French
Arabic
English
Enzymes إنزيمات enzymes
Site actif موقع نشيط Active site
Triade catalytique ثلاثية تحفيزية Catalytic triad
Catalyse covalente تحفيز تساهمي Covalent catalysis

الإنزيمات. ميكانزمات التحفيز
Enzymes. Catalysis mechanisms


يتطلب التحفيز طاقة تنشيط كافية لتحويل الركيزة (الركائز) إلى منتجات. الإنزيمات (Enzymes) عبارة عن محفزات بيولوجية تقلل طاقة التنشيط اللازمة لحدوث التفاعل. ميكانزمات التحفيز (Catalysis mechanisms) عديد، نتطرق لها في هذه الصفحة

activation energy

من أين تأتي الطاقة اللازمة لتقليل طاقة التنشيط للتفاعل الأنزيمي؟
تأتي الطاقة من التفاعلات الكيميائية بين الركيزة والمجموعات الوظيفية التي يحملها الإنزيم ، مثل السلاسل الجانبية للأحماض الأمينية والأيونات المعدنية والإنزيمات المساعدة. تزيد المجموعات الوظيفية للإنزيم من المعدل الأولي للتفاعل وتقليل طاقة التنشيط (باستخدام مسار تفاعل طاقة أقل). يأتي المصدر الثاني لإنتاج الطاقة اللازمة لخفض طاقة التنشيط من التفاعلات الضعيفة غير التساهمية بين الإنزيم والركيزة. وبالتالي ، تسهل الإنزيمات تكوين أنواع الحالة الانتقالية داخل التفاعل وتسريع معدل التفاعل بمقدار مليون مرة مقارنة بالتفاعلات غير المحفزة.


1. تحفيز إنزيمي حمضي-قاعدي
Enzymes. Acid-base catalysis

في الإنزيمات ، هناك ثلاثة أنواع رئيسية من الأحماض الأمينية تشارك في التحفيز الحمضي أو القاعدي. يمثلهم:
- الأطراف الحمضية الأسبارتات أو الجلوتامات التي يمكنها توفير بروتون عند درجة الحموضة 7.0 ،
- الأطراف القاعدية مثل Lysine أو Arginine التي تلتقط بروتونًا عند درجة الحموضة 7.0 و
- الهيستيدين والذي يمكن أن يعمل كأمفوتير.
معرفة الـ pK للسلاسل الجانبية لهذه الأحماض الأمينية ضرورية لفهم العديد من الآليات.
يشارك التحفيز الحمضي القاعدي في أي آلية تفاعل تتطلب نقل البروتون من جزيء إلى آخر. من الشائع جدًا رؤية هذه الآلية جنبًا إلى جنب مع التحفيز التساهمي (Covalent catalysis) حيث يتم تنشيط العديد من النيوكليوفيل عن طريق إزالة البروتون ، بما في ذلك المجموعات الوظيفية للكحول والثيول والأمين. يمكن تجميع الإنزيمات التي تستخدم التحفيز الحمضي القاعدي بشكل أكبر في تفاعلات حمض-قاعدة محددة أو تفاعلات حمض-قاعدة عامة. يحدث تحفيز حمضي محدد أو تحفيز قاعدي محدد إذا تم استخدام أيون الهيدرونيوم (H3O +) أو أيون الهيدروكسيد (OH-) ، على التوالي ، مباشرة في آلية التفاعل ، وكان الرقم الهيدروجيني للمحلول يؤثر على معدل التحفيز. تحدث التفاعلات الحمضية والقاعدة العامة عندما تكون الجزيئات غير أيون الهيدرونيوم (H3O +) أو أيون الهيدروكسيد (OH-) مصدرًا للتبرع بالبروتون أو قبوله.

acid base catalysis

يعتبر التحفيز الحمضي القاعدي العام الآلية الأكثر شيوعًا في التحفيز الإنزيمي. ينتج تسريع التفاعل عن انتقال البروتون. يمكن أن يأتي هذا البروتون من زوج إيميدازول من سلسلة جانبية هيستيدين. يتأثر النشاط التحفيزي للأنزيمات من هذا النوع بدرجة كبيرة بالرقم الهيدروجيني (pH).


