6.2 أسماء الإنزيمات وتصنيفها

عادةً ما يكون للإنزيمات أسماء شائعة (تسمى غالبًا "أسماء تافهة") والتي تشير إلى التفاعل الذي تحفزه ، مع اللاحقة & # 8216-ase & # 8217 (على سبيل المثال ، أوكسيديز ، ديهيدروجينيز ، كربوكسيلاز) ، على الرغم من أن الإنزيمات المحللة للبروتين الفردية لها بشكل عام اللاحقة & # 8216-in & # 8217 (مثل التربسين ، كيموتربسين ، غراء). غالبًا ما يشير الاسم التافه أيضًا إلى الركيزة التي يعمل عليها الإنزيم (مثل الجلوكوز أوكسيديز ، نازعة الهيدروجين الكحول ، بيروفات ديكاربوكسيلاز). ومع ذلك ، فإن بعض الأسماء التافهة (مثل إنفرتيز ، دياستاز ، كاتلاز) توفر القليل من المعلومات حول الركيزة أو المنتج أو التفاعل المعني.

نظرًا للتعقيد المتزايد وعدم الاتساق في تسمية الإنزيمات ، أنشأ الاتحاد الدولي للكيمياء الحيوية لجنة الإنزيم لمعالجة هذه المشكلة. نُشر أول تقرير للجنة الإنزيم في عام 1961 ، وقدم منهجًا منظمًا لتسمية الإنزيمات. احتوت الطبعة السادسة ، التي نُشرت في عام 1992 ، على تفاصيل ما يقرب من 3200 إنزيم مختلف ، والمكملات التي تُنشر سنويًا قد وسعت الآن هذا العدد إلى أكثر من 5000.

ضمن هذا النظام ، يتم وصف جميع الإنزيمات برقم مكون من أربعة أجزاء من لجنة الإنزيم (EC). على سبيل المثال ، يحتوي الإنزيم الذي يحمل الاسم التافه lactate dehydrogenase على رقم EC 1.1.1.27 ، ويسمى بشكل صحيح l-lactate: NAD + oxidoreductase. يشير الجزء الأول من رقم EC إلى التفاعل الذي يحفزه الإنزيم (الجدول 6.2). الأرقام المتبقية لها معاني مختلفة وفقًا لطبيعة التفاعل المحدد بواسطة الرقم الأول. على سبيل المثال ، ضمن فئة oxidoreductase ، يشير الرقم الثاني إلى متبرع الهيدروجين (الجدول 6.3) ويشير الرقم الثالث إلى متقبل الهيدروجين (الجدول 6.4). وبالتالي ، فإن اللاكتات ديهيدروجينيز برقم EC 1.1.1.27 هو أوكسيدوروكتاز (يشار إليه بالرقم الأول) مع مجموعة الكحول لجزيء اللاكتات كمانح للهيدروجين (الرقم الثاني) و NAD + كمستقبل للهيدروجين (الرقم الثالث) ، وهو الانزيم السابع والعشرون الذي يصنف ضمن هذه المجموعة (الرقم الرابع).

الجدول 6.2 تصنيف الإنزيم: الفئات الرئيسية للأنزيمات في نظام EC

الجدول 6.3 تصنيف الإنزيم: الفئات الثانوية من الأكسدة في نظام EC

الجدول 6.4 تصنيفات الإنزيم: الفئات الثلاثية من الأكسيدوروكتازات في نظام المفوضية الأوروبية

لحسن الحظ ، أصبح من السهل جدًا الآن العثور على هذه المعلومات لأي إنزيم فردي باستخدام قاعدة بيانات تسمية الإنزيم (متوفرة على http://enzyme.expasy.org)

العودة إلى الصدارة

6.3 بنية الإنزيم وربط الركيزة

الإنزيمات القائمة على الأحماض الأمينية هي بروتينات كروية يتراوح حجمها من أقل من 100 إلى أكثر من 2000 من بقايا الأحماض الأمينية. يمكن ترتيب هذه الأحماض الأمينية كسلسلة واحدة أو أكثر من سلاسل البولي ببتيد التي يتم طيها وثنيها لتشكيل بنية ثلاثية الأبعاد محددة ، تتضمن مساحة صغيرة تُعرف باسم الموقع النشط (الشكل 6.1) ، حيث ترتبط الركيزة فعليًا. قد يشتمل الموقع النشط على عدد صغير فقط (أقل من 10) من الأحماض الأمينية المكونة. إن خصائص الشكل والشحن للموقع النشط هي التي تمكنه من الارتباط بنوع واحد من جزيء الركيزة ، بحيث يكون الإنزيم قادرًا على إظهار خصوصية كبيرة في نشاطه التحفيزي.

تم اقتراح الفرضية القائلة بأن خصوصية الإنزيم ناتجة عن الطبيعة التكميلية للركيزة وموقعها النشط لأول مرة من قبل الكيميائي الألماني إميل فيشر في عام 1894 ، وأصبحت تُعرف باسم `` فرضية القفل والمفتاح '' الخاصة بـ Fischer ، حيث لا يوجد سوى مفتاح بالحجم الصحيح و الشكل (الركيزة) يناسب ثقب المفتاح (الموقع النشط) للقفل (الإنزيم). من المدهش أن هذه النظرية تم اقتراحها في وقت لم يثبت فيه حتى أن الإنزيمات كانت بروتينات.

الشكل 6.1 تمثيل ارتباط الركيزة بالموقع النشط لجزيء الإنزيم.

مع تعلم المزيد عن بنية الإنزيم من خلال تقنيات مثل علم البلورات بالأشعة السينية ، أصبح من الواضح أن الإنزيمات ليست هياكل صلبة ، ولكنها في الواقع مرنة تمامًا في الشكل. في ضوء هذه النتيجة ، قام دانيال كوشلاند في عام 1958 بتوسيع أفكار فيشر وقدم "نموذج الملاءمة المستحث" لربط الركيزة والإنزيم ، حيث يغير جزيء الإنزيم شكله قليلاً لاستيعاب ارتباط الركيزة. القياس الشائع هو "نموذج اليد في القفاز" ، حيث يكون شكل اليد والقفاز مكملين بشكل كبير ، ولكن القفاز مصبوب حول اليد حيث يتم إدخاله لتوفير تطابق مثالي.

نظرًا لأن الموقع النشط وحده هو الذي يرتبط بالركيزة ، فمن المنطقي أن نسأل ما هو دور باقي جزيء البروتين. الجواب البسيط هو أنه يعمل على استقرار الموقع النشط وتوفير بيئة مناسبة لتفاعل الموقع مع جزيء الركيزة. لذلك لا يمكن فصل الموقع النشط عن بقية البروتين دون فقدان النشاط التحفيزي ، على الرغم من أن دراسات التطور الموجهة المخبري (أو القسري) أظهرت أنه من الممكن في بعض الأحيان إنتاج إنزيمات أصغر تحافظ على النشاط. قد تشارك مناطق أخرى من الإنزيم أيضًا في تنظيم نشاط الإنزيم ، والذي سيتم مناقشته بمزيد من التفصيل في الفصل 8.

وتجدر الإشارة إلى أنه على الرغم من أن عددًا كبيرًا من الإنزيمات يتكون فقط من البروتين ، إلا أن العديد منها يحتوي أيضًا على مكون غير بروتيني ، يُعرف باسم العامل المساعد، وهذا ضروري للنشاط التحفيزي للإنزيم. قد يكون العامل المساعد جزيءًا عضويًا آخر ، وفي هذه الحالة يطلق عليه a مساعد الانزيم، أو قد يكون جزيء غير عضوي ، عادة أيون معدني مثل الحديد أو المنغنيز أو الكوبالت أو النحاس أو الزنك. يشار إلى الإنزيم الذي يرتبط ارتباطًا وثيقًا ودائمًا بالبروتين عمومًا باسم مجموعه اطراف صناعيه من الانزيم. عندما يتطلب الإنزيم عاملاً مساعدًا لنشاطه ، يُشار إلى مكون البروتين غير النشط عمومًا باسم أبوينزيم، و apoenzyme بالإضافة إلى العامل المساعد (أي الإنزيم النشط) يسمى a هولوزيم(الشكل 6.2). تُعزى الحاجة إلى المعادن والفيتامينات في النظام الغذائي البشري جزئيًا إلى دورها في عملية التمثيل الغذائي كعوامل مساعدة وأنزيمات مساعدة.

الشكل 6.2 مكونات الإنزيم الهولندي

العودة إلى الصدارة

6.4 الإنزيمات وتوازن التفاعل

الإنزيمات تعزز معدلات التفاعل

كيف تعمل الانزيمات؟ الجواب العام على هذا السؤال هو أنهم لاتفعل يغير التوازن (أي الديناميكا الحرارية) للتفاعل. هذا لأن الإنزيمات لا تغير بشكل أساسي بنية وطاقة المنتجات والكواشف ، ولكنها تسمح ببساطة بتحقيق توازن التفاعل بسرعة أكبر. لذلك دعونا نبدأ بتوضيح مفهوم التوازن الكيميائي. في كثير من الحالات يكون توازن التفاعل بعيدًا عن "اليمين" - أي تقريبًا يتم تحويل كل الركيزة (S) إلى منتج (P). لهذا السبب ، غالبًا ما تتم كتابة ردود الفعل كـ

هذا تبسيط ، لأنه في جميع الحالات يكون من الأصح كتابة رد الفعل هذا على النحو التالي:

هذا يدل على وجود توازن. لفهم هذا المفهوم ، ربما يكون من المفيد للغاية النظر إلى رد الفعل حيث تكون نقطة التوازن مركزية تمامًا. على سبيل المثال:

في هذا التفاعل ، إذا بدأنا بمحلول من 1 مولار من الجلوكوز وأضفنا الإنزيم ، فعند الانتهاء سيكون لدينا خليط من حوالي 0.5 مولار من الجلوكوز و 0.5 مولار من الفركتوز. هذه هي نقطة التوازن لهذا التفاعل المعين. على الرغم من أن الأمر قد يستغرق بضع ثوان فقط للوصول إلى نقطة النهاية هذه مع وجود الإنزيم ، فإننا في الواقع نصل إلى نفس النقطة إذا وضعنا الجلوكوز في المحلول وانتظرنا عدة أشهر حتى يحدث التفاعل في غياب الإنزيم . ومن المثير للاهتمام ، أنه كان بإمكاننا أيضًا بدء هذا التفاعل بمحلول 1M من الفركتوز ، وكان من الممكن أن يستمر في الاتجاه المعاكس حتى يتم الوصول إلى نفس نقطة التوازن.

يتم التعبير عن نقطة التوازن لهذا التفاعل بواسطة ثابت التوازن ، كمكافئ، على النحو التالي:

وهكذا للتفاعل مع التوازن المركزي ، كمكافئ = 1 ، للتوازن "إلى اليمين" ، كمكافئ هو & gt1 ، وللتوازن "إلى اليسار" ، كمكافئهو & lt 1. لذلك إذا كان رد الفعل أ كمكافئ بقيمة 10 6 ، يكون التوازن بعيدًا جدًا عن اليمين ويمكن تبسيطه من خلال الإشارة إليه كسهم واحد. غالبًا ما نصف هذا النوع من التفاعل بأنه "في طريقه إلى الاكتمال". على العكس من ذلك ، إذا كان رد الفعل يحتوي على كمكافئ بقيمة 10 6 ، يكون التوازن بعيدًا جدًا عن اليسار ، ولجميع الأغراض العملية ، لن يتم اعتباره حقًا المضي قدمًا على الإطلاق.

وتجدر الإشارة إلى أنه على الرغم من أن تركيز المواد المتفاعلة ليس له أي تأثير على نقطة التوازن ، إلا أن العوامل البيئية مثل الأس الهيدروجيني ودرجة الحرارة يمكن أن تؤثر وتؤثر بالفعل على موضع التوازن. وتجدر الإشارة أيضًا إلى أن أي تفاعل كيميائي حيوي يحدث ، في الجسم الحي ، في النظام الحي لا يحدث منعزلاً ، ولكن كجزء من مسار التمثيل الغذائي ، مما يجعل من الصعب تصور العلاقة بين المتفاعلات والتفاعلات. في الجسم الحي، لا يُسمح لردود الفعل بالانتقال إلى وضع التوازن. إذا فعلوا ذلك ، فسيتوقف التفاعل بشكل أساسي (أي أن التفاعلات الأمامية والعكسية ستوازن بعضها البعض) ، ولن يكون هناك تدفق صافٍ عبر المسار. ومع ذلك ، في العديد من المسارات الكيميائية الحيوية المعقدة ، تكون بعض خطوات التفاعل الفردية قريبة من التوازن ، في حين أن البعض الآخر بعيد عن التوازن ، فإن الأخيرة (المحفزة بواسطة الإنزيمات التنظيمية) لها أكبر قدرة على التحكم في التدفق الكلي للمواد عبر المسار.

تشكل الإنزيمات معقدات مع ركائزها

غالبًا ما نصف التفاعل المحفز بالإنزيم على أنه يمر بثلاث مراحل على النحو التالي:

يمثل المركب ES موضعًا حيث ترتبط الركيزة (S) بالإنزيم (E) بحيث يكون التفاعل (مهما كان) أكثر ملاءمة. بمجرد حدوث التفاعل ، ينفصل جزيء المنتج (P) عن الإنزيم ، والذي يكون حراً بعد ذلك في الارتباط بجزيء ركيزة آخر. في مرحلة ما خلال هذه العملية ، يتم تحويل الركيزة إلى شكل وسيط (غالبًا ما يسمى حالة الانتقال) ثم إلى المنتج. تختلف الآلية الدقيقة التي يعمل بها الإنزيم على زيادة معدل التفاعل من نظام إلى آخر ، وهي موضوع الفصل 7. ومع ذلك ، فإن المبدأ العام هو أنه من خلال ربط الركيزة بالإنزيم ، فإن التفاعل الذي يشمل الركيزة يكون أكثر ملاءمة عن طريق خفض طاقة التنشيط للتفاعل.

من حيث الطاقة ، يمكن أن تكون التفاعلات إما مفرطة الطاقة (تطلق الطاقة) أو مداواة (تستهلك الطاقة). ومع ذلك ، حتى في تفاعل مفرط الطاقة ، هناك حاجة إلى كمية صغيرة من الطاقة ، تسمى طاقة التنشيط ، لإعطاء التفاعل "بداية ركلة". والتشابه الجيد هو تطابق ، حيث يحتوي رأسها على مزيج من الطاقة الغنية. المواد الكيميائية (الفوسفور sesquisulfide وكلورات البوتاسيوم). عندما يحترق عود ثقاب فإنه يطلق كميات كبيرة من الضوء والطاقة الحرارية (يتفاعل بشكل كبير مع O2 في الهواء). ومع ذلك ، وربما لحسن الحظ ، لن تشتعل المباراة من تلقاء نفسها ، ولكن هناك حاجة إلى مدخلات صغيرة من الطاقة في شكل حرارة متولدة من خلال الاحتكاك (أي ضرب الكبريت) لبدء التفاعل. بالطبع بمجرد ضرب المباراة ، تكون كمية الطاقة المنبعثة كبيرة ، وتتجاوز إلى حد كبير مدخلات الطاقة الصغيرة أثناء عملية الضرب.

كما هو مبين في الشكل 6.3 ، تعتبر الإنزيمات تقلل من طاقة التنشيط للنظام عن طريق تسهيل تشكيل حالة الانتقال. في وجود محفز إنزيم ، يكون تكوين الحالة الانتقالية أكثر ملاءمة من الناحية النشطة (أي يتطلب طاقة أقل لـ "بدء التشغيل") ، وبالتالي تسريع المعدل الذي سيستمر به التفاعل ، ولكن لا يغير مستويات الطاقة بشكل أساسي من المادة المتفاعلة أو المنتج.

الشكل 6.3 تأثير الإنزيم على اختزال طاقة التنشيط المطلوبة لبدء التفاعل حيث (أ) غير محفز و (ب) تفاعل محفز بالإنزيم.

العودة إلى الصدارة

6.5 خصائص وآليات عمل الإنزيم

حركية الإنزيم

حركية الإنزيم هي دراسة العوامل التي تحدد سرعة تفاعلات الإنزيم المحفزة. يستخدم بعض المعادلات الرياضية التي يمكن أن تكون مربكة للطلاب عندما يواجهونها لأول مرة. ومع ذلك ، فإن نظرية الحركية منطقية وبسيطة ، ومن الضروري تطوير فهم هذا الموضوع من أجل التمكن من تقدير دور الإنزيمات في كل من التمثيل الغذائي والتكنولوجيا الحيوية.

يمكن إجراء فحوصات (قياسات) نشاط الإنزيم إما بطريقة متقطعة أو مستمرة. تتضمن الطرق غير المستمرة خلط الركيزة والإنزيم معًا وقياس المنتج المتشكل بعد فترة زمنية محددة ، لذلك تكون هذه الطرق عمومًا سهلة وسريعة الأداء. بشكل عام ، سنستخدم مثل هذه الاختبارات غير المستمرة عندما نعرف القليل عن النظام (ونجري تحقيقات أولية) ، أو بدلاً من ذلك عندما نعرف الكثير عن النظام ونتأكد من أن الفاصل الزمني الذي نختاره مناسب.

في فحوصات الإنزيم المستمرة ، ندرس بشكل عام معدل تفاعل محفز بالإنزيم عن طريق خلط الإنزيم مع الركيزة وقياس مظهر المنتج بشكل مستمر بمرور الوقت. بالطبع يمكننا قياس معدل التفاعل بشكل جيد عن طريق قياس اختفاء الركيزة بمرور الوقت. بصرف النظر عن الاتجاه الفعلي (واحد متزايد والآخر متناقص) ، ستكون القيمتان متطابقتين. في تجارب حركية الإنزيم ، من أجل الراحة ، نستخدم في كثير من الأحيان ركيزة اصطناعية تسمى أ الكروموجين ينتج عنه منتج ذو ألوان زاهية ، مما يجعل من السهل متابعة التفاعل باستخدام مقياس الألوان أو مقياس الطيف الضوئي. ومع ذلك ، يمكننا في الواقع استخدام أي معدات تحليلية متاحة لديها القدرة على قياس تركيز أي من المنتج أو الركيزة.

في جميع الحالات تقريبًا ، نضيف أيضًا محلولًا مؤقتًا إلى الخليط. كما سنرى ، يتأثر نشاط الإنزيم بشدة بالرقم الهيدروجيني ، لذلك من المهم ضبط الرقم الهيدروجيني عند قيمة محددة والحفاظ عليه ثابتًا طوال التجربة. قد تتضمن تجربة حركية الإنزيم الأولى لدينا خلط محلول الركيزة (الكروموجين) مع محلول منظم وإضافة الإنزيم. ثم يتم وضع هذا الخليط في مقياس طيف ضوئي ويتم قياس مظهر المنتج الملون. سيمكننا ذلك من متابعة رد فعل سريع قد يبدأ ، بعد بضع ثوانٍ أو دقائق ، في التباطؤ ، كما هو موضح في الشكل 6.4.

الشكل 6.4 تشكيل المنتج في تفاعل محفز بالإنزيم ، مخطط مع الزمن.

