عوامل موثر بر فعالیت آنزیم ها – به زبان ساده

عوامل موثر بر فعالیت آنزیم ها را می‌توان به سه دسته عوامل زیستی، عوامل فیزیکی و عوامل شیمیایی تقسیم کرد. با توجه به نقش حیاتی آنزیم‌ها در اکثر واکنش‌های زیستی، بررسی تمام عواملی که می‌توانند فعالیت آنزیم‌ها را بیشتر یا کمتر کنند از اهمیت بالایی برخوردار است. در این مطلب از مجله فرادرس این عوامل موثر بر فعالیت آنزیم‌ ها را می‌شناسیم و بررسی می‌کنیم هر یک از آن‌ها چطور این مولکول‌های زیستی را تحت تاثیر قرار می‌دهند.

عوامل موثر بر فعالیت آنزیم ها

عوامل موثر بر فعالیت آنزیم ها می‌توانند واکنش‌های زیستی بدن را تحت تاثیر قرار بدهند. ازجمله این عوامل می‌توان به مواردی که در ادامه نام می‌بریم، اشاره کرد.

• غلظت آنزیم
• غلظت سوبسترا
• pH
• دما
• مهارکنندگان
• سن
• سلامتی

فیلم آموزش زیست شناسی ۳ – پایه دوازدهم – بخش دوم در فرادرس

کلیک کنید

فعالیت آنزیم‌های مختلف، به صورت یک زنجیره به پیش می‌رود تا مسیر‌های متابولیسمی خاصی را شکل دهند که در سلول اثرات مهمی دارند. بنابراین می‌توان گفت عوامل موثر بر فعالیت آنزیم ها قادر هستند که فعالیت زیستی یک سلول را به خطر بیاندازند یا در مقابل، آن را بهبود ببخشند. این عوامل نام‌ برده را می‌توان به سه دسته کلی تقسیم کرد که در جدول زیر آن‌ها را آورده‌ایم.

دلیل اهمیت مطالعاتی این عوامل در شناخت نقش آنزیم‌ها نهفته است. «آنزیم» (Enzyme) مولکولی زیستی است که برای افزایش سرعت به عنوان کاتالیزور واکنش‌های شیمیایی عمل می‌کند. در صورتی که قصد کسب اطلاعات بهتر در مورد آنزیم‌ها را دارید، مطالعه مطلب «آنزیم چیست؟ — به زبان ساده» از مجله فرادرس را به شما پیشنهاد می‌کنیم.

غلظت آنزیم

پیوندی که بین آنزیم‌ها و سوبستراها برقرار می‌شود گذرا هستند، اما می‌توانند با کاهش انرژی فعال‌سازی و تثبیت حالت‌ گذار، واکنش‌ها را کاتالیز کنند. دو سطح متفاوت غلظت آنزیمی را در نظر بگیرد.

1. غلظت آنزیمی بالا
2. غلظت آنزیمی پایین

با افزایش بیش از حد غلظت سوبستراها و کوفاکتورهای مورد نیاز آنزیم، واکنش‌های آنزیمی که غلظت آنزیمی بالایی دارند سریع‌تر از واکنش‌هایی با غلظت آنزیمی پایین، به پایان رسیده و محصولات واکنش را تولید می‌‌کنند. بنابراین می‌توان نتیجه‌گیری کرد که افزایش غلظت آنزیم در یک واکنش می‌تواند باعث افزایش کمپلکس آنزیم-سوبسترا و افزایش سرعت واکنش شود، به این ترتیب سرعت تولید فرآورده‌ها نیز افزایش می‌یابد.

غلظت سوبسترا

فعالیت کاتالیستی آنزیم زمانی رخ می‌دهد که سوبسترا با آنزیم از لحاظ هندسی و الکترونیکی متصل شوند. سوبسترا به بخشی از آنزیم متصل می‌شود که با عنوان «جایگاه فعال» (Active Site) می‌شناسیم. در این جایگاه بخش‌هایی از ساختار مولکولی آنزیم با سوبسترا پیوند‌های موقت برقرار می‌کنند و به این ترتیب بستری برای تبدیل سوبسترا به محصول مدنظر فراهم می‌شود. بنابراین، هر چه سوبستراهای بیشتری برای اشغال کردن جایگاه فعال وجود داشته باشد، فعالیت کاتالیزوری آنزیم افزایش می‌یابد.

بیشتر آنزیم‌ها از معادله میکائیلیس منتن پیروی می‌کنند که ارتباط بین فعالیت آنزیم و غلظت سوبسترا را برای ۲ دسته آنزیم توصیف می‌کند.