2. التحفيز التساهمي عند الإنزيمات
Enzymes. Covalent catalysis

الربط البسيط للركائز على الموقع النشط من خلال رابطة ضعيفة ( L. الهيدروجين، ...) لا يمكنها جلب الطاقات الكافية لتزويد جزيئات الركائز بطاقة التنشيط الكاملة للـ رد الفعل الأولي. يمكن توفير هذه الطاقة من خلال احتمالين أساسيين:
- تكوين روابط تساهمية إنزيم-ركيزة
- تكوين مجمعات وسيطة متتالية حيث يكون لكل خطوة طاقة تنشيط منخفضة نسبيًا.

يتعلق التحفيز التساهمي (التحفيز المحب للنووية) بشكل أساسي بالتفاعلات الأنزيمية مع العديد من الركائز (حوالي 20٪ من الإنزيمات وجميع الإنزيمات التي تحفز آلية مع ركيزتين من النوع ' بينغ-بونغ '). يتم نقل أثر الركيزة الأولى إلى الإنزيم عبر تشكيل رابطة تساهمية إنزيم-ركيزة (إنزيم عابر). ثم يتم نقل أثر الركيزة الأولى إلى الثانية.


الثالوث التحفيزي عند الإنزيمات
Enzymes. Catalytic triad

الطريقة الشائعة لإنتاج البقايا المحبة للنووية (Nucleophilic residues) من أجل التحفيز التساهمي (Covalent catalysis) هي من خلال ثالوث محب للنووية-حمض- قاعدة توفره ثلاثة أحماض أمينية تنتمي إلى الإنزيم كبروتين. تشكل هذه البقايا شبكة نقل الشحنة التي تستقطب وتنشط البقايا المحبة للنووية، والتي تهاجم الركيزة (Substrate) التي تشكل مع الإنزيم وسيطًا تساهميًا (Covalent intermediate) الدي يتم تحلله بعد ذلك لتحرير الإنزيم مرة أخرى. بشكل عام، يمكن للثالوث التحفيزي أن يشير إلى أي مجموعة من ثلاث وحدات بنائية تعمل معًا وتشارك بشكل مباشر في التحفيز. نظرًا لأن الإنزيمات تطوى إلى أشكال معقدة ثلاثية الأبعاد، يمكن أن تكون بقايا الثالوث التحفيزي بعيدة عن بعضها البعض في البنية الأولية للإنزيم، ومع ذلك يتم تقريبها معًا في البنية الثلاثية البعد. في الصورة التالية لبروتياز فيروس حرق التبغ (TEV protease)، الحمض يمثلة الحمض الأسبارتي (Acid = aspartic acid)، القاعدة يمثلها الهيستيدين (base = Histidine) والمحب للنووية يمثله السيستيين (Nuc = Cysteine)

catalytic triad

In enzyme catalysis, the catalytic triad refers to the three amino acid residues of the active site that function together and are directly involved in catalysis. The enzymes concerned may be certain hydrolases and transferases such as peptidases, amidases, esterases, lipases and β-lactamases.
An acid–base–nucleophile triad produces nucleophilic residues for covalent catalysis. Catalytic triad for certain protease enzymes involves serine (S), aspartate (D) and histidine (H). The three amino acids work together to break peptide bonds on polypeptides. Because enzymes fold into complex three-dimensional shapes, the residues of a catalytic triad can be far from each other in the primary structure. However, they are brought close together in the tertiary structure (3D structure).

العناصر المكونة للثالوث التحفيزي

- محبي النووية : محبي النووية الأنزيمية الرئيسية هي الهيدروكسيل OH لمجموعة الكحول من السيرين والسلفهيدريل SH من مجموعة thiol أو S - أيون ثيولات السيستين. إن تضمين هذه العناصر المحبة للنووية (نيوكليوفيلات) في ثالوث محفز يزيد من نشاطها.
- القاعدة : تشتمل الثالوثات التحفيزية على قاعدة تقوم بقطبية محب النووية وتزيله البروتون من أجل زيادة تفاعله، لأنه لا يوجد حمض أميني طبيعي محب للنووية بدرجة كافية لتحفيز التفاعلات الكيميائية بمفردها. بشكل عام ، تلعب بقايا الهيستيدين الدور الأساسي في الثالوثات التحفيزية
- الحمض : تُستخدم بقايا الحمض في قطبية البقايا القاعدية. يشمل الحمض بشكل عام بقايا الأسبارتات أو الجلوتامات. قد تقتصر بعض الإنزيمات فقط على "ثنائية محفزة" (عوض الثلاثية)، عندما لا يكون المكون الحمضي ضروريًا لتحفيز بعض بروتينات السيستيين.
أمثلة على الثلاثيات التحفيزية (بترتيب nucleophile-base-acid):
- ثالوث Ser-His-Asp في كيموتربسين
- ثالوث Cys-His-Asp في بروتياز السيستين
- ثالوث Ser-His-His في بيبتيداز الفيروس المضخم للخلايا (Cytomegalovirus)