السبب الشائع لهذا التباطؤ في سرعة (معدل) التفاعل هو أن الركيزة داخل الخليط يتم استخدامها وبالتالي تصبح محدودة. بدلاً من ذلك ، قد يكون الإنزيم غير مستقر ويتحول إلى طبيعته على مدار التجربة ، أو يمكن أن يكون الرقم الهيدروجيني للخليط يتغير ، حيث أن العديد من التفاعلات إما تستهلك أو تطلق البروتونات. لهذه الأسباب ، عندما يُطلب منا تحديد معدل التفاعل ، نقوم بذلك في وقت مبكر ، بمجرد إضافة الإنزيم ، وعندما لا تنطبق أي من القيود المذكورة أعلاه. نشير إلى هذا المعدل السريع الأولي بالسرعة الأولية (الخامس0). يعد قياس معدل التفاعل في هذه المرحلة المبكرة أيضًا واضحًا تمامًا ، حيث أن المعدل خطي بشكل فعال ، لذلك يمكننا ببساطة رسم خط مستقيم وقياس التدرج اللوني (بقسمة تغير التركيز على الفترة الزمنية) من أجل تقييم التفاعل معدل خلال هذه الفترة.

قد نجري الآن مجموعة من فحوصات الإنزيم المماثلة لتقييم كيفية تغير السرعة الأولية عندما يتغير تركيز الركيزة أو الإنزيم ، أو عندما يتغير الرقم الهيدروجيني. ستساعدنا هذه الدراسات في تحديد خصائص الإنزيم قيد الدراسة.

عادة ما تكون العلاقة بين تركيز الإنزيم ومعدل التفاعل بسيطة.إذا كررنا التجربة الموصوفة للتو ، لكننا أضفنا إنزيمًا إضافيًا بنسبة 10٪ ، فسيكون التفاعل أسرع بنسبة 10٪ ، وإذا ضاعفنا تركيز الإنزيم ، فسيستمر التفاعل أسرع مرتين. وبالتالي هناك علاقة خطية بسيطة بين معدل التفاعل وكمية الإنزيم المتاحة لتحفيز التفاعل (الشكل 6.5). تنطبق هذه العلاقة على كل من الإنزيمات الموجودة في الجسم الحي وتلك المستخدمة في تطبيقات التكنولوجيا الحيوية ، حيث قد يتحكم تنظيم كمية الإنزيم الموجود في معدلات التفاعل.

الشكل 6.5 العلاقة بين تركيز الإنزيم ومعدل التفاعل المحفز بالإنزيم.

عندما نجري سلسلة من فحوصات الإنزيم باستخدام نفس تركيز الإنزيم ، ولكن مع مجموعة من تركيزات الركيزة المختلفة ، تظهر علاقة أكثر تعقيدًا قليلاً ، كما هو موضح في الشكل 6. في البداية ، عند زيادة تركيز الركيزة ، يزداد معدل التفاعل إلى حد كبير. ومع ذلك ، مع زيادة تركيز الركيزة بشكل أكبر ، تبدأ التأثيرات على معدل التفاعل في الانخفاض ، حتى يتم الوصول إلى مرحلة يكون فيها زيادة تركيز الركيزة تأثيرًا ضئيلًا على معدل التفاعل. في هذه المرحلة ، يُعتبر الإنزيم يقترب من التشبع بالركيزة ، ويظهر سرعته القصوى (الخامسالأعلى). لاحظ أن هذه السرعة القصوى هي في الواقع حد نظري لن يتحقق حقًا في أي تجربة ، على الرغم من أننا قد نكون قريبين جدًا منها.

الشكل 6.6 العلاقة بين تركيز الركيزة ومعدل التفاعل المحفز بالإنزيم.

العلاقة الموصوفة هنا هي علاقة شائعة إلى حد ما ، والتي قد يحددها عالم الرياضيات على الفور على أنها قطع زائد مستطيل. المعادلة التي تصف مثل هذه العلاقة هي كما يلي:

وهكذا ، يسمح لنا الثابتان a و b بوصف هذه العلاقة الزائدية ، تمامًا كما هو الحال مع العلاقة الخطية (ص = م س + ج) ، والتي يمكن التعبير عنها بالثابتين م (المنحدر) و ج (الإعتراض). لقد حددنا بالفعل الثابت بالفعل أ - هو الخامسالأعلى. ثابت ب أكثر تعقيدًا بعض الشيء ، حيث إن القيمة على المحور x هي التي تعطي نصف القيمة القصوى لـ y. في علم الإنزيمات نشير إلى هذا باسم ثابت ميكايليس (K.م), والذي يُعرَّف بأنه تركيز الركيزة الذي يعطي سرعة نصف قصوى.

معادلتنا النهائية ، وعادة ما تسمى معادلة ميكايليس مينتين، يصبح بالتالي:

في عام 1913 ، أظهر ليونور ميكايليس ومود مينتين لأول مرة أنه كان من الممكن في الواقع اشتقاق هذه المعادلة رياضيًا من المبادئ الأولى ، مع بعض الافتراضات البسيطة حول الطريقة التي يتفاعل بها الإنزيم مع الركيزة لتشكيل منتج. يتمثل محور اشتقاقها في مفهوم أن التفاعل يحدث من خلال تكوين معقد ES والذي ، بمجرد تكوينه ، يمكن إما أن ينفصل (بشكل منتج) لتحرير المنتج ، أو ينفصل في الاتجاه العكسي دون أي تكوين للمنتج. وهكذا يمكن تمثيل التفاعل على النحو التالي ، مع ك1، ك−1و ك2 كونها ثوابت المعدل لخطوات التفاعل الثلاث الفردية:

يتطلب اشتقاق ميكايليس مينتن افتراضين مهمين. الافتراض الأول هو أننا ندرس السرعة الابتدائية للتفاعل (الخامس0) ، عندما يكون تركيز المنتج صغيرًا بشكل مهم (أي [S] ≫ [P]) ، بحيث يمكننا تجاهل إمكانية عودة أي منتج إلى الركيزة. الافتراض الثاني هو أن تركيز الركيزة يتجاوز إلى حد كبير تركيز الإنزيم (أي [S] ≫ [E]).

يبدأ الاشتقاق بمعادلة للتعبير عن المعدل الأولي ، معدل تكوين المنتج ، مثل المعدل الذي ينفصل به المركب ES لتشكيل المنتج. هذا يعتمد على معدل ثابت ك2وتركيز المركب ES على النحو التالي:

نظرًا لأن ES هو وسيط ، فإن تركيزه غير معروف ، لكن يمكننا التعبير عنه من حيث القيم المعروفة. في حالة تقريب الحالة المستقرة يمكننا أن نفترض أنه على الرغم من تغير تركيز الركيزة والمنتج ، فإن تركيز المركب ES نفسه يظل ثابتًا.

لذلك يجب أن يتوازن معدل تكوين مجمع ES ومعدل تفككه ، حيث:

معدل التكوين ES المركب = معدل الانهيار المركب ES

يمكن إعادة ترتيب المعادلة للحصول على [ES] على النحو التالي:

ثابت ميكايليس كم يمكن تعريفها على النحو التالي:

يمكن بعد ذلك تبسيط المعادلة [ES] إلى:

نظرًا لأن تركيز الركيزة يتجاوز إلى حد كبير تركيز الإنزيم (أي [S] ≫ [E]) ، فإن تركيز الركيزة غير المجمعة [S] يساوي تقريبًا إجمالي تركيز الركيزة. تركيز الإنزيم غير المنضم [E] يساوي تركيز الانزيم الكلي [E]تيناقص التي تتحد مع الركيزة [ES]. إن إدخال هذه المصطلحات في المعادلة أعلاه وحل ES يعطينا ما يلي:

يمكننا بعد ذلك إدخال هذا المصطلح لـ [ES] في معادلة السرعة الأولية أعلاه للحصول على:

المصطلح k2[E]تي في الواقع يمثل Vالأعلى، السرعة القصوى. وهكذا تمكن ميكايليس ومينتن من اشتقاق معادلتهما النهائية على النحو التالي:

تم تحديد ثوابت Michaelis للعديد من الإنزيمات الشائعة الاستخدام ، وعادةً ما تكون في النطاق الملي مولاري الأدنى (الجدول 6.5). وتجدر الإشارة إلى أن الإنزيمات التي تحفز نفس التفاعل ، ولكنها مشتقة من كائنات مختلفة ، يمكن أن يكون لها اختلاف كبير كم القيم. علاوة على ذلك ، يمكن أن يكون الإنزيم الذي يحتوي على ركائز متعددة مختلفًا تمامًا كم قيم لكل ركيزة.

الجدول 6.5 النطاق النموذجي لقيم ثابت ميكايليس

منخفض كم تشير القيمة إلى أن الإنزيم لا يتطلب سوى كمية صغيرة من الركيزة حتى يصبح مشبعًا. لذلك يتم الوصول إلى السرعة القصوى بتركيزات منخفضة نسبيًا من الركيزة. عالية كم تشير القيمة إلى الحاجة إلى تركيزات عالية من الركيزة من أجل تحقيق أقصى سرعة رد فعل. وهكذا نشير عموما إلى كم كمقياس لمدى تقارب الإنزيم مع ركائزه- في الحقيقة هو مقياس عكسي ، أين عالية كم يشير تقارب منخفض والعكس صحيح.

ال كم تخبرنا القيمة بالعديد من الأشياء المهمة حول إنزيم معين:

  1. انزيم منخفض كممن المحتمل دائمًا أن تكون القيمة المتعلقة بالتركيز الفسيولوجي للركيزة مشبعة بالركيزة ، وبالتالي ستعمل بمعدل ثابت ، بغض النظر عن الاختلافات في تركيز الركيزة ضمن النطاق الفسيولوجي.
  2. انزيم عالي كملن تكون القيمة المتعلقة بالتركيز الفسيولوجي للركيزة مشبعة بالركيزة ، وبالتالي سيختلف نشاطها وفقًا لتركيز الركيزة ، وبالتالي فإن معدل تكوين المنتج سيعتمد على توفر الركيزة.
  3. إذا كان الإنزيم يعمل على عدة ركائز ، فإن الركيزة ذات الأقل كمغالبًا ما يُفترض أن تكون القيمة هي الركيزة "الطبيعية" للإنزيم ، على الرغم من أن هذا قد لا يكون صحيحًا في جميع الحالات.
  4. إذا كان هناك إنزيمان (مع نفس الخامسالأعلى) في مسارات التمثيل الغذائي المختلفة تتنافس على نفس الركيزة ، ثم إذا عرفنا كم قيم الإنزيمين يمكننا التنبؤ بالنشاط النسبي للمسارين. في الأساس المسار الذي يحتوي على الإنزيم مع الجزء السفلي كممن المرجح أن تكون القيمة "المسار المفضل" ، وسيتدفق المزيد من الركيزة عبر هذا المسار في ظل معظم الظروف. على سبيل المثال ، فسفوفركتوكيناز (PFK) هو الإنزيم الذي يحفز الخطوة الأولى الملتزمة في مسار التحلل ، والذي يولد طاقة في شكل ATP للخلية ، بينما الجلوكوز -1 فوسفات uridylyltransferase (GUT) هو إنزيم مبكر في المسار مما يؤدي إلى تخليق الجليكوجين (جزيء تخزين الطاقة). يستخدم كلا الإنزيمين أحادي الفوسفات الهكسوز كركائز ، ولكن كممن PFK للركيزة الخاصة به أقل من تلك الموجودة في GUT لركائزها. وبالتالي في تركيزات الفوسفات الخلوية المنخفضة ، سيكون PFK نشطًا وستكون القناة الهضمية غير نشطة إلى حد كبير. عند تركيزات الفوسفات عالية السداسيوز ، سيكون كلا المسارين نشطين. هذا يعني أن الخلايا تخزن الجليكوجين فقط في أوقات الوفرة ، وتعطي الأفضلية دائمًا لمسار إنتاج ATP ، وهي الوظيفة الأكثر أهمية.

في كثير من الأحيان لا يمكن تقديرها كم قيم من مخطط مباشر للسرعة مقابل تركيز الركيزة (كما هو موضح في الشكل 6.6) لأننا لم نستخدم تركيزات عالية بما يكفي من الركيزة للاقتراب حتى من تقدير السرعة القصوى ، وبالتالي لا يمكننا تقييم السرعة نصف القصوى وبالتالي كم. لحسن الحظ ، يمكننا رسم بياناتنا التجريبية بطريقة مختلفة قليلاً من أجل الحصول على هذه القيم. البديل الأكثر شيوعًا هو مخطط Lineweaver – Burk (غالبًا ما يُطلق عليه مخطط المقلوب المزدوج). هذه المؤامرة تجعل العلاقة المنحنية الزائدية خطية ، ويسهل استقراء الخط الناتج ، مما يسمح بتقييم الخامسالأعلىو كم.

على سبيل المثال ، إذا حصلنا على أول سبع نقاط بيانات فقط في الشكل 6.6 ، فسنواجه صعوبة في التقدير الخامسالأعلى من قطعة أرض مباشرة كما هو موضح في الشكل 6.7 أ. ومع ذلك ، كما هو مبين في الشكل 6.7 ب ، إذا تم رسم هذه النقاط السبع على رسم بياني 1 / السرعة مقابل 1 / تركيز الركيزة (أي مؤامرة مزدوجة متبادلة) ، تكون البيانات خطية ، ويمكن استقراء الخط بسهولة إلى على اليسار لتوفير اعتراضات على كل من المحور الصادي والمحور
المحور السيني ، منه الخامسالأعلى و كم، على التوالي ، يمكن تقييمها.

الشكل 6.7 حركية ميكايليس مينتون. (أ) مؤامرة البيانات المباشرة (ب) مؤامرة Lineweaver-Burk لنفس البيانات الحركية.

أحد العوائق العملية الهامة لاستخدام مخطط Lineweaver-Burk هو التأثير المفرط الذي تعطيه للقياسات التي يتم إجراؤها عند أدنى تركيزات الركيزة. قد تكون هذه التركيزات هي الأكثر عرضة للخطأ (بسبب الصعوبات في إجراء تخفيفات متعددة) ، وتؤدي إلى معدلات تفاعل قد تكون أكثر عرضة لخطأ القياس لأنها بطيئة. في كثير من الأحيان ، كما هو موضح في الشكل 8 ، فإن مثل هذه النقاط عند تحويلها في مخطط Lineweaver-Burk يكون لها تأثير كبير على الخط الأفضل ملاءمة المقدرة من البيانات ، وبالتالي على القيم المستنبطة لكليهما الخامسالأعلى و كم. مجموعتا النقاط الموضحتان في الشكل 8 متطابقتان باستثناء النقطة المفردة في أعلى اليمين ، والتي تعكس (بسبب طبيعة المؤامرة المزدوجة المتبادلة) نقطة واحدة مشتقة من تركيز ركيزة منخفض للغاية ومعدل رد فعل منخفض. ومع ذلك ، يمكن أن يكون لهذه النقطة المفردة تأثير هائل على الخط الأنسب والتقديرات المصاحبة للثوابت الحركية.

الشكل 6.8 مخطط Lineweaver-Burk لبيانات حركية مماثلة ، والتي تختلف فقط في نقطة بيانات واحدة (نقطة البيانات النهائية (أ) 1 / v 0.03 عند 1 / S من 0.2 و (ب) 1 / v 0.031 عند 1 / S من 0.18).

في الواقع ، هناك مخططات حركية أخرى يمكن استخدامها ، بما في ذلك مؤامرة إيدي-هوفستي ، ومؤامرة هانس ومخطط إيزينثال-كورنيش-بودين ، وهي أقل عرضة لمثل هذه المشاكل. في الواجب المنزلي الخاص بحركية الإنزيم ، ستختبر هذه الأنواع الأخرى من تقنيات الخطية.

العودة إلى الصدارة

6.6 تتأثر الإنزيمات بالرقم الهيدروجيني ودرجة الحرارة

العوامل البيئية المختلفة قادرة على التأثير على معدل التفاعلات المحفزة بالإنزيم من خلال تغييرات قابلة للعكس أو لا رجعة فيها في بنية البروتين. إن تأثيرات الأس الهيدروجيني ودرجة الحرارة مفهومة جيدًا بشكل عام.
تحتوي معظم الإنزيمات على درجة حموضة مثالية مميزة تكون عندها سرعة التفاعل المحفز القصوى ، وفوق وتحت تنخفض السرعة (الشكل 6.9).

الشكل 6.9 ملف تعريف الأس الهيدروجيني لـ β-Glucosidase.

يعتمد ملف تعريف الأس الهيدروجيني على عدد من العوامل. مع تغير الأس الهيدروجيني ، يمكن أن يتغير تأين المجموعات في كل من الموقع النشط للإنزيم وعلى الركيزة ، مما يؤثر على معدل ارتباط الركيزة بالموقع النشط. غالبًا ما تكون هذه التأثيرات قابلة للعكس. على سبيل المثال ، إذا أخذنا إنزيمًا بدرجة حموضة مثالية (pHيختار، يقرر) من 7.0 ووضعه في بيئة عند درجة الحموضة 6.0 أو 8.0 ، قد تكون خصائص شحن الإنزيم والركيزة دون المستوى الأمثل ، بحيث يتم تقليل الارتباط وبالتالي معدل التفاعل. إذا قمنا بعد ذلك بإعادة ضبط الأس الهيدروجيني إلى 7.0 ، فغالبًا ما يتم استعادة خصائص الشحن المثلى وبالتالي النشاط الأقصى للإنزيم.

ومع ذلك ، إذا وضعنا الإنزيم في بيئة حمضية أو قلوية أكثر تطرفًا (على سبيل المثال عند درجة الحموضة 1 أو 14) ، على الرغم من أن هذه الظروف قد لا تؤدي في الواقع إلى تغييرات في التركيب التساهمي المستقر جدًا للبروتين & # 8217 s البنية الأولية (أي تكوينه ) ، فإنها قد تُحدث تغييرات في شكل (شكل) البروتين بحيث ، عند إعادته إلى درجة الحموضة 7.0 ، لا يتم استعادة التكوين الأصلي وبالتالي النشاط التحفيزي الكامل للإنزيم. وتجدر الإشارة إلى أن درجة الحموضة المثلى للإنزيم قد لا تكون مطابقة لتلك الموجودة في محيطه الطبيعي داخل الخلايا. يشير هذا إلى أن الرقم الهيدروجيني المحلي يمكن أن يمارس تأثيرًا مسيطرًا على نشاط الإنزيم.

تعتبر تأثيرات درجة الحرارة على نشاط الإنزيم معقدة للغاية ، ويمكن اعتبارها قوتين تعملان في وقت واحد ولكن في اتجاهين متعاكسين. مع ارتفاع درجة الحرارة ، يزداد معدل الحركة الجزيئية وبالتالي معدل التفاعل ، ولكن في نفس الوقت يحدث تعطيل تدريجي بسبب تمسخ البروتين الإنزيم. يصبح هذا أكثر وضوحًا مع زيادة درجة الحرارة ، بحيث تكون درجة الحرارة الظاهرة مثلى (Tيختار، يقرر) (الشكل 6.10).

الشكل 6.10 تأثير درجة الحرارة على نشاط الانزيم.

يعتمد التمسخ الحراري على الوقت ، وبالنسبة إلى الإنزيم ، فإن مصطلح "درجة الحرارة المثلى" ليس له معنى حقيقي يذكر إلا إذا تم تسجيل مدة التعرض لدرجة الحرارة هذه. يمكن تحديد الثبات الحراري للإنزيم عن طريق تعريض البروتين أولاً لمجموعة من درجات الحرارة لفترة زمنية محددة ، ثم قياس نشاطه بعد ذلك عند درجة حرارة مناسبة واحدة (على سبيل المثال 25 درجة مئوية).

تختلف درجة الحرارة التي يصبح عندها التمسخ مهمًا من إنزيم إلى آخر. عادة لا تكاد تذكر تحت 30 درجة مئوية ، وتبدأ في أن تصبح ملحوظة فوق 40 درجة مئوية. عادةً ، تُظهر الإنزيمات المشتقة من المصادر الميكروبية ثباتًا حراريًا أعلى بكثير من تلك الموجودة في مصادر الثدييات ، والإنزيمات المشتقة من الكائنات الدقيقة المحبة للحرارة للغاية ، مثل الثرموليسين (بروتياز من Bacillus thermoproteolyticus) و Taq polymerase (بوليميريز DNA من ثيرموس أكواتيكوس) ، قد يكون مستقرًا للحرارة تمامًا عند 70 درجة مئوية ولا يزال يحتفظ بمستويات كبيرة من النشاط حتى عند 100 درجة مئوية.