1. در دسته اول ارتباط بین آنزیم و غلظت سوبسترا خطی بوده و زمانی که جایگاه‌های فعال خالی می‌شوند، نمودار فعالیت آنزیمی در یک سطح ثابت و بدون تغییر پیش می‌رود.
2. دسته دوم آنزیم‌ها که «آلوستریک» نام دارند، آنزیم‌هایی تنظیم‌کننده هستند و با پاسخ به فعال‌کننده‌ها و مهارکننده‌ها، فعالیت مسیرهای متابولیسمی را کنترل می‌کنند. در این آنزیم‌ها بین سرعت واکنش و غلظت سوبسترا یک رابطه سیگموئیدی (S شکل) وجود دارد.

در تصویر فوق دو نمودار وجود دارد که در نمودار ۱ رابطه میکائیلیس منتون در مورد اکثر آنزیم‌ها و در نمودار ۲ رابطه سیگوئیدی بین غلظت و سرعت در آنزیم‌های آلوستریک قابل مشاهده است.

دما و pH

عوامل محیطی متعددی می‌توانند جزو عوامل موثر بر فعالیت آنزیم ها دسته‌بندی شده و در ساختار پروتئين‌ها تغییراتی ایجاد کنند. در اصل این تغییرات در ساختار پروتئین به دو صورت برگشت‌پذیر یا برگشت‌ناپذیر اتفاق می‌افتند. دما و pH از جمله این عوامل هستند که شناخت کاملی از آن‌ها و اثراتشان داریم. اگر می‌خواهید اطلاعات بیشتر و بهتری نسبت به آنزیم‌ها داشته باشید، می‌توانید از فیلم آموزش آنزیم شناسی – جامع و با مفاهیم کلیدی فرادرس کمک بگیرید که لینک آن را نیز در ادامه آورده‌ایم.

فیلم آموزش آنزیم شناسی – جامع و با مفاهیم کلیدی در فرادرس

کلیک کنید

pH

بیشتر آنزیم‌ها pH دلخواه خود را دارند که به آن‌ها کمک می‌کند تا بیشترین فعالیت خود را داشته باشند. محدوده بالاتر و پایین‌تر از این pH دلخواه باعث کاهش فعالیت آنزیم و حتی در موارد اختلاف pH شدید منجر به توقف فعالیت آنزیم می‌شوند. برای مثال در تصویر زیر می‌بینیم که آنزیم «بتا-گلوکوسیداز» (β-Glucosidase) در pH=۴٫۸ بیشترین میزان فعالیت را دارد و در صورت افزایش یا کاهش pH نمی‌تواند به اندازه کافی موثر باشد. در pHهای پایین‌تر از ۳٫۵ و بالاتر از ۶٫۴ نیز به طور کامل غیرفعال می‌شود.

سطح pH به عوامل متعددی وابسته است. با تغییر pH، یونیزاسیون گروه‌های مولکولی موجود در جایگاه فعال آنزیم و سوبسترا دچار تغییر می‌شود و به این ترتیب میزان اتصال سوبسترا به جایگاه فعال تحت تاثیر قرار می‌گیرد. این اثرات روی فعالیت آنزیم‌ها به طور معمول برگشت‌پذیر هستند. برای مثال، اگر آنزیمی را که محدود pH مطلوب آن ۷ است به محیطی با pH ۶ یا ۷ اضافه کنیم،

ترکیب یونی آنزیم و سوبسترا ممکن است در شرایط نامطلوب قرار بگیرد، در نتیجه میزان اتصال آنزیم و سوبسترا و در پی آن سرعت واکنش کاهش می‌یابند. با کم شدن سرعت واکنش میزان وقوع واکنش کاهش می‌یابد و فعالیت‌های زیستی مربوطه دچار اختلال می‌شوند.

اگر pH محیط را به مقدار بهینه یعنی ۷ برسانیم، ترکیب یونی مناسب فراهم می‌شود، در نتیجه میزان فعالیت آنزیم به بالاترین حد خودش بازمی‌گردد. شاید برای شما سوال پیش بیاید که اگر آنزیم‌ها را در محیط‌های اسیدی یا بازی قوی‌تری قرار دهیم چه اتفاقی می‌افتد؟ آیا می‌توان باز هم فعالیت آنزیم را بازیابی کرد؟

در pHهایی مانند ۱ یا ۱۴ ممکن است در ساختار کووالانسی پروتئین‌ها (کنفیگاریسیون) تغییری ایجاد نشود اما امکان دارد در شکل فضایی پروتئین (کنفورماسیون) تغییراتی ایجاد شود که پس از بازگشتن به pH=۷ نتواند فعالیت خود را از سر بگیرد.

گاهی ممکن است pH بهینه یک آنزیم با pH درون سلولی یکی نباشد و از این موضوع می‌توان نتیجه گرفت که pH محیط می‌تواند فعالیت آنزیم را کنترل کند و یکی از راه‌های سلول‌ها برای کنترل فعالیت آنزیم‌ها یا اختصاصی‌سازی آن‌ها برای یک محیط خاص مانند فعالیت درون یک اندامک به خصوص، تفاوت pH است. در جدول زیر چند آنزیم انسانی را به همراه فعالیت و pH دلخواه آن‌ها به عنوان مثال آورده‌ایم.