enzymes. catalytic triad

يُطلق على التحفيز التساهمي أيضًا التحفيز محب النووية :
- ينطوي على رفع السرعة عن طريق التكوين الظرفي لـ رابطة تساهمية بين الإنزيم وواحدة أو أكثر من الركائز.
- يصبح الإنزيم المعدل بعد ذلك متفاعلًا قبل العودة إلى حالته الأصلية عند نهاية التفاعل.
التحفيز التساهمي يتعلق بشكل أساسي بـ الإنزيمات الناقلة (Transferases) . البقايا الأكثر تداولا هي:
- مجموعة إيميدازولللهيستيدين (His) ،
- مجموعة ثيول من السيستايين (Cys) ،
- مجموعة الهيدروكسيل للسيرين (Ser).


الكيموتريبسين. مثال للميكانزمات التحفيزية المبنيةعلى كلٍ من التحفيز حمض-قاعدة و التحفيز التساهمي
chymotrypsin. An example of catalytic mechanisms based on both acid-base catalysis and covalent catalysis

الكيموتريبسين هو بروتياز يحفز تكسير رابطة الببتيد مع تفضيل الأحماض الأمينية Tyr و trp و Phe و Leu ( أحماض أمينية كارهة للماء). إنه جزء من عائلة سيرين بروتياز ، التي لها موقع نشط مماثل (تجويف كاره للماء). يتم تخليقه في شكل غير نشط من قبل البنكرياس. ثم ينتج الشكل النشط في الأمعاء الدقيقة.
يتكون الثالوث التحفيزي لبروتياز السيرين من الأسبارتات 102 (D102) كحمض والهيستيدين 57 (H57) كقاعدة والسيرين 195 (S195) باعتباره نيوكليوفيلا.
التحلل المائي للركائز النموذجية بواسطة الكيموتريبسين تحفيزًا حمضيًا قاعديًا بواسطة بقايا إيميدازول.

إنشاء وسيط تساهمي إنزيم-أسيل: الكيموتربسين (بروتياز) كمثل :
يحدث التفاعل المحفز بواسطة الكيموتريبسين على مرحلتين ، الأسيلة (Acylation) ونزع الأسيلة (Deacylation). تدخل جزيء الماء مهم.
انظر شكل تشكيل وفك معقد أسيل-إنزيم عند الكيموتريبسين فوق موقع تكوين


Share this information on social media تبادل المعلومة عبر المواقع الإجتماعية
facebook Twitter Linkedin whatsApp email icon

3. التحفيز الإنزيمي المعتمد على المعادن
Metal-dependent enzymatic catalysis

- الأنزيمات المعدنية التي تمتلك أيونات معدنية شديدة الارتباط مثل Fe 2+ و Fe 3+ و Cu 2 + أو Zn 2+ أو Mn 2+ أو Mo 2+ أو Co 2+ .
تشارك الأيونات في التحفيز بأربع طرق رئيسية:
1) ربط الركائز من أجل توجيهها.
2) تسهيل تفاعلات الأكسدة والاختزال من خلال التغييرات العكسية لحالتهم التأكسدية.
3) العمل كمحفز محب للإلكترونات عن طريق تثبيت شحنة سالبة على وسيط تفاعل. هذا هو الحال مع كينازات.
4) إنشاء نيكليوفيل عن طريق زيادة حموضة الجزيء المجاور ، على سبيل المثال: التنسيق بواسطة المعدن يجعل جزيئات الماء أكثر حمضية وبالتالي مصدر OH - عند درجة حموضة متعادلة. هذه هي حالة الأنهيدراز الكربوني