العودة إلى الصدارة

6.7 الإنزيمات حساسة للمثبطات

تُعرف المواد التي تقلل من نشاط تفاعل محفز بالإنزيم بالمثبطات. يتصرفون إما بشكل مباشر أو غير مباشر عن طريق التأثير على الخصائص التحفيزية للموقع النشط. يمكن أن تكون المثبطات غريبة على الخلية أو مكوناتها الطبيعية. يمكن أن يمثل هؤلاء في الفئة الأخيرة عنصرًا مهمًا في تنظيم التمثيل الغذائي للخلايا. تعمل العديد من السموم والعديد من العوامل النشطة صيدلانيًا (كل من الأدوية غير القانونية والأدوية الموصوفة والأدوية التي لا تستلزم وصفة طبية) عن طريق تثبيط عمليات تحفيز إنزيم معينة.

تثبيط عكسي

يتم تصنيف المثبطات على أنها مثبطات عكوسة عندما ترتبط بشكل عكسي بالإنزيم. قد يكون الجزيء المشابه من الناحية الهيكلية للركيزة العادية قادرًا على الارتباط بشكل عكسي بالموقع النشط للإنزيم ، وبالتالي يكون بمثابة مثبط تنافسي. (الشكل 6.11) على سبيل المثال ، malonate هو مثبط تنافسي للإنزيم نازع هيدروجين السكسينات ، لأنه قادر على الارتباط بالموقع النشط للإنزيم بسبب تشابهه الهيكلي الوثيق مع الركيزة الطبيعية للإنزيم ، السكسينات (انظر أدناه). عندما يحتل malonate الموقع النشط لنزعة هيدروجين السكسينات فإنه يمنع الركيزة الطبيعية ، السكسينات ، من الارتباط ، وبالتالي إبطاء معدل أكسدة السكسينات إلى الفومارات (أي تثبيط التفاعل).

تتمثل إحدى خصائص المثبطات التنافسية في أنه يمكن إزاحتها من الموقع النشط إذا تم استخدام تركيزات عالية من الركيزة ، وبالتالي استعادة نشاط الإنزيم. وبالتالي تزيد المثبطات التنافسية من كم من التفاعل لأنها تزيد من تركيز الركيزة المطلوبة لتشبع الإنزيم. ومع ذلك ، فإنها لا تتغير الخامسالأعلى بحد ذاتها.

في حالة بعض الإنزيمات ، يمكن أن تكون التركيزات العالية من الركيزة أو المنتج مثبطة. على سبيل المثال ، ينخفض ​​نشاط إنفرتيز بشكل كبير في وجود تركيزات عالية من السكروز (ركائزته) ، في حين أن β-galactosidase من الرشاشيات النيجر يمنع بشدة الجالاكتوز (منتجها). تعتبر منتجات تفاعل الإنزيم من أكثر المثبطات التنافسية شيوعًا.

الشكل 6.11 منع المنافسة. يحدث التثبيط التنافسي عندما يرتبط كل من الركيزة (S) والمثبط (I) بنفس الموقع على الإنزيم. في الواقع ، يتنافسون على الموقع النشط ويرتبطون بطريقة حصرية للطرفين.

توجد أيضًا أنواع أخرى من المثبطات القابلة للانعكاس. مثبطات غير تنافسية تتفاعل مع الإنزيم في موقع متميز عن الموقع النشط. لذلك ، فإن ارتباط المثبط لا يمنع فعليًا موقع ربط الركيزة ، ولكنه يمنع التفاعل اللاحق. معظم المثبطات غير التنافسية غير مرتبطة كيميائياً بالركيزة ، ولا يمكن التغلب على تثبيطها عن طريق زيادة تركيز الركيزة. تعمل هذه المثبطات على تقليل تركيز الإنزيم النشط في المحلول ، وبالتالي تقليل الخامسالأعلىمن رد الفعل. ومع ذلك ، فإنها لا تغير من قيمة كم.

الشكل 6.12 تثبيط غير تنافسي. يحدث التثبيط اللا تنافسي عندما يرتبط المثبط (I) بالإنزيم في موقع بعيد عن موقع الركيزة. في الواقع ، يغير المانع غير التنافسي تشكيل الإنزيم ، بحيث يكون قد قلل أو حد من وظيفته كمحفز.

تثبيط غير تنافسي نادرًا ما يحدث عندما يكون المانع قادرًا على الارتباط بالإنزيم بمجرد ارتباط جزيء الركيزة نفسه. على هذا النحو ، يكون التثبيط أكثر أهمية عند تركيزات عالية من الركيزة ، وينتج عنه انخفاض في الخامسالأعلى من رد الفعل. يؤدي التثبيط غير التنافسي أيضًا إلى انخفاض كم, وهو ما يبدو غير بديهي إلى حد ما لأن هذا يعني أن تقارب الإنزيم مع ركائزه يزداد بالفعل عند وجود المانع. يحدث هذا التأثير لأن ارتباط المثبط بالمركب ES يزيل بشكل فعال مركب ES وبالتالي يؤثر على التوازن الكلي للتفاعل لصالح تكوين المركب ES. ومن الجدير بالذكر أنه منذ ذلك الحين على حد سواء الخامسالأعلى و كم يتم تقليل معدلات التفاعل الملحوظة مع وجود المانع دائمًا أقل من تلك في حالة عدم وجود المانع غير التنافسي.

الشكل 6.13 تثبيط غير تنافسي. في التثبيط غير التنافسي ، يرتبط المانع بمركب ES للتفاعل ويمنع قدرة الإنزيم & # 8217s على إكمال التفاعل.

يمكن التعرف بسهولة على تأثيرات المثبطات القابلة للعكس باستخدام مخطط Lineweaver-Burk كما هو موضح في الشكل 6.14.

الشكل 6.14 قطع Lineweaver-Burk لمثبطات عكسية. تظهر ملامح الإنزيم غير المقيدة باللون الأحمر ، بينما تظهر التفاعلات التي توجد فيها المثبطات بشكل متزايد باللون الأخضر. (أ) التثبيط التنافسي ، (ب) التثبيط غير التنافسي ، و (ج) التثبيط غير التنافسي.

مثبطات وسموم لا رجعة فيها

إذا ارتبط أحد المثبطات بشكل دائم بإنزيم ، فإنه يُعرف باسم مثبط لا رجعة فيه. ترتبط العديد من المثبطات التي لا رجعة فيها بشكل تساهمي بالأنزيمات التي تثبطها مما يتسبب في تغيير بنيتها بشكل دائم. وبالتالي ، فإن العديد من المثبطات التي لا رجعة فيها هي بالتالي سموم قوية.

تمنع مركبات الفوسفور العضوي مثل ثنائي أيزوبروبيل فلوروفوسفات (DFP) نشاط أستيل كولينستراز من خلال التفاعل التساهمي مع بقايا سيرين مهمة موجودة داخل الموقع النشط للإنزيم. التأثير الفسيولوجي لهذا التثبيط هو التداخل مع تعطيل الناقل العصبي في نقاط الاشتباك العصبي ، مما يؤدي إلى الانتشار المستمر للنبضات العصبية ، والتي يمكن أن تسبب تشنجات عضلية وتؤدي إلى الموت. تم تقييم DFP في الأصل من قبل البريطانيين كعامل حرب كيميائية خلال الحرب العالمية الثانية ، وتستخدم الآن الإصدارات المعدلة من هذا المركب على نطاق واسع كمبيدات حشرية من الفوسفات العضوي ، بما في ذلك الباراثيون والملاثيون (الشكل 6.15). والجدير بالذكر أن DFP هو أيضًا مثبط قوي لإنزيم البروتياز من فيروس Herpes Simplex وقد تم استخدامه لدراسة ديناميات الموقع النشط لهذا البروتين (الشكل 6.15). العديد من الأدوية تعمل أيضًا مثبطات لا رجعة فيها ، بما في ذلك المضادات الحيوية بيتا لاكتام مثل البنسلين.

الشكل 6.15 الفوسفات العضوي عبارة عن مثبطات لا رجعة فيها. (أ) هيكل ثنائي أيزوبروبيل فلوروفوسفات (DFP) ، مالاثيون وباراثيون ، (ب) تثبيط لا رجعة فيه للأنزيمات بواسطة DFP من خلال التعديل التساهمي لبقايا سيرين موقع نشط ، و (C) التركيب البلوري لبروتياز / مثبط فيروس الهربس البسيط (DFP) ) مركب. خضع سيرين الموقع النشط (الأصفر) للفسفونية مما أدى إلى تثبيط لا رجعة فيه. تم تقديمه من PDB 1AT3.

العودة إلى الصدارة

6.8 المنظمين الخيفي والتحكم في نشاط الإنزيم

بعد قضاء بعض الوقت في التعرف على حركية الإنزيم والعلاقة بين ميكايليس ومينتن ، غالبًا ما يكون من المقلق للغاية أن نجد أن بعض الإنزيمات الأكثر أهمية لا تعرض في الواقع مثل هذه الخصائص. إنزيمات Allosteric هي إنزيمات تنظيمية رئيسية تتحكم في أنشطة المسارات الأيضية من خلال الاستجابة للمثبطات والمنشطات. تظهر هذه الإنزيمات في الواقع علاقة سينية (على شكل حرف S) بين معدل التفاعل وتركيز الركيزة (الشكل 6.16) ، بدلاً من العلاقة الزائدية المعتادة. وبالتالي ، بالنسبة إلى الإنزيمات الخيفية ، هناك منطقة يكون نشاطها أقل من نشاط إنزيم "طبيعي" مكافئ ، وأيضًا منطقة يكون نشاطها أعلى من نشاط إنزيم "طبيعي" مكافئ ، مع انتقال سريع بين هاتين المرحلتين. هذا يشبه إلى حد ما مفتاح يمكن تغييره بسرعة من "إيقاف" (نشاط منخفض) إلى "تشغيل" (نشاط كامل).

الشكل 6.16 لمحات النشاط / الركيزة للأنزيمات الخيفية (الدوائر المفتوحة) والأنزيمات غير الخيفية (الدوائر الصلبة) التي لها نفس التقارب والسرعة القصوى.

معظم الإنزيمات الخيفية هي بوليمرية - أي أنها تتكون من سلسلتين على الأقل (وغالبًا أكثر بكثير) من سلاسل البولي ببتيد الفردية. لديهم أيضًا العديد من المواقع النشطة حيث يمكن أن ترتبط الركيزة. يأتي الكثير من فهمنا لوظيفة الإنزيمات الخيفية من دراسات الهيموجلوبين (Hb) الذي ، على الرغم من أنه ليس إنزيمًا ، يربط الأكسجين بطريقة تعاونية مماثلة وبالتالي يوضح أيضًا هذه العلاقة السينية. تمتلك إنزيمات Allosteric تقاربًا منخفضًا في البداية للركيزة ، ولكن عندما يرتبط جزيء ركيزة واحد ، فقد يؤدي ذلك إلى كسر بعض الروابط داخل الإنزيم وبالتالي تغيير شكل البروتين بحيث تكون المواقع النشطة المتبقية قادرة على الارتباط بتقارب أعلى. لذلك غالبًا ما توصف الإنزيمات الخيفية بأنها تتحرك من أ حالة متوترة أو تي الدولة (تقارب منخفض) لا يرتبط فيه أي ركيزة ، بـ a حالة استرخاء أو R- الدولة (تقارب عالٍ) حيث ترتبط الركيزة. يمكن أن ترتبط الجزيئات الأخرى أيضًا بالإنزيمات الخيفية ، في مواقع تنظيمية إضافية (أي ليس في الموقع النشط). تعمل الجزيئات التي تثبت البروتين في حالته T كمثبطات خيفية ، في حين أن الجزيئات التي تنقل البروتين إلى حالته R ستعمل كمنشطات أو محفزات خيفية.

الهيموغلوبين هو بروتين رباعي يتكون من وحدتين ألفا ووحدتين فرعيتين بيتا. إنه متماثل مع بروتين أحادي المرتبط بالأكسجين ، الميوغلوبين. كما هو موضح في الشكل 6.17 ، يعطي ارتباط الأكسجين بالميوجلوبين ملف تعريف قطعي قياسي ، بينما يُظهر الهيموجلوبين ارتباطًا بالأكسجين السيني. يشير المظهر الحركي السيني للهيموجلوبين إلى ارتباط الأكسجين تعاوني أو أن ارتباط أكسجين واحد بوحدة فرعية واحدة ، يزيد من احتمالية ارتباط الأكسجين بوحدة فرعية أخرى.

الشكل 6.17 مقارنة بين هياكل الميوغلوبين (أ) والهيموغلوبين (ب) و (ج) الخواص الحركية الملزمة بالأكسجين.

ال نموذج منسق المعروف أيضًا باسم نموذج التناظر، من الهيموجلوبين لشرح التعاونفي ارتباط الأكسجين وكذلك تحولات البروتينات التي تتكون من وحدات فرعية متطابقة. يركز على حالتين من حالات الهيموغلوبين T و R. تكون الحالة T للهيموغلوبين أكثر توتراً كما هو الحال في شكل deoxyhemoglobin بينما تكون الحالة R للهيموغلوبين أكثر استرخاءً كما هي في شكل أوكسي هيموغلوبين. تكون الحالة T مقيدة بسبب تفاعلات الوحدة الفرعية بينما تكون الحالة R أكثر مرونة نظرًا لقدرة الارتباط بالأكسجين. يتمثل الاختلاف في deoxyhemoglobin و oxyhemoglobin في أن النموذج & # 8220deoxy & # 8221 لا يحتوي & # 8217t على أكسجين وشكل & # 8220oxy & # 8221 مرتبط بدرجة عالية بالأكسجين. يزيد ارتباط الأكسجين في موقع واحد أو يسهل تقارب الارتباط في المواقع النشطة الأخرى. وهكذا ، لوحظ منحنى سيني لحركية ارتباط الهيموجلوبين بالأكسجين. كما هو موضح في الشكل 6.18 ، في النموذج المنسق للهيموجلوبين ، فإنه يُظهر أن ارتباط الأكسجين الواحد بموقع نشط سيزيد من احتمال ارتباط الأكسجين الآخر بالمواقع النشطة الأخرى في الهيموجلوبين. تُعرف هذه القدرة باسم التعاون أو الارتباط التعاوني. بشكل عام ، يؤدي ارتباط الأكسجين بتحويل التوازن نحو الحالة R. هذا يعني أنه عند مستويات الأكسجين العالية ، سيكون شكل R سائدًا وعند مستويات الأكسجين المنخفضة ، سيكون شكل T سائدًا. تعمل المؤثرات الخيفية للهيموجلوبين ، مثل 2،3- بيسفوسفوجليسيرات (2،3-BPG) ، عن طريق تحويل التوازن نحو أو بعيدًا عن الحالة T ، اعتمادًا على ما إذا كان مثبطًا خيفيًا أو محفزًا خيفيًا. يعرض هذا النموذج الحالات القصوى من انتقالات R و T. في النظام الحقيقي ، هناك حاجة إلى خصائص من كلا النموذجين لشرح سلوك الهيموجلوبين.

الشكل 6.18 ديناميكيات ملزمة الأكسجين في الهيموجلوبين. كما هو مبين في (أ) أعلاه ، فإن الحالة المتوترة (T-state) للهيموجلوبين تكون مفضلة عندما يكون ارتباط الأكسجين منخفضًا. يتحول الرباعي من الحالة T إلى الحالة المسترخية (R-state) مع الارتباط بالأكسجين. في الواقع ، يؤدي ارتباط أكسجين واحد بوحدة فرعية واحدة إلى زيادة احتمالية ارتباط الأكسجين بالوحدات الفرعية الأخرى ، والمعروفة باسم التعاون. (ب) يوضح التمثيل البياني للهيموجلوبين (Hb) المرتبط بالأكسجين الذي ينتقل بين الحالة T و R- الحالة.

تأثير بوهر

تأثير بوهر هو ظاهرة فسيولوجية تم وصفها لأول مرة في عام 1904 من قبل عالم الفيزيولوجيا الدنماركي كريستيان بور: يرتبط ارتباط الهيموجلوبين بالأكسجين عكسيًا بالحموضة وتركيز ثاني أكسيد الكربون. يوضح الرسم البياني أدناه تأثير الأس الهيدروجيني على O2 ملزمة لـ Hb. الملاحظة التجريبية هي أنه عند pH 7.2 و 20 torr ، يكون O أكثر2 يتم تفريغها من الأس الهيدروجيني 7.6 (الشكل 6.19).

الشكل 6.19 يعتمد ارتباط الأكسجين بالهيموجلوبين على الرقم الهيدروجيني.

للتفكير في أساس تأثير الأس الهيدروجيني هذا ، تذكر ثلاثة عوامل مهمة: (1) ثاني أكسيد الكربون2/ HCO3 & # 8211 موجودة في حالة توازن داخل الأنظمة البيولوجية ويمكن أن تؤثر على الرقم الهيدروجيني الكلي ، (2) deoxyHb قاعدة أقوى من O2• الهيموغلوبين ، و (3) في خلايا الدم الحمراء (كرات الدم الحمراء) ، يوجد إنزيم يسمى الأنهيدراز الكربوني ، والذي يحفز ترطيب ثاني أكسيد الكربون2 عن طريق الماء لتشكيل HCO3 – .


يمكن استخدام المعادلات أعلاه لوصف كيفية زيادة الهيموغلوبين لتفريغ O2 في الأنسجة وتفريغ ثاني أكسيد الكربون2 في الرئتين.

المثال الأول:في العضلات أثناء التمرين ، يتحول الجلوكوز إلى ثاني أكسيد الكربون2. شركة CO2 ثم ينتشر إلى الشعيرات الدموية وكرات الدم الحمراء ويتوازن مع H + و HCO3 & # 8211. تعمل بعض السلاسل الجانبية لـ Hb كمخزن مؤقت. يرتبط H + s بـ deoxyHb وبالتالي يحول التوازن إلى اليمين ، ويطلق المزيد من O2.

المثال الثاني: يتم نقل deoxyHb عبر الدورة الدموية إلى الرئتين حيث يلتقط O2. ا2 ينقل التوازن إلى اليسار لتوليد H +. ثم تتفاعل البروتونات مع HCO3 & # 8211 لتوليد أول أكسيد الكربون2 و ح2O. The CO2 يتم الزفير.

بشكل عام ، يُظهر تحليل النشاط البيولوجي للهيموجلوبين أن تنظيم نشاط بروتين واحد & # 8217s معقد ويمكن أن يختلف في مواقع مختلفة داخل الجسم أو عند التعرض لمؤثرات خيفية.

العودة إلى الصدارة

6.9 أصل الإنزيمات وتنقيتها واستخداماتها

الإنزيمات موجودة في كل مكان

تعتبر الإنزيمات من المكونات الأساسية للحيوانات والنباتات والكائنات الحية الدقيقة ، نظرًا لأنها تحفز وتنسق التفاعلات المعقدة لعملية التمثيل الغذائي الخلوي. حتى سبعينيات القرن الماضي ، كانت معظم التطبيقات التجارية للإنزيمات تتضمن مصادر حيوانية ونباتية. في ذلك الوقت ، كانت الإنزيمات السائبة تُستخدم بشكل عام فقط في صناعة معالجة الأغذية ، وكان يُفضل الإنزيمات من الحيوانات والنباتات ، حيث كان يُنظر إليها على أنها خالية من مشاكل السمية والتلوث المرتبطة بإنزيمات
أصل جرثومي. ومع ذلك ، مع تزايد الطلب وتطور تقنية التخمير ، تم التعرف على التكلفة التنافسية للإنزيمات الميكروبية وأصبحت مستخدمة على نطاق أوسع. بالمقارنة مع الإنزيمات من المصادر النباتية والحيوانية ، تتمتع الإنزيمات الميكروبية بمزايا اقتصادية وتقنية وأخلاقية ، والتي سيتم تحديدها الآن.