- يتم تنشيط الإنزيمات بواسطة أيونات معدنية ضعيفة الترابط في محلول مثل Na + ، K + أو Mg 2+ أو Ca 2+ .
مثل للتحفيز المعتمد على المعادن. أنهيدراز الكربونيك.
1. تنسيق جزيء الزنك بواسطة ثلاث هيستيدين وجزيء ماء. يتم تسهيل تأين جزيء الماء عن طريق التحفيز القاعدي العام الذي تتدخل فيه بقايا الهيستيدين -64 المجاورة.
2. هجوم نوكليوفيلي بواسطة OH- تجاه CO2 والتحول إلى HCO3-.
3. تجديد الموقع التحفيزي عن طريق ربط جزيء آخر من الماء قبل إطلاق HCO3- لتشكيل مركب زنك وسيط: مركب خماسي التنسيق ثم إطلاق HCO3-.

carbonic anhydrase

4. التحفيز عن طريق تأثيرات القرب والتوجيه
Catalysis by proximity and orientation effects

أثناء التحفيز (تحويل الركائز إلى نواتج) ، يمكن التخيل أن التحول يسبقه تأثير تحديد الموضع والقرب حيث تكون الجزيئات X و Y مرتبطة ببعضها البعض عن طريق الإنزيم (E). كل شيء يحدث كما لو:
- كانت تركيزات عالية بما يكفي لأن تكون احتمالية مواجهتهم عالية جدًا.
- تم وضع المجموعات التفاعلية للركائز المفعلة في موضعها الصحيح للتفاعل.

proximity
اختبار - Quiz

سؤال 1 - Q1. يتم إجراء التحفيز عن طريق قبول البروتون بواسطة:
catalysis by proton acceptance is carried out by:

(!حمض acide)(قاعدة base)(!إنزيم enzyme)

سؤال 2 - Q2. اختر المعلومات الخاطئة المتعلقة بالتحفيز الحمضي القاعدي:
Choose the FALSE information regarding acid-base catalysis:

(!تحفز القواعد التفاعل بقبول البروتون
Bases catalyze the reaction by accepting a proton
)(!تزيد القواعد من معدل التفاعل عن طريق زيادة النوكليوفيلية للمجموعة المهاجمة
Bases increase the reaction rate by increasing the nucleophile character of the attacking group
)(يجعل التحفيز الحمضي القاعدي المواد المتفاعلة قريبة من بعضها البعض
Acid-base catalysis makes reactants close to each other
)

سؤال 3 - Q3.في التحفيز التساهمي ، تتشكل الرابطة التساهمية عادةً عن طريق تفاعل مجموعة النوكليوفيل على المحفز (إنزيم) مع مجموعة إلكتروفيل على الركيزة.
In covalent catalysis, the covalent bond is usually formed by the reaction of a nucleophilic group on the catalyst (enzyme) with an electrophilic group on the substrate.

(صحيح - True)(!خطأ - False)

سؤال 4 - Q4. أي مما يلي لا يدخل في عملية التحفيز التساهمي؟
Which of the following is not involved in covalent catalysis ?

(سلسلة جانبية حمضية من الإنزيم الذي يحفز التفاعل عن طريق نقل البروتون
Acidic side chain of the enzyme which catalyze the reaction by proton transfer
)(!مجموعة وظيفية نوكليوفيلية غنية بالإلكترونات عند السلسلة الجانبية للأحماض الأمينية في الإنزيم
Electron rich nucleophilic function group of amino acid side chain in the enzyme
)(!جزء من إلكتروفيل قليل الإلكترون في الركيزة
Electron deficient electrophilic portion of substrate
)(!تشكيل عابر للرابطة التساهمية إنزيم-ركيزة
transient formation of enzyme-substrate covalent bond
)

سؤال 5 - Q5. يحتوي الثالوث التحفيزي لمعظم سيرين بروتياز على بقايا Asp و His و Ser. أي مما يلي صحيح؟
The catalytic triad of most Serine proteases contains an Asp, His and Ser residue. Which of the following is true?