المزايا الاقتصادية

إن الكمية الهائلة من الإنزيم التي يمكن إنتاجها في غضون فترة زمنية قصيرة ، وفي منشأة إنتاج صغيرة ، تفضل بشكل كبير استخدام الكائنات الحية الدقيقة. على سبيل المثال ، أثناء إنتاج رينين (إنزيم تخثر اللبن المستخدم في صناعة الجبن) ، فإن الطريقة التقليدية هي استخدام الإنزيم المستخرج من معدة العجل (بقرة صغيرة لا تزال تتغذى على حليب أمها). يبلغ متوسط ​​كمية المنفحة المستخرجة من معدة العجل 10 كجم ، ويستغرق إنتاج العجل عدة أشهر من الزراعة المكثفة. بالمقارنة ، يمكن لمخمر 1000 لتر من Bacillus subtilis المؤتلف أن ينتج 20 كجم من الإنزيم في غضون 12 ساعة. وبالتالي ، من الواضح أن المنتج الميكروبي مفضل اقتصاديًا ، وخالٍ من المشكلات الأخلاقية التي تحيط باستخدام الحيوانات. في الواقع ، فإن معظم الجبن الذي يباع الآن في السوبر ماركت مصنوع من الحليب المتخثر
مع الإنزيمات الميكروبية (لذلك فهو مناسب للنباتيين).

ميزة أخرى لاستخدام الإنزيمات الميكروبية هي سهولة استخلاصها. يتم إفراز العديد من الإنزيمات الميكروبية المستخدمة في عمليات التكنولوجيا الحيوية خارج الخلية ، مما يسهل بشكل كبير استخلاصها وتنقيتها. غالبًا ما يكون الحصول على الإنزيمات الميكروبية داخل الخلايا أسهل من الحصول على الإنزيمات الحيوانية أو النباتية المكافئة ، لأنها تتطلب عمومًا خطوات استخراج وتنقية أقل.

عادة ما تحتاج المصادر الحيوانية والنباتية إلى النقل إلى منشأة الاستخراج ، بينما عند استخدام الكائنات الحية الدقيقة ، يمكن استخدام نفس المرفق للإنتاج والاستخراج. بالإضافة إلى ذلك ، غالبًا ما توجد الإنزيمات الحيوانية والنباتية المهمة تجاريًا داخل عضو أو نسيج واحد فقط ، وبالتالي فإن المادة المتبقية هي في الأساس منتج نفايات ، مطلوب التخلص منها.

أخيرًا ، تُظهر الإنزيمات المأخوذة من المصادر النباتية والحيوانية تباينًا كبيرًا في المحصول ، وقد تكون متاحة فقط في أوقات معينة من العام ، بينما لا ترتبط أي من هذه المشكلات بالأنزيمات الميكروبية.

المزايا الفنية

غالبًا ما تحتوي الإنزيمات الميكروبية على خصائص تجعلها أكثر ملاءمة للاستغلال التجاري. بالمقارنة مع الإنزيمات من المصادر الحيوانية والنباتية ، عادة ما يكون ثبات الإنزيمات الميكروبية مرتفعًا. على سبيل المثال ، غالبًا ما يكون ثبات درجة الحرارة المرتفعة للأنزيمات من الكائنات الدقيقة المحبة للحرارة مفيدًا عندما يجب أن تعمل العملية في درجات حرارة عالية (على سبيل المثال أثناء معالجة النشا).

الكائنات الحية الدقيقة أيضًا قابلة للتعديل الجيني لإنتاج إنزيمات جديدة أو معدلة ، باستخدام طرق بسيطة نسبيًا مثل إدخال البلازميد. يعتبر التلاعب الجيني للحيوانات والنباتات أكثر صعوبة من الناحية الفنية ، وهو أكثر تكلفة ولا يزال موضوع اهتمام أخلاقي كبير.

قد تكون الإنزيمات داخل الخلايا أو خارجها

على الرغم من الاحتفاظ بالعديد من الإنزيمات داخل الخلية ، وقد تكون موجودة في مقصورات خلوية محددة ، يتم إطلاق البعض الآخر في البيئة المحيطة. غالبية الإنزيمات المستخدمة في الصناعة عبارة عن بروتينات خارج الخلية من أي من المصادر الفطرية (على سبيل المثال. فطر الرشاشيات الأنواع) أو المصادر البكتيرية (على سبيل المثال عصية محيط). ومن الأمثلة على ذلك α-amylase و cellulase و dextranase و proteases و amyloglucosidase. العديد من الإنزيمات الأخرى للاستخدام غير الصناعي موجودة داخل الخلايا وتنتجها الخلية بكميات أقل بكثير. من الأمثلة على ذلك الأسباراجيناز ، الكاتلاز ، الكوليسترول أوكسيديز ، الجلوكوز أوكسيديز و الجلوكوز 6 فوسفات ديهيدروجينيز.

تنقية الانزيم

يمكن تحديد نشاط الإنزيم بالنسبة إلى البروتين الكلي الموجود (أي النشاط المحدد) واستخدامه كمقياس لنقاء الإنزيم. يمكن استخدام مجموعة متنوعة من الطرق لإزالة المواد الملوثة من أجل تنقية الإنزيم (وتناقش بالتفصيل في الفصل 3). عادة ما يتم تحضير الإنزيمات المستخدمة ككواشف تشخيصية وفي العلاجات السريرية بدرجة عالية من النقاء ، لأنه يتم التركيز بشكل كبير على خصوصية التفاعل الذي يتم تحفيزه. من الواضح أنه كلما ارتفع مستوى التطهير ،
كلما زادت تكلفة إنتاج الإنزيم. في حالة العديد من الإنزيمات الصناعية السائبة تكون درجة التنقية أقل أهمية ، وغالبًا ما يتم بيع هذه الإنزيمات كمستحضرات خام جدًا من مرق الاستزراع الذي يحتوي على وسط النمو والكائنات الحية (الكاملة أو المجزأة) والإنزيمات ذات الأهمية. ومع ذلك ، حتى عند استخدام أرخص الإنزيمات السائبة (مثل البروتياز للاستخدام في مساحيق الغسيل) ، يمكن أن تساهم تكلفة الإنزيم بحوالي 5-10٪ من قيمة المنتج النهائي.

المعالجة الأولية

في نهاية عملية التخمير التي تم فيها استزراع كائن حي دقيق غني بالإنزيم المطلوب ، يمكن تبريد المرق بسرعة إلى 5 درجات مئوية لمنع المزيد من النمو الميكروبي وتثبيت منتج الإنزيم. يمكن أيضًا تعديل الأس الهيدروجيني لتحسين استقرار الإنزيم. إذا كان الكائن الحي المنتج للإنزيم فطرًا ، فيمكن إزالته عن طريق الطرد المركزي بسرعة منخفضة. إذا كان مصدر الإنزيم بكتيريًا ، فغالبًا ما يتم ترسيب البكتيريا بكبريتات الألومنيوم أو كلوريد الكالسيوم ، مما يؤدي إلى إبطال الشحنة الموجودة على الأغشية البكتيرية ، مما يؤدي إلى تكتلها وبالتالي الخروج من المعلق.

علاج او معاملة

تم العثور على الإنزيمات خارج الخلية في المكون السائل لعملية المعالجة المسبقة. ومع ذلك ، تتطلب الإنزيمات داخل الخلايا علاجًا أكثر شمولاً. يمكن تركيز الكتلة الحيوية بالطرد المركزي وغسلها لإزالة المكونات المتوسطة. يجب بعد ذلك تمزق المكون الخلوي لتحرير محتوى الإنزيم. يمكن القيام بذلك باستخدام واحدة أو أكثر من العمليات التالية:
• طحن الكرة (باستخدام الخرز الزجاجي)
• الإزالة الأنزيمية لجدار الخلية
• دورات التجميد والذوبان
• قص السائل من خلال فتحة صغيرة عند ضغط مرتفع (على سبيل المثال ، داخل مكبس فرنسي)
• الصدمة التناضحية
• صوتنة.

قد ينطوي فصل الإنزيمات عن المحلول الناتج بعد ذلك على مجموعة متنوعة من الفصل
العمليات ، والتي غالبًا ما يتم استخدامها بطريقة متسلسلة ، كما هو موضح في الفصل 3.

الانتهاء من الانزيمات

تعتبر الإنزيمات من المستضدات ، ومنذ حدوث المشاكل في أواخر الستينيات عندما أظهر عمال التصنيع استجابات حساسية شديدة بعد استنشاق غبار الإنزيم ، تم الآن تنفيذ إجراءات لتقليل تكوين الغبار. يتضمن ذلك توفير الإنزيمات كسوائل حيثما أمكن ذلك ، أو زيادة حجم جزيئات المساحيق الجافة من 10 ميكرومتر إلى 200-500 ميكرومتر بأيٍّ من التحبيب (خلط الإنزيم مع البولي إيثيلين جلايكول وإعداد كريات صغيرة عن طريق الانحلال) أو التذمر (خلط الإنزيم مع مادة رابطة وماء ، وبثق خيوط طويلة ، وتحويلها إلى كريات في مروميرايزر ، وتجفيفها وتغطيتها بـ
معطف شمعي).

العودة إلى الصدارة

6.10 الأنزيمات الصناعية

على الرغم من أن العديد من العمليات الصناعية ، مثل تصنيع الجبن ، قد استخدمت تقليديًا مصادر إنزيمات غير نقية ، غالبًا من الحيوانات أو النباتات ، فإن تطوير الكثير من الأنزيمات الصناعية الحديثة قد سار جنبًا إلى جنب مع الاستغلال التجاري للإنزيمات الميكروبية. تم إدخالها إلى الغرب في حوالي عام 1890 عندما استقر العالم الياباني جوكيتشي تاكامين في الولايات المتحدة وأنشأ مصنعًا للإنزيمات يعتمد على التكنولوجيا اليابانية. كان المنتج الرئيسي هو Takadiastase ، وهو خليط من amylolytic و بروتين
الإنزيمات المحضرة بزراعة الفطر Aspergillus oryzae على الأرز أو نخالة القمح. تم تسويق Takadiastase بنجاح في الولايات المتحدة كمساعد في الجهاز الهضمي لعلاج عسر الهضم ، والذي كان يعتقد بعد ذلك أنه ناتج عن عدم اكتمال هضم النشا.

تم تطوير الإنزيمات البكتيرية في فرنسا بواسطة August Boidin و Jean Effront ، الذين اكتشفوا ذلك في عام 1913 العصوية الرقيقة أنتجت إنزيم ألفا أميليز مستقر للحرارة عند نموه في وسط سائل مصنوع عن طريق استخلاص الشعير أو الحبوب. تم استخدام الإنزيم بشكل أساسي في صناعة النسيج لإزالة النشا الذي يحمي الالتواء في صناعة القطن.

في حوالي عام 1930 ، وجد أنه يمكن استخدام البكتينازات الفطرية في تحضير منتجات الفاكهة. في السنوات اللاحقة ، تم تطوير العديد من hydrolases وبيعه تجاريًا (على سبيل المثالpectosanase ، cellulase ، lipase) ، لكن التكنولوجيا كانت لا تزال بدائية إلى حد ما.

بعد الحرب العالمية الثانية ، خضعت صناعة التخمير لتطور سريع حيث تم تطوير طرق لإنتاج المضادات الحيوية. سرعان ما تم تكييف هذه الأساليب لإنتاج الإنزيمات. في الستينيات ، تم تقديم الجلوكومايلاز كوسيلة لتحليل النشا بالماء ، لتحل محل التحلل الحمضي. بعد ذلك ، في الستينيات والسبعينيات من القرن الماضي ، تم دمج البروتياز في المنظفات ثم تم إدخال إيزوميراز الجلوكوز لإنتاج عوامل تحلية في شكل شراب عالي الفركتوز. منذ تسعينيات القرن الماضي ، تم دمج الليباز في مساحيق الغسيل ، وتم تطوير مجموعة متنوعة من عمليات الإنزيم الثابت (انظر القسم الخاص بتثبيت الإنزيم) ، والتي يستخدم العديد منها إنزيمات داخل الخلايا.

حاليًا ، تُستخدم الإنزيمات في أربعة مجالات متميزة للتجارة والتكنولوجيا (الجدول 6):


أسئلة الاستدعاء الشائعة في علم الأحياء

1.Helical / شكل حلزوني مضغوط للغاية
2- الجزيء غير قابل للذوبان لذا فهو غير نشط تناضحيًا (لا يؤثر على إمكانات الماء)
3. متفرعة بحيث يمكن الوصول إلى الجلوكوز بسهولة عن طريق الإنزيمات لتفتيت من أجل التنفس
4- جزيء كبير لا يمكنه ترك الخلية / عبر سطح الخلية
غشاء

2. انضم بواسطة التكثيف لتشكيل رابطة جليكوسيدية

4. & quot ؛ تقليب & quot من الجزيئات البديلة

5. روابط هيدروجينية تربط سلاسل طويلة مستقيمة

6. السليلوز يجعل جدران الخلايا قوية

7. يمكن أن تقاوم الضغط التورجي / الضغط الاسموزي

8. السند صعب الكسر

2. انضمت بواسطة روابط الببتيد

3. التي تتشكل عن طريق التكثيف

4. الهيكل الأساسي هو ترتيب الأحماض الأمينية

5. هيكل ثانوي قابل للطي لسلسلة البولي ببتيد بسبب الرابطة الهيدروجينية

6. البنية الثلاثية هي قابلة للطي ثلاثية الأبعاد بسبب الترابط الهيدروجيني والأيوني / ثنائي كبريتيد
سندات

2. ينهار في رد فعل خطوة واحدة مما يضمن توفير الطاقة بسرعة

3. المواد الفسفورية لجعلها أكثر تفاعلاً

سكر غير مخفض
1. قم بإجراء اختبار بنديكت وظل أزرق / سلبي
2. يغلي مع حامض ثم يحيد مع القلويات
3. تسخين مع Benedict ويصبح أحمر / برتقالي (مترسب)

2. (مسبب) التغيير في تسلسل الأحماض الأمينية

3- تتراكم الطفرات بمرور الوقت

4. المزيد من الطفرات / المزيد من الاختلافات (في تسلسل الأحماض الأمينية / القاعدة / النوكليوتيدات / الأولية
هيكل) بين الأنواع ذات الصلة البعيدة
أو
قليل من الطفرات / الاختلافات (في تسلسل الأحماض الأمينية / القاعدة / النوكليوتيدات / البنية الأولية) في
الأنواع وثيقة الصلة

أيونات الصوديوم
1. النقل المشترك للجلوكوز / الأحماض الأمينية (إلى الخلايا)
2. (لأن) الصوديوم ينتقل عن طريق النقل النشط / مضخة البوتاسيوم الصوديوم
3. ينشئ تركيز أيون الصوديوم / تدرج انتشار
4. يؤثر على إمكانية التناضح / المياه

الموقع النشط مرن ويمكن أن يتشكل حول الركيزة

2. الموقع النشط مكمل فقط للمالتوز

3. وصف الاستحثاث الملاءمة

4. الإنزيم هو محفز يخفض طاقة التنشيط المطلوبة للتفاعل

(تثبيط المنافسة)،
2. المانع له شكل مماثل للركيزة
3. يرتبط بالموقع النشط (للإنزيم)
4. يمكن التغلب على التثبيط عن طريق إضافة المزيد من الركيزة

الحفاظ على تركيز منخفض من الصوديوم في الخلية الظهارية مقارنة بـ
التجويف

ينتقل الجلوكوز إلى الخلية الظهارية بالصوديوم
عبر بروتين ناقل / قناة
ينتقل الجلوكوز إلى الدم

2. Endopeptidases كسر عديد الببتيدات إلى سلاسل أصغر الببتيد

3. يزيل Exopeptidases الأحماض الأمينية الطرفية

2. تنتج العديد من الميتوكوندريا ATP للنقل النشط
3. البروتينات الحاملة موجودة للنقل النشط

4. قناة / بروتينات حاملة لتيسير الانتشار

5. النقل المشترك للصوديوم والجلوكوز من خلال البروتين الناقل للصوديوم (أيونات) والجلوكوز

2. الفوسفوليبيد (ثنائي الطبقة) يمنع حركة / انتشار المواد القطبية / غير القابلة للذوبان في الدهون

3. البروتينات الحاملة تسمح بالنقل النشط

4. تسمح بروتينات القناة / الناقل بالانتشار / النقل المشترك

5. شكل / شحن القناة / الناقل يحدد المواد التي تتحرك

6. عدد القنوات / الحاملات يحدد مقدار الحركة

7. مساحة سطح الغشاء تحدد مقدار الانتشار / الحركة

2. جزيء طويل / كبير بحيث يمكنه تخزين الكثير من المعلومات

3. اللولب / ملفوف حتى مضغوطة

4. يسمح التسلسل الأساسي بتخزين المعلومات (تكوين البروتين)

5. تقطعت بهم السبل مزدوجة لذلك يمكن أن يحدث النسخ بشكل شبه متحفظ كما هو موجود
يمكن أن تعمل الخيوط كقوالب عبر الاقتران الأساسي التكميلي

2. قاعدة الاقتران متماسكة بواسطة روابط هيدروجينية

3. ضعف الروابط الهيدروجينية بسهولة ، مما يسمح للخيوط بالانفصال

4. قواعد مكشوفة وتعمل كقالب
5. A مع T ، C مع G

2. يكسر الروابط الهيدروجينية بين أزواج القواعد ويكشف عنها

3. خيط DNA واحد فقط يعمل كقالب

4. تنجذب نيوكليوتيدات الحمض النووي الريبي إلى القواعد المكشوفة

5. (الجذب) وفقًا لقاعدة الاقتران الأساسي (A-U & amp C-G)

6. ينضم بوليميراز الحمض النووي الريبي إلى نيوكليوتيدات الحمض النووي الريبي معًا ، لتشكيل ما قبل الرنا المرسال

3. تجلب جزيئات الحمض الريبي النووي النقال الأحماض الأمينية إلى الريبوسوم

4. يوجد جزيء tRNA محدد لحمض أميني معين

5. Anticodon من الحمض الريبي النووي النقال مكمل للكودون على مرنا

6. تتشكل روابط الببتيد بين الأحماض الأمينية المجاورة

7. الحمض الريبي النووي النقال يفصل ويترك لجمع حمض أميني آخر

2. التغيير في تسلسل الأحماض الأمينية

3. هذا يغير موضع روابط الهيدروجين / الأيونية / ثاني كبريتيد

2. كروموسومات مصنوعة من كروماتيدات متطابقة ، بسبب تكرارها في الطور البيني

3. تتحرك الكروموسومات إلى خط الاستواء للخلية

4. ترتبط الكروموسومات بألياف المغزل الفردية

5. تتقلص ألياف المغزل وتنقسم القسيمات المركزية

6. تنتقل الكروماتيدات الشقيقة إلى أقطاب متقابلة

7. يتلقى كل قطب جميع المعلومات الجينية

2. ترتبط الكروموسومات بأزواج متجانسة

3. يحدث العبور بين الكروموسومات ، من خلال تكوين التصالب

4. تنضم الكروموسومات إلى ألياف المغزل ، عبر السنتروميرات هناك

6. تتحرك الكروموسومات المتجانسة إلى أقطاب متقابلة

2. تشكيلة مستقلة (فصل الكروموسومات المتجانسة) في الانقسام الاختزالي الأول

3. تشكيلة مستقلة (فصل الكروماتيدات) في الانقسام الاختزالي الثاني

+ أي ثلاثة من:
4. يتسبب في أن يكون لدى الأفراد تكيفات مختلفة تجعل بعضها أكثر تكيفًا

7. هذه تمر على الجين / الأليل

2. الحصول على مقطع رقيق من الأنسجة النباتية ووضعها على الشريحة

3. وصمة عار مع اليود في يوديد البوتاسيوم.

2. مرشح لإزالة الحطام الكبير / الخلايا الكاملة

3. استخدم محلول متساوي التوتر لمنع تلف الميتوكوندريا / العضيات

4. حافظ على البرودة لتقليل الضرر الناجم عن الإنزيمات / استخدم المخزن المؤقت لمنع تمسخ الإنزيم

5. جهاز طرد مركزي بسرعة منخفضة لفصل النوى / شظايا الخلية / العضيات الثقيلة

2. تمر الجزيئات الصغيرة / غير القطبية / القابلة للذوبان في الدهون عبر الفوسفوليبيدات / طبقة ثنائية
أو
تمر الجزيئات الكبيرة / القطبية / القابلة للذوبان في الماء من خلال البروتينات

3. ينتقل الماء عن طريق التناضح من احتمالية عالية للمياه إلى إمكانات مائية منخفضة

4. النقل النشط ضد التدرج التركيزي

5. النقل النشط / الانتشار الميسر يشمل البروتينات / الناقلات

6. يتطلب النقل النشط طاقة / ATP

2. لا يمكن عبور طبقة ثنائية الدهون

3. يتم نقل أيونات الكلوريد عن طريق الانتشار الميسر باستخدام
قناة / بروتين ناقل

4. الأكسجين غير مشحون / غير قطبي

2. العديد من الميتوكوندريا تنتج ATP / إطلاق أو توفر الطاقة للنشاط
المواصلات

3. البروتينات الحاملة للنقل النشط

4. قناة / بروتينات حاملة لتسهيل الانتشار

5. النقل المشترك لأيونات الصوديوم والجلوكوز باستخدام بروتين سيمبورت / ناقل

2. النشط يتضمن إنتاج الجسم المضاد بواسطة خلايا البلازما / خلايا الذاكرة

3. السلبي يشمل الجسم المضاد الذي يدخل الجسم من الخارج

4. نشط على المدى الطويل ، لأن الجسم المضاد ينتج استجابة لمولد الضد

5. على المدى القصير السلبي ، لأن الجسم المضاد المعطى يتحلل

2. اجتياح العامل الممرض / ابتلاعه

3. محاطة في فجوة ، وتشكل البلعمة

4. فجوة تندمج مع الليزوزوم

5. يحتوي الليزوزوم على إنزيمات يتم إفراغها في الفجوة

تصنع خلايا البلازما أجسامًا مضادة

2 مستضد يرتبط بالمستقبلات التكميلية على الخلايا الليمفاوية ب

يتم تنشيط 3 الخلايا الليمفاوية

تتكاثر الخلايا الليمفاوية 4 (ب) عن طريق الانقسام

2. يتم عرض المستضد على الخلايا العارضة للمستضد (الضامة)

3. ترتبط الخلية التائية المساعدة مع بروتين المستقبل التكميلي بالمستضد

4. تحفز الخلية التائية المساعدة الخلية البائية

5. مع الجسم المضاد التكميلي على سطحه

6. تفرز الخلية البائية كميات كبيرة من الجسم المضاد

3. عند التعرض الثاني تصبح خلايا الذاكرة نشطة وتنتج أجسامًا مضادة

4. إنتاج الأجسام المضادة بسرعة / إنتاج المزيد من الأجسام المضادة

2. شكل الهيكل الثلاثي لموقع الربط

3. مكمل لمولدات المضادات

يستخدم الإنزيم RNA لفيروس نقص المناعة البشرية لعمل نسخة من الحمض النووي

انضم DNA إلى DNA / كروموسوم الخلية المضيفة

يستخدم الحمض النووي لعمل نسخ من الحمض النووي الريبي لفيروس نقص المناعة البشرية

وبروتينات / إنزيمات كابسيد HIV

تجميع جزيئات الفيروس الجديدة

2. البطين لديه الآن ضغط أعلى من الأذين (بسبب الملء / الانكماش).
يؤدي هذا إلى إغلاق الصمامات الأذينية البطينية

3. البطين لديه ضغط أعلى من الأبهر مما يؤدي إلى فتح الصمام الهلالي

4. يؤدي هذا إلى ارتفاع ضغط الشريان الأورطي عن البطين (مثل القلب
يرتاح) مما يؤدي إلى إغلاق الصمام الهلالي

2. جدران سميكة أحادية الخلية - تقلل من مسافة الانتشار

3. الخلايا المسطحة (البطانية) - تقلل من مسافة الانتشار

4. Fenestrations - يسمح للجزيئات الكبيرة بالمرور

5. قطر صغير / ضيق - يعطي مساحة كبيرة للحجم / قصير
مسافة الانتشار

6. التجويف الضيق - يقلل من معدل التدفق مما يعطي مزيدًا من الوقت للانتشار

2. السائل وجزيئات الأمبير القابلة للذوبان تخرج

3. البروتينات والجزيئات الكبيرة تبقى في الخلف

4. هذا يقلل من إمكانات المياه

5. يعود الماء إلى النهاية الوريدية للشعيرات الدموية
بالتناضح

2. يتم إنزال أرضية الفم

3. يدخل الماء بسبب انخفاض الضغط & أمبير
زيادة الحجم

4. يغلق الفم ويفتح الغطاء الخيشاني / الصمام الخيشومي

5. يؤدي رفع الأرضية إلى زيادة الضغط وانخفاض الحجم

الصفائح الخيشومية أو الصفائح الثانوية

عدد كبير من الشعيرات الدموية - & gt لإزالة الأكسجين / للحفاظ على التدرج

ظهارة رقيقة - & مسار انتشار قصير جي تي

تغيرات الضغط - & gt لجلب المزيد من الماء / للحفاظ على التدرج

2. رقيقة جدران الحويصلات الهوائية لتوفير مسار انتشار قصير

3. جدران الشعيرات الدموية رقيقة بين الحويصلات الهوائية مما يوفر مسار انتشار قصير

4. جدران الشعيرات الدموية / الحويصلات الهوائية لها خلايا مفلطحة

5. غشاء الخلية المنفذ للغازات

6. العديد من الشعيرات الدموية توفر مساحة كبيرة

7. العضلات الوربية وعضلات الحجاب الحاجز تستخدم لتهوية الرئتين للحفاظ على الانتشار
الانحدار

8. القصبة الهوائية الواسعة والتفرع من الشعب الهوائية / القصيبات لضمان التدفق الفعال للهواء


التفاعلات الجينية والبيئية

لا توجد الجينات في الفراغ. على الرغم من أننا جميعًا كائنات حية ، فإننا نعيش أيضًا في بيئة مهمة للغاية في تحديد ليس فقط متى وكيف تعبر جيناتنا عن نفسها ، ولكن أيضًا في أي مجموعة. يمثل كل واحد منا تفاعلًا فريدًا بين تركيبتنا الجينية ونطاق تفاعل بيئتنا ، وهي إحدى الطرق لوصف هذا التفاعل. مدى رد الفعل يؤكد أن جيناتنا تضع الحدود التي يمكننا العمل ضمنها ، وتتفاعل بيئتنا مع الجينات لتحديد المكان الذي سنقع فيه في هذا النطاق. على سبيل المثال ، إذا كان التركيب الجيني للفرد يهيئها لمستويات عالية من الإمكانات الفكرية وترعرعت في بيئة غنية ومحفزة ، فمن المرجح أن تحقق إمكاناتها الكاملة أكثر مما لو كانت قد نشأت في ظل ظروف شديدة الحرمان. وفقًا لمفهوم نطاق التفاعل ، تضع الجينات حدودًا محددة للإمكانات ، وتحدد البيئة مقدار هذه الإمكانات التي يتم تحقيقها. يختلف البعض مع هذه النظرية ويجادلون بأن الجينات لا تضع حداً لإمكانيات الشخص.

منظور آخر حول التفاعل بين الجينات والبيئة هو مفهوم الارتباط البيئي الجيني. ببساطة ، تؤثر جيناتنا على بيئتنا ، وتؤثر بيئتنا على التعبير عن جيناتنا (الشكل 6). لا تتفاعل جيناتنا وبيئتنا فقط ، كما هو الحال في نطاق التفاعل ، ولكنها تؤثر أيضًا على بعضها البعض بشكل ثنائي الاتجاه. على سبيل المثال ، من المحتمل أن يتعرض طفل أحد لاعبي الدوري الاميركي للمحترفين لكرة السلة منذ سن مبكرة. قد يسمح هذا التعرض للطفل بإدراك إمكاناته الجينية والرياضية الكاملة. وبالتالي ، فإن جينات الوالدين ، التي يشاركها الطفل ، تؤثر على بيئة الطفل ، وهذه البيئة ، بدورها ، مناسبة تمامًا لدعم الإمكانات الوراثية للطفل.

الشكل 6. تعمل الطبيعة والتنشئة معًا كقطع معقدة من أحجية بشرية. التفاعل بين بيئتنا وجيناتنا يجعلنا أفرادًا. (الائتمان & # 8220puzzle & # 8221: تعديل العمل بواسطة رصيد Cory Zanker & # 8220houses & # 8221: تعديل العمل بواسطة رصيد Ben Salter & # 8220DNA & # 8221: تعديل العمل بواسطة NHGRI)

في نهج آخر لتفاعلات البيئة الجينية ، مجال علم التخلق ينظر إلى ما وراء التركيب الجيني نفسه ويدرس كيف يمكن التعبير عن نفس النمط الجيني بطرق مختلفة. بعبارة أخرى ، يدرس الباحثون كيف يمكن أن يؤدي نفس النمط الجيني إلى أنماط ظاهرية مختلفة تمامًا. كما ذكرنا سابقًا ، غالبًا ما يتأثر التعبير الجيني بالسياق البيئي بطرق ليست واضحة تمامًا. على سبيل المثال ، يشترك التوائم المتطابقون في نفس المعلومات الجينية (توائم متطابقان تتطور من بويضة مخصبة واحدة تنقسم ، وبالتالي فإن المادة الوراثية هي نفسها تمامًا في كل منها على النقيض من ذلك ، التوائم المتماثله أو المتآخيه ينمو من بيضتين مختلفتين مخصبتين بواسطة حيوانات منوية مختلفة ، لذلك تختلف المادة الوراثية كما هو الحال مع الأشقاء غير التوأم). ولكن حتى مع وجود جينات متطابقة ، لا يزال هناك قدر لا يُصدق من التباين في كيفية ظهور التعبير الجيني على مدار حياة كل توأم. في بعض الأحيان ، يصاب أحد التوأمين بمرض بينما لا يصاب الآخر. في أحد الأمثلة ، توفيت تيفاني ، وهي توأم متطابق ، بسبب السرطان في سن السابعة ، لكن توأمها ، البالغ من العمر الآن 19 عامًا ، لم يصاب بالسرطان مطلقًا. على الرغم من أن هؤلاء الأفراد يتشاركون في نمط وراثي متطابق ، إلا أن أنماطهم الظاهرية تختلف نتيجة لكيفية التعبير عن تلك المعلومات الجينية بمرور الوقت. يختلف منظور الوراثة اللاجينية اختلافًا كبيرًا عن نطاق التفاعل ، لأن النمط الجيني هنا ليس ثابتًا ومحدودًا.

ارتباط بالتعلم

الجينات تؤثر أكثر من خصائصنا الفيزيائية. في الواقع ، وجد العلماء روابط وراثية مع عدد من الخصائص السلوكية ، بدءًا من سمات الشخصية الأساسية إلى التوجه الجنسي إلى الروحانية (على سبيل المثال ، انظر Mustanski وآخرون ، 2005 Comings ، Gonzales ، Saucier ، Johnson ، & amp MacMurray ، 2000). ترتبط الجينات أيضًا بالمزاج وعدد من الاضطرابات النفسية ، مثل الاكتئاب والفصام. لذا في حين أنه من الصحيح أن الجينات توفر المخططات البيولوجية لخلايانا وأنسجتنا وأعضائنا وجسمنا ، فإن لها أيضًا تأثيرًا كبيرًا على تجاربنا وسلوكياتنا.

دعونا نلقي نظرة على النتائج التالية بخصوص انفصام فى الشخصية في ضوء وجهات نظرنا الثلاثة للتفاعلات بين الجينات والبيئة. ما هو رأيك أفضل تفسير يفسر هذا الدليل؟

في دراسة أجريت على الأشخاص الذين تم التخلي عنهم للتبني ، المتبنين الذين كانت أمهاتهم البيولوجية مصابات بالفصام و الذين نشأوا في بيئة عائلية مضطربة كانوا أكثر عرضة للإصابة بالفصام أو اضطراب ذهاني آخر أكثر من أي مجموعة أخرى في الدراسة:

  • من بين المتبنين الذين كانت أمهاتهم البيولوجيات مصابات بالفصام (مخاطر وراثية عالية) والذين نشأوا في بيئات عائلية مضطربة ، كان 36.8 ٪ من المحتمل أن يصابوا بالفصام.
  • من بين المتبنين الذين كانت أمهاتهم البيولوجيات مصابات بالفصام (مخاطر وراثية عالية) والذين نشأوا في بيئات عائلية صحية ، كان من المحتمل أن يصاب 5.8 ٪ بالفصام.
  • من بين الأشخاص الذين تم تبنيهم مع وجود مخاطر وراثية منخفضة (الذين لم تكن أمهاتهم مصابات بالفصام) والذين نشأوا في بيئات عائلية مضطربة ، كان من المحتمل أن يصاب 5.3 ٪ بالفصام.
  • من بين الأشخاص الذين تم تبنيهم مع وجود مخاطر وراثية منخفضة (الذين لم تكن أمهاتهم مصابات بالفصام) والذين نشأوا في بيئات عائلية صحية ، كان من المحتمل أن يصاب 4.8 ٪ بالفصام (Tienari et al. ، 2004).

تظهر الدراسة أن الأشخاص الذين تم تبنيهم مع وجود مخاطر وراثية عالية كانوا معرضين بشكل خاص للإصابة بالفصام فقط إذا نشأوا في بيئات منزلية مضطربة. يضفي هذا البحث مصداقية على فكرة أن الضعف الوراثي والإجهاد البيئي ضروريان لتطور الفصام ، وأن الجينات وحدها لا تخبرنا بالحكاية الكاملة.


أبراهام ، م و أ.فوبل 1921.Theorie der Elektriziteit. برلين: B.G Teubner.

أرهينيوس ، س .1911 أ.داس فيلتال. لايبزيغ: أ كرونر.

- 1911 ب.Das Schicksal der Planeten. لايبزيغ: أكاديم. Verl.-Ges.

Bartholomay، A. F. 1960. "نظرية المجموعات الجزيئية: التمثيل الرياضي لآليات التفاعل الكيميائي".ثور. رياضيات. الفيزياء الحيوية,22, 285–307.

- 1965. "نظرية المجموعة الجزيئية: II. جانب من جوانب النظرية الرياضية الحيوية للمجموعات ".ثور. رياضيات. الفيزياء الحيوية,27، عدد خاص ، 235-251.

بيرج ، إل .1947.بيول. موسكوف. Obshchestva Tspytatelli Prirody,52 (5), 15.

بوندي ، هـ. 1952.علم الكونيات. كامبريدج: دراسات في الفيزياء.

كلارك ، إف و آر إل إم سينج ، محرران. 1959.وقائع الندوة الدولية الأولى حول أصل الحياة على الأرض. نيويورك: مطبعة بيرغامون.

جونسون ، إم إل ، مايكل أبيركرومبي ، جي إي فوج ، المحررين. 1954. "أصول الحياة" ،علم الأحياء الجديد,16, 12–85.

فرانك ، أو. 1899. "Die Grundform des Arteriellen Pulses".ز. بيول.,37, 483–526.

جاموف ، جي 1952.خلق الكون. نيويورك: مينتور بوكس.

Gödel، K. 1930. “Die Vollständignect der Axiome des Logischen Funktionenkalküls”.Monatshefte für Mathematik and Physik,37, 349–360.

- 1931. "Über Formal Unentscheidbare Sätze der Principia Mathematica und Verwandter Systeme I" ،،38, 173–198.

جودمان ، هوارد م ، وألكسندر ريتش. 1963. "آلية عمل بوليبوسومات أثناء تخليق البروتين" ،طبيعة سجية,199, 318–322.

هالدين ، ج.ب.س 1954. "أصول الحياة" ،علم الأحياء الجديد,16, 12–27.

هاريت ، س .1910.Mécanique Sociale. باريس: Gauthier-Villars.

هويل ، ف. 1955.حدود علم الفلك. نيويورك: مينتور بوكس.

جاكوب ، واو ، وجيه مونود. 1961. "في تنظيم النشاط الجيني" ،ندوة كولد سبرينج هاربور حول البيولوجيا الكمية,26, 193–211.

جونسون ، إم إل ، إم أبيركرومبي ، جي إي فوج ، المحررين. 1954. "مناقشة حول أصل الحياة" ،علم الأحياء الجديد,16, 7–85.

كلاين ، س. 1952.مقدمة في الرياضيات. برينستون ، نيوجيرسي: شركة Van Nostrand Co.

Landahl، H. D. 1941a. "دراسات في الفيزياء الحيوية الرياضية للتمييز والتكييف 1".ثور. رياضيات. الفيزياء الحيوية,3, 13–26.

- 1941 ب. "دراسات في الفيزياء الحيوية الرياضية للتمييز والتكييف 2" ،3, 71–77.

لانداو ، إل و إي ليفشيتز. 1958.ميكانيكا الكم. نيويورك: مطبعة بيرغامون.

Lederberg، J. 1960. "منظر للوراثة" ،علم,131, 269–276.

ماركوف ، أ. 1961."نظرية الخوارزميات".وزارة التجارة ، البرنامج الإسرائيلي للترجمة العلمية. واشنطن العاصمة: مؤسسة العلوم الوطنية.

Martinez، H. M. 1964. "نحو مبدأ التصميم الأمثل في علم الأحياء العلائقي".ثور. رياضيات. الفيزياء الحيوية,26, 351–365.

ماكينزي ، جي سي ، إيه سي شوجر ، وباتريك جوبيس. 1953. "أسس بدائية لميكانيكا الجسيمات الكلاسيكية" ،جى. جرذ. ميكانيكي. والتحليل,2, 253–272.

Monod، J. and F. Jacob 1961. “Teleonomic Mechanism in Cellular Metabolism، Grow and Differentiation”،ندوة كولد سبرينج هاربور حول البيولوجيا الكمية,26, 389–401.

أوبارين ، أ. 1957.اصل الحياة على الارض. نيويورك: مطبعة أكاديمية.

رينيتش ، جي واي 1950.رياضيات النسبية. نيويورك: جون وايلي وأولاده.

Rashevsky، N. 1934. "أسس الفيزياء الحيوية الرياضية" ،فيلوس. من علوم.,1, 176–196.

- 1941. "ملاحظة حول طبيعة العلاقات بين الخصائص المختلفة للكائنات الحية" ،ثور. رياضيات. الفيزياء الحيوية,3, 93–95.