(يتم استخدام بقايا Ser في هجوم نوكليوفيلي على رابطة الببتيد.
The Ser residue is used in a nucleophilic attack on the peptide bond.
)(!بقايا Asp هي المسؤولة عن خصوصية الركيزة من التربسين.
The Asp residue is responsible for the substrate specificity of Trypsin.
)(!بقايا His مسؤولة عن خصوصية الركيزة للتربسين.
The His residue is responsible for the substrate specificity of Trypsin.
)(!يتم استخدام بقايا Asp في هجوم محفز بالحمض على رابطة الببتيد.
The Asp residue is used in an acid catalyzed attack on the peptide bond.
)

سؤال 6 - Q6. النيوكليوفيل في سيرين بروتياز هو:
The nucleophile in serine proteases is:

(Ser.)(ماء - Water.)(!Asp.)(!His.)

سؤال 7 - Q7.
يتم تنشيط النوكليوفيل في سيرين بروتياز بشكل أساسي عن طريق:
The nucleophile in serine proteases is activated primarily by:

(!Ser.)(!الماء - Water.)(!Asp.)(His.)


تفاصيل الإجابات
Response details

Q 1: تحفز القواعد التفاعل بقبول البروتون ، بينما تتبرع الأحماض بالبروتون. الإنزيمات عبارة عن محفزات بيولوجية تزيد من معدل التفاعل دون الخضوع لأي تعديل.

Q 2: خطأ: "لجعل المتفاعلات قريبة من بعضها البعض". ينطبق هذا على تحفيز تأثير القرب وتحديد المواقع ، وليس التحفيز الحمضي القاعدي. المعلومات التالية صحيحة بالنسبة للحفز الحمضي القاعدي:
• تحفز القواعد التفاعل بقبول البروتون ، بينما تتبرع الأحماض بالبروتون.
• تزيد القواعد من معدل التفاعل عن طريق زيادة الطابع النوكليوفيلي للمجموعة المهاجمة.
• التحفيز النوعي لأيونات هيدروكسيد في التفاعل في الماء هو مثال على هذا النوع من التحفيز

Q 4: في التحفيز التساهمي، تهاجم المجموعة النوكليوفيلية (التي يمكنها التبرع بالإلكترونات والتي تنتمي إلى الإنزيم) المجموعة المحبة للإلكترونات (Electrophile) (يمكن للمجموعة قبول الإلكترونات) مما يؤدي إلى تكوين رابطة تساهمية ظرفية.
تذكير : النوكليوفيل عبارة عن ذرة أو مجموعة وظيفية بها زوج من الإلكترونات (عادةً ما يكون زوجًا منفردًا أو غير مترابط) يمكن مشاركتهما. يشترك محبي النواة (Nucleophiles) في زوجها الوحيد من الإلكترونات مع محب للإلكترون (ذرة تفتقر إلى الإلكترون غير الهيدروجين ، وعادة ما يكون الكربون).
In covalent catalysis , Nucleophilic group (group can donate electrons) usually at enzyme attacks electrophilic group (group can accept electrons) which result in formation of transient covalent bond.
Reminder: A nucleophile is an atom or functional group with a pair of electrons (usually a non-bonding, or lone pair) that can be shared. A nucleophile shares its lone pair of electrons with an electrophile (an electron-poor atom other than a hydrogen, usually a carbon).

nucleophile

روابط مفيدة - useful links


- إنزيمات. لائحة enzymes-enzymology-index
- الإنزيمات. تنقية وتطبيقات - Enzymes. Purification and applications
- الإنزيمات. البنيات الوظيفية والموقع النشيط - Enzymes. Functional structures and active site
- حركية الإنزيمات وفق ميكايليس-منت الثوابت Km و Vmax والتعبيرات المختلفة للنشاط الأنزيمين - Enzymes. Michaelis-Menten kinetics, Km and Vmax parameters and different expressions of enzymatic activity
- MECANISMES MOLECULAIRES DE LA CATALYSE BIOLOGIQUE ET IMPORTANCE DU SITE ACTIF DES ENZYMES
- CATALYSE. INTERACTION MOLECULAIRE ENZYME-SUBSTRAT.
- CATALYSE. INTERACTIONS MOLECULAIRES ENZYME SUBSTRAT-
- ACTIVATEUR (A)
- ENZYMES ALLOSTERIQUES



Adresse

Faculty of Sciences, Cadi Ayyad University
Marrakech, 40000, Morocco

CONTACT FORM

Email: baaziz@uca.ac.ma
Phone: 212524434649 (post 513)
Fax: 212524434669

إنزيمات. ميكانزمات التحفيز الإنزيمي - Enzymes. Catalysis mechanisms