- 1944. "دراسات في النظرية الفيزيائية الرياضية للشكل العضوي" ،6، 1-59. I. شكل من النباتات. II. الحركة وشكل الثعابين. ثالثا. بعض الاعتبارات العامة حول شكل رباعي الأرجل. رابعا. النظرية العامة للحركة الرباعية. V. فقدان الطاقة بسبب تأثير التطرف على الأرض. السادس. اقتراحات لطريقة تقريب لحل معادلات حركة سلسلة من الروافع المرتبطة. سابعا. هروب الطيور والحشرات بالنسبة لشكلها. ثامنا. التركيب الداخلي للحيوانات.

— 1947.النظرية الرياضية للعلاقات الإنسانية. بلومنجتون ، إنديانا: مطبعة برينسيبيا.

— 1951.علم الأحياء الرياضي للسلوك الاجتماعي. شيكاغو: مطبعة جامعة شيكاغو.

- 1952. "مشكلة التبادل بين شخصين أو أكثر بدافع من اللذة" ،ثور. رياضيات. الفيزياء الحيوية,14, 137–140.

- 1954. "الطوبولوجيا والحياة: بحثًا عن المبادئ الرياضية العامة في علم الأحياء وعلم الاجتماع" ،16, 317–348.

- 1955 أ. "بعض الملاحظات على علم الأحياء الطوبولوجي". ،17, 207–218.

- 1955 ب. "الحياة ونظرية المعلومات والطوبولوجيا" ،ثور. رياضيات. الفيزياء الحيوية,17, 229–235.

- 1956 أ. "هندسة علم الأحياء" ،18, 31–56.

- 1956 ب. "هندسة علم الأحياء: تصحيح" ،18, 233–235.

- 1958 "مساهمة في البحث عن المبادئ الرياضية العامة في علم الأحياء" ،20, 71–93.

- 1959 أ.علم الأحياء الرياضي للسلوك الاجتماعي. طبعة منقحة. شيكاغو: مطبعة جامعة شيكاغو.

- 1959 ب. "اقتراح لنهج محتمل للبيولوجيا الجزيئية" ،ثور. رياضيات. الفيزياء الحيوية,21, 309–326.

- 1960 أ.الفيزياء الحيوية الرياضية: الأسس الفيزيائية والرياضية لعلم الأحياء. الطبعة الثالثة والمنقحة. الصوتاثنين. نيويورك: منشورات دوفر ، Inc.

- 1960 ب. "الحياة ونظرية المعلومات والاحتمالات والفيزياء" ،ثور. رياضيات. الفيزياء الحيوية,22, 351–364.

- 1961 أ.المبادئ الرياضية في علم الأحياء وتطبيقاتها. سبرينغفيلد ، إلينوي: تشارلز سي توماس.

- 1961 ب. "علم الأحياء الجزيئي الرياضي المجرد" ،ثور. رياضيات. الفيزياء الحيوية,23, 237–260.

- 1962. "علم الأحياء الجزيئي الرياضي المجرد: II. بعض النتائج العلائقية لفرضية "جين واحد - إنزيم واحد" ،،24, 327–334.

- 1963. "مبدأ التصميم المناسب ونظام القلب والأوعية الدموية" ،ثور. رياضيات. الفيزياء الحيوية,25, 59–74.

Rashevsky، N. 1964.بعض الجوانب الطبية في علم الأحياء الرياضي. سبرينغفيلد ، إلينوي: تشارلز سي توماس.

- 1965. "تمثيل الكائنات من حيث المسند" ،ثور. رياضيات. الفيزياء الحيوية,27, 477–491.

Rashevsky، N. 1966. "تمثيل الكائنات الحية من حيث المسندات. الثاني ".المرجع نفسه ، الثور. رياضيات. الفيزياء الحيوية، في الصحافة.

روزين ، ر. 1958 أ. "نظرية علائقية للنظم البيولوجية" ،20, 245–260.

- 1958 ب. "تمثيل النظم البيولوجية من وجهة نظر نظرية المقولات" ،20, 317–341.

- 1959. “R Relational Theory of Biological Systems. - 1959.“ R Relational Theory of Biological Systems. II "،21, 109–128.

- 1960. "مقاربة نظرية الكم للمشاكل الجينية" ،22, 227–255.

روبن ، هـ و ب. سوبس. 1954. "تحولات أنظمة ميكانيكا الجسيمات النسبية" ،باسيف. J. الرياضيات.,4, 563–601.

صقر ، روث. 1965. "الجينات خارج الكروموسومات" ،Scientific American,212, 70–81.

- و F. J. رايون. 1961.وراثة الخلية. نيويورك: جون وايلي وأولاده.

وارنر ، جوناثان أ ، ألكسندر ريتش ، وسيسيل أ.هول. 1962. "دراسات الميكروسكوب الإلكتروني للعناقيد الريبوسومية التي تصنع الهيموغلوبين" ،علم,138, 1399–1403.


العصر الجزيئي

لم يكن حتى ظهور التسلسل في أواخر السبعينيات عندما أصبحت التقنيات الجزيئية دقيقة بما يكفي لإلقاء الضوء على آليات تعدد الاتجاهات الحقيقية. سرعان ما تم اكتشاف أن موضعًا واحدًا يمكن أن ينتج منتجات أولية مختلفة. تم العثور على هذه المنتجات الأولية المختلفة على جميع مستويات التعبير الجيني ومعالجة البروتين. يمكن العثور على مراجعات جيدة للآليات الجزيئية لتعدد الأشكال في P yeritz (1989) و H odgkin (1998).

بعد وقت قصير من التسلسل الأول ، وجد أن موضعًا يمكن أن يحتوي على إطارات قراءة متعددة أو متداخلة (B arrell وآخرون. 1976 S الغضب وآخرون. 1977). بمعنى أنه يمكن قراءة الخيط بدءًا من نقاط مختلفة بحيث يمكن أن ينتج موضع واحد mRNAs مختلفة وبروتينات مختلفة. ثبت أن هذا الاكتشاف شائع إلى حد ما في الجينوم البكتيري. على الرغم من أن إطارات القراءة البديلة يشار إليها أحيانًا على أنها جينات مختلفة ، فإن حقيقة أن المعلومات الخاصة بمنتجين أساسيين موجودة في موضع واحد ولا يمكن فصل المنتجين من خلال إعادة التركيب يمكن القول إنها تناسب معايير تعدد الأشكال.

هناك طريقتان يمكن من خلالهما إنتاج النصوص البديلة من مكان واحد: الربط البديل ورموز البدء / الإيقاف البديلة. تم اكتشاف هذه الآليات لفترة وجيزة بعد إطارات قراءة متعددة ووفرت آلية لتعدد الأشكال على مستوى معالجة الرنا المرسال. توجد أكواد بدء / إيقاف بديلة داخل موضع ما ، ويمكن أن يؤدي نسخ هذه الأكواد إلى أشكال مبتورة من البروتينات ذات الوظيفة المتغيرة. يسمح التضفير البديل باختيار exons مختلفة من موضع واحد (W eber وآخرون. 1977 د إينوتو وآخرون. 1981). من المعروف أن سلاسل الرنا المرسال يجب أن تمر بمرحلة معالجة قبل أن تتمكن من إنتاج البروتين. يجب تقسيم الإنترونات ، مع ترك exons فقط (B erget وآخرون. 1977). ثم يتم إعطاء الخصلة بأكملها غطاء وذيل (F uruichi وآخرون. 1975). ومع ذلك ، يمكن تقسيم مرحلة الربط لـ mRNA من موضع واحد بطرق مختلفة لإنتاج خيوط معالجة مختلفة من mRNA. كل من طرق التضفير البديلة هذه ستؤدي إلى بروتين مختلف. من خلال معالجة الحمض النووي الريبي ، يمكن للخلية أن تنتج بروتينات متعددة من موضع DNA واحد. يلعب التضفير البديل دورًا في العديد من جوانب صيانة الخلايا وتطويرها وهو موجود في كل مكان في حقيقيات النوى الأعلى (B يفتقر إلى 2003 R eddy 2007).

يمكن تعديل الحمض النووي الريبي المنسوخ بشكل أكبر من خلال تحرير الرنا المرسال ، الموصوف لأول مرة في عام 1986 (B enne وآخرون. 1986). من خلال هذه العملية ، تكون الخلية قادرة على عمل بدائل فعلية للنيوكليوتيدات في الرنا المرسال ، مما يؤدي إلى اختلافات في الأحماض الأمينية التي يمكن أن تؤثر على وظيفة البروتين. على الرغم من أن هذه التغييرات يمكن أن تكون طفيفة ، إلا أن التأثير على وظيفة البروتين يمكن أن يكون كبيرًا. حتى الاستبدال الفردي يمكن أن يؤثر على تكوين الأحماض الأمينية ، أو البنية الثانوية للحمض النووي الريبي ، أو أشكال أخرى من معالجة النسخ (M aydanovych and B eal 2006). يحدث التحرير في أنسجة مختلفة أو أثناء التعبير التفاضلي وقد يلعب دورًا مهملاً في التكيف (G ommans وآخرون. 2009).

البروتينات متعددة الوظائف هي مثال أخير للآليات الجزيئية لتعدد الوظائف. في هذه الحالات ، يتم استخدام منتج جيني واحد لوظيفتين أو أكثر أو له وظائف مختلفة في أنسجة مختلفة. تمت مراجعة هذه الآليات وتصنيفها بواسطة H odgkin (1998). تتضمن إحدى الآليات ، على وجه الخصوص ، فئة خاصة من البروتينات متعددة الوظائف (بروتينات "الإضاءة الإضافية") التي حظيت مؤخرًا باهتمام كبير. المثال الكلاسيكي لبروتينات "الإضاءة الإضافية" هو بلورات العدسة ، التي لا تؤدي وظيفة هيكلية في عدسات العين فحسب ، بل لها أيضًا خصائص إنزيمية. تم العثور على هذا المثال تحت "تعدد الأشكال بالتبني" لهودجكين. ومع ذلك ، في مراجعة حديثة (H uberts و V an D er K lei 2010) ، ذكر المؤلفون أنه لا ينبغي اعتبار البروتينات الإضافية متعددة الاتجاهات حيث يتم تعريفها على أنها بروتينات متعددة الوظائف ذات وظائف مستقلة مثل حدوث طفرة في منطقة الترميز لـ ليس من الضروري أن يؤثر البروتين على أكثر من وظيفة واحدة. بالنظر إلى هذا باعتباره التعريف الحالي ، لن أدرج البروتين الإضافي مع بروتينات أخرى متعددة الوظائف كآلية لتعدد الأشكال.


تنظيم مسار C4

ريتشارد سي ليجود ، روبرت ب.وولكر ، في C4 Plant Biology ، 1999

F فوسفوينول بيروفات كاربوكسيكيناز

يحفز Phosphoenolpyruvate carboxykinase (PEP-CK) نوكليوتيد الأدينين و Mn 2+ - التحويل المتبادل لأوكسالو أسيتات و PEP. على الرغم من أن هذا التفاعل يمكن عكسه بحرية في المختبر ( خشب وآخرون. ، 1966) ، من المحتمل أن يكون تفاعل الكربوكسيل مقيدًا في ظل الظروف الفسيولوجية بسبب انخفاض تقارب الإنزيم لـ CO.2 (راي آند بلاك ، 1976 أوربينا وأفيلان ، 1989). يشتمل PEP-CK على وحدات فرعية ، في C4 نباتات ، يتراوح حجمها من 67 إلى 74 كيلو دالتون (Finnegan and Burnell، 1995 Walker and Leegood، 1996 Walker وآخرون. ، 1997). في C3 و CAM ، يخضع الإنزيم لعملية فسفرة عكسية في الظلام أو في الليل. تأثير هذه الفسفرة غير واضح ، ولكن يبدو أنه من المحتمل أن يتضمن تغييرًا في خصائص الإنزيم (ووكر وآخرون. ، 1997). ومع ذلك ، يتم فسفرة PEP-CK فقط في تلك C4 النباتات ذات الشكل الأكبر (71 كيلو دالتون) من الإنزيم - على سبيل المثال ، الذعر الأقصى (ووكر وليجود ، 1996). هنا ، يتم فسفرة الإنزيم في الأوراق الداكنة وإزالة الفسفرة في الأوراق المضيئة ، مما يشير إلى أن الإنزيم المنزوع الفسفرة نشط. ومع ذلك ، في العديد من C4 يبدو أن امتداد الطرف N قد تم اقتطاعه وفقد موقع الفسفرة. مقارنة بين تسلسلات المناطق الطرفية N لـ PEP-CK من الخيار و PEP-CK من النوع C4 عشب U. بانيكويدس (حيث لا يتم فسفرة PEP-CK) تبين أن فكرة الفسفرة المفترضة غائبة عن الأخير (Finnegan and Burnell ، 1995). في المقابل ، فإن شكل 74 كيلو دالتون من PEP-CK ، الموجود في بعض أنواع NADP-ME مثل الذرة ، لا يتم فسفرته في أوراق الذرة المظلمة أو المضيئة (ووكر وآخرون، 1997) ، مما يشير إلى حدوث تغيير طفيف في امتداد N-terminal أو أن نشاط PEP-CK-kinase غير موجود.

السبب في عدم فسفرة PEP-CK في معظم C4 قد تكون النباتات مرتبطة بدورها في C4 البناء الضوئي. على سبيل المثال ، في C4 توجد النباتات ، PEP-C و PEP-CK في أنواع مختلفة من خلايا التمثيل الضوئي ، والغمد الوسطي والحزمة ، على التوالي ، بينما في C3 ونباتات CAM ، يقع كلا الإنزيمين في العصارة الخلوية لنفس الخلايا. لذلك ، هناك احتمال أقل لتشغيل دورة غير مجدية مع PEP-C. ومع ذلك ، يمكن أن يكون التغيير الذي يحدثه الفسفرة وإزالة الفسفرة بطيئًا جدًا (راجع. PEP-C) وأنه يفرض قيودًا على التمثيل الضوئي في ، على سبيل المثال ، بيئات الإضاءة المتقلبة. قد يكون من المهم أن أيا من decarboxylases الأخرى في C.4 يتم تنظيم التمثيل الضوئي عن طريق التعديل التساهمي.

يجب أن تكون هناك آليات بديلة في C4 النباتات التي يمكن أن تنشط الإنزيم في الضوء وتثبط نشاط الإنزيم في الظلام [قد تستنزف العصارة الخلوية لـ OAA (Carnal وآخرون. ، 1993) أو ATP]. يخضع الجزء N-terminal من PEP-CK لتحلل البروتين السريع ، مما قد يؤثر على الخصائص التنظيمية مثل الحساسية للمؤثرات. قام Burnell (1986) بتنقية الشكل المشقوق لـ PEP-CK من مجموعة C4 النباتات (U. panicoides ، كلوريس جايانا، و P. كحد أقصى) وأظهرت أن الإنزيم يثبطه عدد من المستقلبات ، بما في ذلك الجلسرات -3-P ، والفركتوز-6-P ، والفركتوز 1،6-بيسفوسفات ، بتركيزات فسيولوجية. إذا كانت هذه المستقلبات مثبطات فعالة بشكل مماثل للإنزيم الأصلي ، فيمكنها العمل على تنسيق نقل الإلكترون واستقلاب الكربون مع نشاط PEP-CK وهكذا إذا أصبح ATP مقيدًا في أي من الطبقة الوسطى أو غلاف الحزمة ، على سبيل المثال في الإضاءة المنخفضة ، هذا من شأنه أن يحد من تقليل الغليسيرات -3 P ، والذي من شأنه أن يتراكم ويمنع PEP-CK. ومع ذلك ، إذا تم الوصول إلى السعة القصوى لتخليق السكروز ، فسيؤدي ذلك إلى تراكم الفركتوز -1،6-ثنائي الفوسفات وهكسوز الفوسفات ، ومرة ​​أخرى تثبيط PEP-CK. يحفز PEP-CK رد فعل قابل للعكس بحرية وهو حساس جدًا للتغيرات في نسبة ATP / ADP (Walker وآخرون، 1997 انظر أيضًا Kobr and Beevers ، 1971). نظرًا لأن الإمداد بـ ATP يتم إنشاؤه بواسطة NAD-ME ، فسيكون هناك اقتران وثيق بين الإنزيمين (انظر لاحقًا هذا الفصل). ومع ذلك ، فإن هذه الخصائص التنظيمية غير كافية لصياغة نظرية مرضية لتنظيم PEP-CK لأنها تفشل في تفسير كيفية إيقاف الإنزيم في الظلام (كارنال). وآخرون., 1993) .


6.1: جين واحد - نظرية إنزيم واحد - علم الأحياء

أ قسم الكيمياء الحيوية ، كلية كارفر للطب ، جامعة أيوا ، آيوا سيتي ، IA 52242 ، الولايات المتحدة الأمريكية ، و ب TAS ، معهد بيولوجيا الخلايا الجذعية والطب التجديدي ، GKVK POST ، بنغالور 56065 ، الهند
* بريد إلكتروني بالمراسلات: [email protected]

إن إنزيمات أكسجين الحديد غير المعدني Rieske (ROs) هي فئة مدروسة جيدًا من الإنزيمات. يستخدم النفثالين 1،2-ديوكسجيناز (NDO) كنموذج لدراسة ROs. أظهر العمل السابق كيف أن الارتباط الجانبي للأكسجين بالحديد أحادي النواة يزود هذا الإنزيم بالقدرة على تحفيز الخصوصية الفراغية والشاملة. رابطة الدول المستقلة تفاعلات ديهيدروكسيل. لقد تم توثيقه جيدًا أن ROs تحفز مجموعة متنوعة من التفاعلات الأخرى ، بما في ذلك الأكسجة الأحادية ، وإزالة التشبع ، و O- و N-dealkylation ، و sulfoxidation إلخ . يحفز NDO نفسه مجموعة متنوعة من هذه التفاعلات. تُظهر هياكل NDO المعقدة مع عدد من الركائز المختلفة أن اتجاه الركيزة في الموقع النشط لا يتحكم فقط في الخصوصية والتسمية الفراغية ، ولكن أيضًا في نوع التفاعل المحفز. يُقترح أن يهاجم ثنائي الأكسجين المنشط بالحديد أحادي النواة ذرات الركيزة الأقرب إليها. يمكن تفسير الاختلاط في توصيل منتجين (على ما يبدو من خلال تفاعلين مختلفين) من نفس الركيزة من خلال الربط المحتمل للمادة في اتجاهات مختلفة قليلاً بمساعدة المرونة الملحوظة للبقايا في جيب الربط.

1 المقدمة

تحفز أكسجين الحديد اللاهيمي Rieske مجموعة متنوعة من تفاعلات الهيدروكسيل (Barry & # 38 Challis، 2013 Ferraro وآخرون. ، 2005 باراليس وآخرون. ، 2002). وهي عبارة عن أنظمة إنزيمات متعددة المكونات تتكون من مكونين أو ثلاثة مكونات بروتينية تتكون من سلاسل نقل الإلكترون وأكسجيناز. تنقل بروتينات نقل الإلكترون إلكترونين من NAD (P) H إلى الموقع التحفيزي لأكسجيناز. يعمل المختزل ، وغالبًا ما يكون فيروكسين ، كنظام نقل إلكتروني. يحتوي الاختزال على فلافين أدينين ثنائي النوكليوتيد (FAD) وغالبًا مجموعة [2F & # 82112S] تعمل كمركز الأكسدة والاختزال (Ensley & # 38 Gibson ، 1983). مكونات الأوكسجين إما & # 945 3 أو & # 945 3 β 3 ، حيث تحتوي الوحدة الفرعية & # 945 على مجموعة حديد من نوع Rieske & # 8211 كبريت ومركز حديدي أحادي النواة (Iwata وآخرون. ، 1996). لقد ثبت أن الأكسجين الجزيئي ، وهو ركيزة مشتركة ، يرتبط بالحديد أحادي النواة ويهاجم الركيزة لإنتاج المنتجات (Bugg & # 38 Ramaswamy ، 2008).

النفثالين 1،2-ديوكسجيناز من Pseudomonas putida سلالة NCIB 9816-4 (NDO) هي واحدة من Dioxygenases Rieske التي تمت دراستها جيدًا وهي & # 945 3 β 3 hexamer وهو أول أوكسجيناز الحديد غير المعدني Rieske الذي تم تحديد هيكله ثلاثي الأبعاد (Kauppi وآخرون. ، 1998). تحتوي الوحدة الفرعية & # 945 لـ NDO على مركز Rieske [2Fe & # 82112S] الذي يقبل الإلكترونات من مكون الفيروكسين ، الذي ينشأ من NAD (P) H على مكون اختزال ، وينقلها إلى حديد أحادي النواة غير نووي في الموقع النشط . المجال التحفيزي لأكسجيناز الطرفي هو مركز 2-His / carboxylate الموصوف جيدًا ويتكون من حديد أحادي النواة منسق بواسطة الهيستيدين وحمض الأسبارتيك داخل موقع نشط كبير كاره للماء. يتميز NDO بخصوصية ركيزة مسترخية ويحفز ثاني أكسيد الكربون للعديد من المركبات العطرية ذات الحلقتين والثلاث حلقات لكل منها رابطة الدول المستقلة - ثنائي هيدروديول (Hudlicky وآخرون. ، 1999). يحفز NDO أيضًا مجموعة متنوعة من تفاعلات الأكسدة الأخرى ، بما في ذلك أحادي الهيدروكسيل ، وإزالة التشبع ، و O- و N-dealkylation ، و sulfoxidation (Resnick & # 38 Gibson، 1996 Resnick وآخرون. ، 1996). إن نطاق الركيزة الواسع للغاية والانتقائية النسبية العالية والانتقائية التماثلية لـ NDO وأنظمة الإنزيمات ذات الصلة تجعل هذه الإنزيمات مهمة ليس فقط في تدهور الملوثات البيئية ، ولكن أيضًا في التكوين التحفيزي الحيوي للمركبات المركّبة لإنتاج المواد الكيميائية النشطة بيولوجيًا والمستحضرات الصيدلانية (ريسنيك وآخرون. ، 1996 Boyd & # 38 Sheldrake ، 1998). في الآونة الأخيرة ، فإن إنزيم RedG من Streptomyces coelicolor الذي يحفز الأكسدة carbocyclization من undecylprodigiosin لتشكيل strepto & # 173rubin B وقد ثبت أن يكون Rieske أوكسيجيناز (سيدور وآخرون. ، 2011). تم الآن تحديد هذه الإنزيمات أيضًا في حقيقيات النوى وتلعب دورًا في استقلاب الكوليسترول والتخليق الحيوي لهرمون الستيرويد (يوشياما-ياناغاوا) وآخرون. , 2011 ).

تقوم ريسك أوكسيجيناز أيضًا بتنفيذ monohydroxylation (Capyk وآخرون. ، 2009) وإزالة الميثيل (جيانغ وآخرون. ، 2013) وقد تمت مراجعتها مؤخرًا. تم وصف الآلية الجزيئية لتفاعل ثنائي هيدروكسيل المحفز بواسطة NDO مسبقًا (كارلسون وآخرون. ، 2003). اقترح أن يتم تنشيط الأكسجين عبر الاختزال بواسطة إلكترون خارجي واحد ، ينتج عنه حديد (III) & # 8211 (هيدرو) بيروكسو وسيط (Neese & # 38 Solomon ، 1998). تُظهر الطفرات في هذا الإنزيم التي تغير الانتقائية النسبية والانتقائية الفراغية لتكوين المنتج أنه يمكن تعديل هذا الإنزيم لإنتاج منتجات تختلف عن تلك التي ينتجها النوع البري (Ferraro وآخرون. ، 2006). يشير ملخص الدراسات التي أجريت على NDO إلى أن ثنائي الأكسجين المنشط ، جنبًا إلى جنب ، يهاجم الركيزة بطريقة منسقة لتحفيز تفاعل ثنائي الهيدروكسيل. أظهر تشاكرابارتي وزملاؤه أن الآلية ربما تستمر عبر وسيط جذري (تشاكرابارتي وآخرون. , 2007 ).

من أجل تبرير كيفية تحديد الإنزيم لنوع التفاعل المحفز ، حددنا هياكل سلسلة من مجمعات الركيزة NDO & # 8211.كانت الركائز هي: indan ، indene ، ستيرين ، ethylbenzene ، phenetole ، thio & # 173anisole ، ethylphenylsulfide و 1-chloronaphthalene. من أجل دراسة تثبيط نشاط NDO بواسطة المركبات المثبطة ، قمنا أيضًا بتعقيد NDO بالمثبطات المعروفة indole-3-acetate و benzamide وحددنا هياكل هذه المجمعات.

توفر الدراسات الواردة في المخطوطة أساسًا جزيئيًا للفرضية القائلة بأن اتجاه ارتباط الترابط لا يتحكم فقط في التخصيصية والخصوصية الفراغية لتكوين المنتج ، بل يتحكم أيضًا في نوع التفاعل الذي تحفزه Rieske أوكسيجيناز على ركيزة معينة (Kovaleva & # 38 Lipscomb ، 2008).

2. المواد والأساليب

2.1. تعبير البروتين وتنقيته

تم إنتاج البروتين باستخدام الطريقة الموضحة في Lee وآخرون. (1997 ). الإشريكية القولونية تم تحويل خلايا التعبير البروتيني لـ DE3 Star (Invitrogen ، كارلسباد ، كاليفورنيا ، الولايات المتحدة الأمريكية) باستخدام بلازميد pDTG121 (Wen-Chen & # 38 Gibson ، 1994). ثم نمت الخلايا في وسط أملاح معدنية (Stanier وآخرون. ، 1966) مع 10 & # 8197 م م الجلوكوز ، 150 & # 8197 & # 181g & # 8197ml & # 87221 أمبيسلين و 0.6 & # 8197 م م الثيامين في دفعات 1.5 & # 8197l عند 37 & # 176 درجة مئوية حتى تم الوصول إلى كثافة بصرية عند 600 & # 8197 نانومتر من 0.5 & # 82110.7. تم إحضار الخلايا إلى 15 & # 176 درجة مئوية وتم تحفيز التعبير البروتيني بـ 0.4 & # 8197 م م IPTG. عند الاستقراء ، تم استكمال الخلايا بـ 15 & # 8197ml 1 & # 8197 م الجلوكوز و 0.25 & # 8197 م م كبريتات الأمونيوم الحديدية. نمت الخلايا لمدة 16 & # 8197 ساعة مع اهتزاز عند 150 & # 8197rev & # 8197min & # 87221 عند 15 & # 176 درجة مئوية. بعد 16 & # 8197h ، تم حصاد الخلايا بالطرد المركزي. تم تعليق كريات الخلايا في المخزن المؤقت 1 & ​​# 8197ml BTGD [50 & # 8197m م مكرر ، 10٪ ( الخامس / الخامس ) الجلسرين ، 1 & # 8197 م م DTT ، pH 6.8] لكل جرام من الحبيبات والمجمدة عند & # 872280 & # 176C.

تمت تنقية البروتين كما هو موصوف سابقًا (Lee وآخرون. ، 1997). تم تفكيك الخلايا باستخدام مكبس فرنسي ثم طردها بالطرد المركزي في & # 8764180 & # 8197000 ز لمدة 30 & # 8197 دقيقة لإزالة الحطام الخلوي. تم تحميل المحللة الموضحة على عمود Q Sepharose FF بحجم 600 & # 8197ml (GE Amersham ، Piscataway ، New Jersey ، USA) و 0 & # 82112 & # 8197 م تم استخدام تدرج كلوريد البوتاسيوم في BTGD من أجل الشطف. تم تجميع الأجزاء التي تحتوي على البروتين البني المحمر وتركيزها باستخدام مُكثّف Amicon مع غشاء YM-100. 4 & # 8197 م تمت إضافة كبريتات الأمونيوم إلى البروتين المركز لإعطاء تركيز نهائي قدره 1 & # 8197 م كبريتات الامونيوم. تم تحميل البروتين على عمود Octyl Sepharose FF (GE Amersham) سعة 150 & # 8197 مل وتم التصفية منه باستخدام 1.0 & # 82110.0 & # 8197 م التدرج من كبريتات الأمونيوم. تم تجميع الكسور ذات اللون البني المحمر وتركيزها مرة أخرى. تم تبادل البروتين المركز إلى 1 & # 8197 م م فوسفات البوتاسيوم درجة الحموضة 6.8. تم تحميل البروتين على عمود تبادل أيوني هيدروكسيباتيت 40 & # 8197 & # 181 م من النوع 1 5 & # 8197 مل (Bio-Rad ، Hercules ، كاليفورنيا ، الولايات المتحدة الأمريكية) وتم التصفية التتابعية باستخدام 0.001 & # 82111.0 & # 8197 م تدرج فوسفات البوتاسيوم. تم تركيز الكسور المحتوية على NDO ثم تم استبدالها إلى 50 & # 8197 م م MES ، درجة الحموضة 6.8. تم تركيز البروتين إلى 60 & # 8197mg & # 8197ml & # 87221 باستخدام وحدات مرشح Amicon Ultra للطرد المركزي مع قطع بوزن جزيئي 100 & # 8197kDa. تم تجميد قطرات البروتين (حوالي 1 & # 8197 & # 181 لتر حجم قطرة) في النيتروجين السائل وتخزينها في & # 872280 & # 176C حتى استخدامها للتبلور.

2.2. تبلور البروتين وتشكيله المعقد

تمت بلورة البروتين بطريقة الإسقاط المعلق. تمت إضافة محلول البروتين 2 & # 8197 & # 181l إلى محلول التبلور 2 & # 8197 & # 181l على غطاء زجاجي مطلي بالسيليكون ووضعه فوق بئر يحتوي على محلول خزان 0.5 & # 8197ml. تشكلت بلورات في قطرات تتكون من 1.9 & # 82112.2 & # 8197 م كبريتات الأمونيوم ، 4 & # 82116٪ ديوكسان ، 100 & # 8197 م م MES ، درجة الحموضة 5.0 & # 82115.8. تم تحضين القطرات عند 6 & # 176 درجة مئوية وتشكلت البلورات بعد 48 & # 821172 & # 8197h. تم نقع الركائز في بلورات بطريقة مشابهة لتلك التي تم الإبلاغ عنها سابقًا لمركب البروتين & # 8211 النفثالين (كارلسون) وآخرون. ، 2003). تمت إضافة 1 & # 8197 & # 181l الإيثانول المشبع بالركيزة إلى محلول التبلور 19 & # 8197 & # 181 لتر وتم نقل البلورات إلى محلول النقع لمدة أسبوعين على الأقل للسماح للركيزة بالارتباط.

2.3 جمع البيانات ومعالجتها وهيكلة الحل والتحسين

تم جمع بيانات حيود الأشعة السينية من مجمعات NDO من النوع البري على خط إشعاع IMCA-CAT 17-ID في مصدر الفوتون المتقدم ، ومختبر Argonne الوطني باستخدام كاشف ADSC Quantum 210 CCD أو على خط الحزمة MBC 4.2.2 في Advanced مصدر الضوء في مختبر لورانس بيركلي الوطني باستخدام كاشف NOIR-1 CCD. ترد إحصاءات جمع البيانات ومعالجتها في الجدول 1. تمت معالجة البيانات باستخدام د * رحلة (بفلوغراث ، 1999). هيكل سابق من NDO من النوع البري (إدخال PDB 1o7w Karlsson وآخرون. ، 2003) مباشرة كنموذج بداية للتنقيح. تم إجراء الصقل في البداية باستخدام ريفماك 5 (مرشدوف وآخرون. ، 2011) في CCP 4 مجموعة برامج v.6.0.0 (Winn وآخرون. ، 2011). برنامج التصور الجزيئي أبله (Emsley & # 38 Cowtan ، 2004) تم استخدامه لبناء النماذج والتصور. تم نمذجة الروابط في كثافة الإلكترون وتم تنقيح موضعها جنبًا إلى جنب مع البروتين الموجود في فينيكس مجموعة برامج (Adams وآخرون. ، 2011). تم التحقق من مواقع جزيء المذيب باستخدام خريطة OMIT المركبة مع حذف المذيبات برنامج (براون ، 2008) ، وتم تصميم جزيئات المذيبات الجديدة حيث كانت كثافة الإلكترون موجودة. تم تقديم الصور و r.m.s.d. تم إجراء الحسابات باستخدام PyMOL (ديلانو ، 2000).

الجدول 1
البيانات البلورية للهياكل المبلغ عنها

القيم الموجودة بين قوسين هي لأعلى دقة shell.

3. النتائج

3.1. مجمعات مع indene (إدخال PDB 4hm5) و indan (إدخال PDB 4hm4)

يحفز NDO تفاعل أحادي الهيدروكسيل عندما يكون indene أو indan هو الركيزة. يتفاعل Indan مع النموذج ( س ) -1- إندانول / ( ص ) -1- إندانول. ينتج عن monohydroxylation من indene تكوين ( س ) -1-إندنول / ( ص ) -1-إندنول (جيبسون وآخرون. ، 1995 واكيت وآخرون. ، 1988). يخضع Indan أيضًا لرد فعل إزالة التشبع لتشكيل indene. يشكل الإندين أيضًا منتجات ثنائي هيدروكسيل ، مع (1 ص ,2 س ) -ينديديول حيث يتم أيضًا إنتاج كميات ضئيلة من أيزومرات أخرى. تم تحسين الهياكل البلورية لـ indan و indene في مجمع مع NDO إلى دقة 1.6 و 1.5 & # 8197 & # 197 ، على التوالي ، ويتم تلخيص الإحصاءات الناتجة في الجدول 1. يتشابه اتجاه الركيزة في الموقع النشط مع اتجاه الإندول (الشكل 1). يُظهر تقييم كثافة الإلكترون لربط الركيزة فقط إمكانية وضع الحلقة المكونة من خمسة أعضاء في اتجاه مركز الحديد. الحلقة المكونة من ستة أعضاء مرتبطة بين Val209 و Leu307 ، وهي بقايا يعتقد أنها تثبت الحلقة الثانية من الركائز في الموقع النشط. يتم تمثيل موضع الإندول في إدخال PDB 1o7n بواسطة ذرات C الزرقاء. يتم أيضًا عرض الحديد أحادي النواة وثنائي أكسيد النمذجة استنادًا إلى المركب الثلاثي مع الإندول والديوكسيجين. ومع ذلك ، في الهياكل المذكورة هنا لا يوجد ديوكسجين مرتبط ، فقط جزيء ماء مرتبط بالحديد أحادي النواة. تكون ذرات C1 و C2 للركيزة المرتبطة هي الأقرب إلى ثنائي الأكسجين النموذجي. تُظهر تجارب التحول الأحيائي أيضًا أن جميع المنتجات المتكونة تتكون من هجوم الأكسجين الجذري على ذرات C1 و C2.


شكل 1
NDO من النوع البري في مركب مع indan (أرجواني) ( أ ) ومع إيندين (أخضر) ( ب ) تتداخل مع ذلك مع إندول (أزرق غامق). يتم تمثيل بقايا الموقع النشط لـ NDO بواسطة العصي ذات الذرات الخضراء والسماوية. يتم تمثيل موضع الإندول ، من إدخال PDB 1o7n ، بواسطة ذرات C زرقاء. يظهر أيضًا الحديد أحادي النواة (تُظهر الكرات البرتقالية المتداخلة موضع الحديد في الهياكل المختلفة التي تم الإبلاغ عنها هنا لتوضيح الحركات الصغيرة في موضع الحديد) وثاني أكسيد النمذجة (من إدخال PDB 1 إلى 7 ن كرات حمراء صغيرة).

3.2 مجمعات مع ستيرين (إدخال PDB 4hm7) وإيثيل بنزين (إدخال PDB 4hm3)

يحفز NDO تفاعل ثنائي هيدروكسيل مجموعة الفينيل مع ستيرين لإنتاج 1-phenyl-1،2-ethanediol ، حيث يتم تكوين ص الايزومير مفضل على س أيزومر بنسبة 3: 1 تقريبًا (Lee & # 38 Gibson ، 1996 أ ). يخضع إيثيل بنزين لمحلول أحادي الهيدروكسيل لذرة البنزيليك C لتشكيل كحول 1-فينيثيل وإزالة التشبع لتشكيل ستيرين (الشكل 2 Lee & # 38 Gibson ، 1996 ب ). تم تحديد هياكل NDO في مجمع مع الستايرين وإيثيل بنزين بدقة 1.6 & # 8197 & # 197. تم الإبلاغ عن جمع البيانات البلورية وإحصاءات التحسين في الجدول 1. لكل من إيثيل بنزين (الأشكال 2 أ و 2 ب ) والستايرين (الأشكال 2 ج و 2 د ) ، تم العثور على الروابط في الموقع النشط في اتجاهات متعددة بناءً على كثافة الإلكترون. تتضمن إحدى الاتجاهات التي يمكن نمذجتها الحلقة العطرية في موضع مشابه لموضع ذرات C الهيدروكسيلية من النفثالين وتقترح أنه سيتم تكوين منتج ثنائي هيدروكسيل (الأشكال التكميلية S1) أ و S1 ب ). ومع ذلك ، لم يلاحظ المنتج ثنائي هيدروكسيل في فحوصات التحول الأحيائي.


الشكل 2
( أ , ج ) المنتجات المكونة من إيثيل بنزين ( أ ) والستايرين ( ج ) كركائز. يتم عرض النسب التقريبية للمنتج المكتشف في فحوصات التحول الأحيائي بخط مائل أسفل المنتجات. ( ب , د ) NDO من النوع البري معقد مع ستيرين (أخضر) متداخل مع النفثالين (أرجواني) ( د ) وذلك مع إيثيل بنزين (أحمر) متداخل مع ذلك مع ستيرين ( ب ). يتم تمثيل بقايا الموقع النشط بواسطة العصي مع ذرات C البرتقالية. يظهر أيضًا الحديد أحادي النواة (كرة برتقالية كبيرة) وثاني أكسيد النمذجة من إدخال PDB 1o7n (كرات حمراء صغيرة).

3.3 مجمعات مع الفينيتول (إدخال PDB 4hm6) ، ثيوانيزول (إدخال PDB 4hm8) وإيثيل فينيل كبريتيد (إدخال PDB 4hm2)

تم اختيار الفينيتول كمركب تمثيلي للتحليل الهيكلي لتفاعل إزالة الألكلة. يشكل الفينول على الألكلة. ومع ذلك ، عند إزالة التشبع من مجموعة الإيثيل فإنه يشكل فينيل أوكسي بنزين (الشكل 3 Resnick & # 38 Gibson ، 1993). وبالمثل ، تم اختيار ثيوانيسول وإيثيل فينيل كبريتيد كمركبات تمثيلية تخضع لأكسدة السلف للتكوين المعقد والتحليل البلوري اللاحق. يحفز NDO أكسدة الكبريت لكل من هذه المركبات لتكوين سلفوكسيدات كل منهما (الشكل 3 Kerridge وآخرون. ، 1999 لي وآخرون. ، 1995). تم حل هياكل الفينيتول والثيوانيزول وإيثيل فينيل سلفيد في المركب مع NDO بدقة 1.6 و 1.4 و 1.5 & # 8197 & # 197 ، على التوالي ، وتم تلخيص تفاصيل البلورة & # 173 في الجدول 1. تين. 3 ( ب ) يُظهر ثيوانيسول مرتبطًا في الموقع النشط لـ NDO. أ 1.0 & # 963 (2 F اF ج ) تُظهر خريطة كثافة الإلكترون موقعين لذرة S ناشئين عن اتجاهين محتملين للربط (الشكل التكميلي S1). ج ). موضع واحد يضع الكبريت بالقرب من الحديد أحادي النواة على مسافة & # 87644.3 & # 8197 & # 197 ، وهي قريبة بدرجة كافية للأكسدة بواسطة الإنزيم (الشكل 3) ب ). في معقد إيثيل فينيل كبريتيد ، ذرات S و C (S & # 8212CH 2 ) تبعد 2.8 و 3.9 & # 8197 & # 197 عن الأكسجين الجزيئي ، على التوالي (الشكل 3 F ) ، بينما في معقد الفينيتول ذرات O و C (O & # 8212CH 2 ) تبعد 2.6 و 3.0 & # 8197 & # 197 عن الأكسجين الجزيئي ، على التوالي (الشكل 3 د ) ، مما يشير إلى أن إزالة التشبع وتفاعلات الألكلة لن تكون ممكنة بالنسبة لإيثيل فينيل كبريتيد ، ولم يتم ملاحظة ذلك في مقايسة التحول الأحيائي.


الشكل 3
المنتجات المكونة من NDO مع thioanisole ( أ ) ، الفينيتول ( ج ) وإيثيل فينيل كبريتيد ( ه ). يتم عرض النسب التقريبية للمنتجات المكتشفة في فحوصات التحول الأحيائي بخط مائل أسفل المنتجات. معقد NDO من النوع البري مع الفينيتول (أخضر) ( د ) ، مع إيثيل فينيل كبريتيد (أخضر) متداخل مع ذلك مع النفثالين (أرجواني) ( F ) ومع ثيوانيسول (أخضر) ( ب ) ، مع بقايا الموقع النشط لـ NDO ممثلة بالعصي مع ذرات C الخضراء. يظهر أيضًا الحديد أحادي النواة (كرة برتقالية كبيرة) وثاني أكسيد النمذجة من إدخال PDB 1o7n (كرات حمراء صغيرة).

3.4. مركب به 1-كلورو & # 173 نافثالين (إدخال PDB 4hjl)

في حالة 1-كلورونافثالين ، ثنائي هيدروكسيل NDO الحلقة غير المهلجنة. ذرات C الموجودة على نفس الجانب من الجزيء مثل ذرة Cl هي الأقرب إلى dioxygen النموذجي. ينتج عن هذا تكوين (1 ص ,2 س ) -8-chloro-1،2-dihydro & # 173naphthalene-1،2-diol كمنتج رئيسي و (1 ص ,2 س ) -5-كلورو-1،2-ثنائي هيدرونافثالين-1،2-ديول كمنتج ثانوي (الشكل 4). تم تحديد بنية NDO في مجمع مع 1-choloronaphthalene بدقة 1.5 & # 8197 & # 197. تم الإبلاغ عن جمع البيانات البلورية وإحصاءات التحسين في الجدول 1. تم العثور على 1-Chloronaphthalene مرتبطًا في وضع مشابه للنفثالين ، حيث يتفاعل مع Val209 و Leu307 أعلى وأسفل الركيزة (الشكل 4). تم العثور على ذرة Cl بالقرب من مدخل الموقع النشط في منطقة مفتوحة نسبيًا.


الشكل 4
المنتجات التي شكلتها NDO مع الكلورونافثالين. يتم عرض النسب التقريبية للمنتجات المكتشفة في فحوصات التحول الأحيائي بخط مائل أسفل المنتجات. يظهر NDO من النوع البري مع كلورونافثالين باللون الأخضر. يتم تمثيل بقايا الموقع النشط لـ NDO بواسطة العصي مع ذرات C الخضراء. يظهر أيضًا الحديد أحادي النواة (كرة برتقالية كبيرة) وثاني أكسيد النمذجة من إدخال PDB 1o7n (كرات حمراء صغيرة).

3.5 مجمعات بنزاميد (إدخال PDB 4hkv) و indole-3-acetate (إدخال PDB 4hm0)

تم تحديد هيكل NDO في مجمع مع benzamide بدقة 1.65 & # 8197 & # 197. تم الإبلاغ عن جمع البيانات البلورية وإحصاءات التحسين في الجدول 1. يربط المثبط في الموقع النشط في اتجاه واحد (الشكل 5 أ ). تشكل ذرة N من الركيزة رابطة هيدروجينية إلى الماء / الهيدروكسيد المرتبط بالحديد أحادي النواة. تتفاعل ذرة O للمثبط مع ذرة N من السلسلة الجانبية لـ Asn201 ، والتي تبعد 3.6 & # 8197 & # 197 ، وسلسلة N atom الجانبية لـ Asn297 ، والتي تبعد 4.0 & # 8197 & # 197. يؤدي هذا أيضًا إلى وضع الحلقة العطرية بين Val209 و Leu307 ، وهي البقايا التي ثبت أنها تثبت الحلقة الثانية من المواد العطرية في الموقع النشط لـ NDO والأطعمة الأخرى المماثلة (الشكل 5). أ ).


الشكل 5
( أ ) يتم تمثيل بقايا الموقع النشط لـ NDO مع ربط البنزاميد (الأصفر) بالعصي مع ذرات C الخضراء. يظهر أيضًا الحديد أحادي النواة (كرة برتقالية كبيرة) وثاني أكسيد النمذجة من إدخال PDB 1o7n (كرات حمراء صغيرة). ( ب ) بقايا الموقع النشط لـ NDO المرتبطة بـ indole-3-acetate. يظهر أيضًا الحديد أحادي النواة (كرة برتقالية كبيرة) وثاني أكسيد النمذجة من إدخال PDB 1o7n (كرات حمراء صغيرة).

تم تحديد بنية NDO في مجمع مع indole-3-acetate بدقة 1.8 & # 8197 & # 197. تم الإبلاغ عن جمع البيانات البلورية وإحصاءات التحسين في الجدول 1. يربط المثبط (منتج تناظري) في الموقع النشط في اتجاه واحد ، بناءً على كثافة الإلكترون (الشكل 5). ب ). تقوم كل من ذرات O من مجموعة الكربوكسيل للمثبط بتنسيق المعدن الحفاز ، بمسافات 2.3 و 2.1 & # 8197 & # 197 من الحديد أحادي النواة. من أجل الاتساق ، الشكل 5 ( ب ) يُظهر أيضًا ثنائي الأوكسجين المُنمَذَج. ومع ذلك ، من الواضح أن ذرات الكربوكسيل تشغل مواقع قريبة جدًا من ذرات O من ثنائي الأكسجين في مجمع الركيزة. يشكل Asn201 أيضًا رابطة هيدروجينية بإحدى ذرات الكربوكسيل O ، مما يؤدي إلى استقرار الاتجاه. تقع الحلقة العطرية المكونة من ستة أعضاء من الركيزة أيضًا بين Val209 و Leu307 ، وهي منطقة من الموقع النشط يُعتقد أنها تثبت موضع الحلقة العطرية للركيزة. تتفاعل ذرة N من indole-3-acetate مع العمود الفقري O ذرة Asp205 والسلسلة الجانبية لـ Asn297 ، مما يزيد من استقرار الاتجاه (الشكل 5). ب ).

4. مناقشة

في هذه الدراسة ، قمنا بالإبلاغ عن هياكل NDO في مجمع مع عشرة روابط مختلفة. تنتمي هذه الروابط (الركائز والمثبطات) إلى فئات مختلفة: ثمانية ركائز واثنتان مثبطات. تم تحديد العديد من المركبات الشبيهة بالإندان ، مثل الإيندين والإندول والإندانول ، على أنها ركائز لـ NDO. ثبت أن تفاعلات ثنائي هيدروكسيل ، أحادي هيدروكسيل ، وإزالة التشبع يتم تحفيزها بواسطة NDO على هذه المجموعة من المركبات (جيبسون وآخرون. ، 1995). يوضح الهيكل الذي تم الإبلاغ عنه هنا أن الإندول مثبت في الموقع النشط من خلال التفاعلات بين الركيزة N atom وجدار الموقع النشط. في حالة الإندين ، تم اكتشاف أشكال المنتجات أحادية الهيدروكسيلات وثنائي هيدروكسيل في فحوصات التحول الأحيائي. يشكل النفثالين منتجًا ثنائي الهيدروكسيل فقط ، بينما يشكل الإندين والإندان منتجات مختلفة. في حين أنه غير مرئي في الهياكل البلورية لدينا ، فإن مساحة التملص الإضافية المتاحة تسمح للركيزة بالخضوع لتغييرات طفيفة في الاتجاه. من الممكن أن تؤدي هذه التغييرات الطفيفة في الاتجاه إلى تكوين منتجات مونوهيدروكسيلاتيد أو ثنائي هيدروكسيل. كما في التقارير السابقة ، يشير هذا العمل أيضًا إلى أن الانتقائية النسبية والانتقائية الفراغية لتكوين المنتج يتم التحكم فيها عن طريق التوجيه. وبالمثل ، مع indan ، من المحتمل أن يكون اختيار إما monooxygenation أو desaturation مزيجًا من كل من التوجيه وعلم الطاقة. يتم وضع نفس ذرات C بالقرب من الحديد أحادي النواة في كلتا الحالتين. من المرجح أن يتم تحديد نسبة المنتجات المتكونة بواسطة طاقة التفاعل.

تشير هياكل NDO المعقدة مع الستايرين والإيثيل والبنزين والثيوانيسول والفينيتول وإيثيل فينيل كبريتيد إلى أن التوجيه وحده يتحكم في تسجيل المنتج & # 173 الانتقائية والانتقائية الفراغية. كل هذه الهياكل تظهر الركيزة على غرار في مواقف متعددة. في كل حالة ، تشير واحدة على الأقل من المواضع التي تم نمذجتها إلى منتج يتم تكوينه ، عادةً ما يكون ثنائي هيدروديول حلقي ، لا يتم ملاحظته في فحوصات التحول الأحيائي. في هذه الحالات ، تتنوع الذرات المحتملة في التفاعل ، وفي جميع الحالات تقريبًا يكون المنتج المتكون نتيجة لأكسدة ذرة (ذرات) أكثر تفاعلية. من الممكن أيضًا أن يكون وجود الحلقة العطرية أمرًا ضروريًا في الموقع البعيد لتنشيط الأكسجين. هذه النظرية مدعومة بدراسات لي ، حيث تؤدي إضافة البنزين إلى البروتين إلى تنشيط الأكسجين متبوعًا بتكوين جذري ، ولكن نقصًا في أي تكوين للمنتج: وهي ظاهرة وصفها المؤلفون بأنها فك اقتران نقل الإلكترون من الارتباط. الركيزة القريبة من الحديد أحادي النواة (لي ، 1999).

يرتبط بنزاميد في اتجاه واحد في الموقع النشط لـ NDO. تم افتراض أن هذا المركب يجب أن يرتبط بإحكام مع الذرات غير المتجانسة بالقرب من الحديد أحادي النواة لأن الحلقة العطرية يمكن وضعها بين Val209 و Leu307. بالإضافة إلى ذلك ، ستكون مجموعة الأميد قادرة على التفاعل مع البقايا المشحونة على جدار الموقع النشط ، أثناء تكوين روابط هيدروجينية إلى الماء / الهيدروكسيد المرتبط بالحديد أحادي النواة. تؤكد هياكل الأشعة السينية هذه الفرضية. لا توجد أمثلة على NDO الذي يحفز أكسدة المركبات التي تحتوي على مجموعة أميد ، ومن غير المحتمل ، بناءً على الأدلة الهيكلية ، أن NDO سيكون قادرًا على تحفيز أكسدة الركائز مع مجموعات الأميد التي تكون حرة في التفاعل مع الحديد أحادي النواة بكفاءة عالية . في المقابل ، NBDO-O JS765 من المحتمل أن تكون قادرة على أكسدة هذه الركائز (ليسنر وآخرون. ، 2002 فريمان وآخرون. , 2003 ).

أظهرت هياكل NDO المركبة مع المنتج أن الحديد أحادي النواة قادر على الارتباط مباشرة بركيزة ثنائي هيدروكسيل من خلال التفاعلات مع مجموعتي الهيدروكسيل (كارلسون) وآخرون. ، 2003). بناءً على هذه المعلومات ، افترضنا أن الحديد أحادي النواة يجب أن ينسق مجموعات الكربوكسيل مباشرة ، وبالتالي التحكم في اتجاه الركيزة. يوضح الهيكل الذي يحتوي على الإندول -3 أسيتات أن هذا هو الحال. لا توجد بيانات تحويل حيوي متاحة لهذا المركب ، ومع ذلك ، فإن مركبًا مشابهًا ، حمض 2-napthoic ، هو ركيزة من NDO (Brilon وآخرون. ، 1981). هذا هو المركب الوحيد المحتوي على الكربوكسيل الذي تم الإبلاغ عنه أنه تم اختباره كركيزة ، وهو فريد من نوعه فيما يتعلق بالانتقائية النسبية لتكوين المنتج: أكسدة الكربون الحلقي مع بديل الكربوكسيل جنبًا إلى جنب مع الكربون الدائري المجاور.

في حالة ثنائي فينيل ديوكسيجيناز ، أظهرت دراسات الالتحام أن الروابط يمكن أن ترتبط في العديد من المطابقات وأيضًا أن اللجند يرتبط أولاً لتشكيل منتج ويرتبط مرة أخرى ليخضع لتفاعل ثانٍ (Pham & # 38 Sylvestre، 2013 Pham وآخرون. ، 2012). من الممكن تمامًا أنه في حالة NDO ، يحدث ناتج ارتباط تفاعل واحد مرة أخرى كركيزة. تشير النسب المتعددة للمنتجات المختلفة المتكونة من نفس الركيزة إلى أنه في الجيب الكبير من NDO يمكن أن تحدث دورات متعددة من التفاعل عندما يتم تضمين ركائز أصغر: على سبيل المثال ، يمكن تحويل indan أولاً إلى indene ثم إلى monohydroxylated أو dihydroxylated منتج إندين. ومع ذلك ، نظرًا لإمكانية وجود أنماط متعددة للربط ، يمكن أيضًا تشكيل منتجات مختلفة. هذا يدعم الفكرة التي اقترحها Kovelva و Lipscomb بأن ربط الركيزة يبدأ في تكوين هيدروبيروكسيد ، والذي يهاجم الركيزة بعد ذلك (Kovaleva & # 38 Lipscomb ، 2008). من المثير للاهتمام ، عند تراكب جميع المجمعات المختلفة على بعضها البعض والنظر إلى الحجم المحتمل للجيب (الشكل 6) ، من الواضح أنه في جميع الحالات يكون الجيب مسطحًا جدًا وأن معظم الأربطة ترتبط بانحراف ضئيل جدًا . المطابقات الموضحة في الشكل 6 مأخوذة من أعمال منشورة مسبقًا وكذلك من هذه الدراسة. بينما يمكن نمذجة بعض الركائز في اتجاهات متعددة في دراستنا (الشكل التكميلي S1) ، يتم تقديم التوجهات التي قد تؤدي فقط إلى المنتجات التي تم التحقق منها في دراسات التحول الحيوي & # 173. نحن ندعي أن التوجهات الأخرى ملزمة غير منتجة وبالتالي فهي غير ذات صلة وظيفيًا. والأكثر إثارة للاهتمام ، أن تراكب جميع الهياكل المختلفة لفهم المرونة المحتملة للأحماض الأمينية في جيب ربط الركيزة يكشف أيضًا أن Leu253 و Phe224 يظهران أقصى قدر من المرونة (الشكل 7). وهذا يؤكد الفكرة القائلة بأنه من خلال تغيير عدد قليل من المخلفات في جيب الربط ، يمكن للمرء التحكم في انتقائية الركائز التي يمكن أن ترتبط بالإضافة إلى الاتجاه ، كما أوضحنا بالنسبة لـ NDO وكما تم عرضه أيضًا لـ carbazole dioxygenase (Inoue وآخرون. ، 2014 Nojiri وآخرون. ، 1999). أظهر العمل الأخير أيضًا أنه من الممكن أيضًا تحقيق الانتقائية من خلال التحكم في الدخول إلى الموقع النشط (Escalante وآخرون. , 2017 ).


الشكل 6
رسم تخطيطي ستريو لتراكب جميع الروابط التي تمت مناقشتها في المخطوطة من وجهتي نظر مختلفتين: ( أ ) عمودي على مستوى الحلقات العطرية و ( ب ) موازية لمستوى الحلقات العطرية.

الشكل 7
مخطط استريو لتراكب (من جميع الهياكل التي تمت مناقشتها في هذه المخطوطة) للمخلفات في الموقع النشط ، يوضح التغييرات في تشكيل البقايا التي تربط الحديد أحادي النواة والركيزة. تم تصنيف Fe atom و Phe202 و Leu253.

من المغري ، استنادًا إلى هذه الهياكل والتركيبات الأخرى لأكسجين Rieske التي تحفز التفاعلات المعتمدة على الأكسجين على مجموعة متنوعة من الركائز ، أن نقترح أن الدور التحفيزي الأساسي للإنزيم هو إنتاج جذور الأكسجين عند ارتباط الركيزة ، إذا كان الأكسجين الجزيئي والإلكترونات متوفرة. يتم الحفاظ على البقايا التي تثبت مجموعة Rieske وتلك التي تحتوي على مركز الحديد أحادي النواة (ثالوث 2-His / carboxylate) والاتصال بين المركزين ، بينما لا يتم حفظ البقايا التي تمسك الركيزة في الموقع النشط وتمليها نوع الركيزة (الانتقائية) واتجاه ارتباط الركيزة بالموقع النشط. ثم تلعب هذه البقايا دورًا في الطبيعة الدقيقة لتوجيه الركيزة نحو الأنواع المنتجة لجذور الأكسجين وبالتالي تحديد تكوين المنتج. نظرًا لأن العديد من هذه الإنزيمات قد تطورت لتنشيط الملوثات البيئية الخاملة لاستخدامها كمصادر للكربون ، فإن هذه الاستراتيجية التطورية تعمل على تحسين الحفاظ على الوظيفة الأساسية (توليد أنواع جذرية عالية الطاقة) ومع ذلك تسمح بالتكيف مع مجموعة متنوعة من مصادر الكربون التي قد تحتاج إلى التدهور.


تنظيم الجينات بدائية النواة في العمل

كما تعلمنا للتو ، هناك ثلاثة أنواع من الجزيئات التنظيمية التي يمكن أن تؤثر على التعبير عن العوامل: الكابتات ، والمنشطات ، والمحفزات.

  • القامعات هي بروتينات تثبط نسخ الجين استجابةً لمنبه خارجي. بعبارة أخرى ، المكبِط يحافظ على الجين & # 8220off. & # 8221
  • المنشطات هي بروتينات تزيد من نسخ الجين استجابةً لمنبه خارجي. بمعنى آخر ، يقوم المنشط بتحويل الجين & # 8220on. & # 8221
  • المحرضات هي جزيئات صغيرة إما تنشط أو تمنع النسخ حسب احتياجات الخلية وتوافر الركيزة. تساعد المحرضات بشكل أساسي في تسريع أو إبطاء & # 8220on & # 8221 أو & # 8220off & # 8221 من خلال الارتباط بقمع أو منشط. بمعنى آخر: لا يعملون بمفردهم.

في الجزء التفاعلي أدناه ، سنركز على الاختلافات بين المنشطات والمثبطات:


شاهد الفيديو: المحاضرة 13 والاخيرة. الانقسام الاختزالي الثاني. الفصل الأول (شهر نوفمبر 2022).