دما

گفتیم که دما ازجمله عوامل موثر بر فعالیت آنزیم ها است اما اثر دما بر فعالیت آنزیمی کمی پیچیده بوده و می‌توان آن را متشکل از دو نیرویی در نظر گرفت که به طور همزمان اما در جهت مخالف اثر خود را روی فعالیت آنزیم اعمال می‌کنند. با افزایش دما، سرعت حرکت مولکولی و در نتیجه سرعت واکنش بالا می‌رود. اما در همین زمان به دلیل دناتوره شدن پروتئین، احتمال غیرفعال شدن پروتئین افزایش می‌یابد.

تاثیر دناتوراسیون با افزایش دما واضح‌تر می‌شود، بنابراین برای فعالیت آنزیم‌ها یک دمای بهینه تعریف می‌شود که در این دما آنزیم در بالاترین میزان فعالیتش قرار دارد و خطر از دست دادن ساختار فضایی نیز تهدیدش نمی‌کند.

تغییر ساختار پروتئین به دلیل افزایش دما که با عنوان «دناتوراسیون حرارتی» (Thermal Denaturation) شناخته می‌شود، به زمان وابسته است. برای یک آنزیم «دمای بهینه» اصطلاح دقیقی نیست، زیرا برای تعیین دمای دقیق، نیاز است که مدت زمان قرار گرفتن در معرض آن دمای خاص، ثبت شود. پایداری حرارتی یک آنزیم را می‌توان با قرار دادن پروتئین در محدوده‌ای از دماهای متفاوت در یک دوره زمانی مشخص اندازه‌گیری کرد، با بررسی داده‌های این مرحله می‌توان متوجه شد که آنزیم در چه دمایی بالاترین میزان فعالیت را داشته است،‌به این ترتیب دمای مطلوب تعیین می‌شود.

دمایی که منجر به دناتوره شدن آنزیم‌ها می‌شود برای هر آنزیم متفاوت است. به طور معمول در دماهای پایین‌تر از ۳۰ درجه سانتی‌گراد میزان دناتوراسیون جزئی است. در دماهای بالاتر از ۴۰ درجه سانتی‌گراد شدت دناتوراسیون آنزیم‌ها قابل ملاحظه می‌شود.

در اکثر موارد آنزیم‌هایی با منشا میکروبی پایداری حرارتی بیشتری نسبت به دو دسته از آنزیم‌ها نشان می‌دهند که در ادامه آن‌ها را نام برده‌ایم.

• آنزیم‌های پستانداران
• آنزیم‌های میکروارگانیسم‌های بسیار گرمادوست

آنزیم‌های میکروارگانیسم‌هایی که به شدت گرمادوست هستند ممکن است در دمای ۷۰ درجه سانتی‌گراد پایداری حرارتی داشته باشند ولی تا دمای ۱۰۰ درجه سانتی‌گراد نیز میزان قابل توجهی از فعالیت خود را حفظ کنند. از جمله این آنزیم‌ها می‌توان به «thermolysin» و «Taq پلیمراز» اشاره کرد.

در جدول زیر دما و pH بهینه انواع مختلف آلفا آمیلاز استخراج شده از موجودات گوناگون را آورده‌ایم تا دید واضحی نسبت به تفاوت دمای مطلوب انواع مختلف یک آنزیم، به دست آورید.

یادگیری بیوشیمی آنزیم‌ ها با فرادرس

بیوشیمی به معنی شیمی حیات است که علمی میان‌رشته‌ای است. زیست‌شناس‌ها و شیمی‌دان‌ها در پیشبرد این علم با یکدیگر همکاری دارند و روز به روز مطالعات مربوط به بیوشیمی گسترده وسیع‌تری از مطالعات علمی را در بر می‌گیرد.

تا اینجای این مطلب از مجله فرادرس تعدادی از عوامل موثر بر فعالیت آنزیم ها را شناختیم، آنزیم‌ها ازجمله مهم‌ترین مولکول‌های زیستی هستند، بنابراین علم بیوشیمی با بررسی دقیق آن‌ها اطلاعات کاملی راجع به بسیاری از واکنش‌های سلول‌ را در اختیار دانشمندان قرار می‌دهد. فرادرس در فیلم‌های آموزشی متفاوتی که تهیه و منتشر کرده است به بررسی فعالیت آنزیم‌ها در موضوعات مختلف نیز پرداخته است. در ادامه تعدادی از این دوره‌ها را معرفی می‌کنیم.

• فیلم آموزش جامع و به زبان ساده بیوشیمی عمومی فرادرس
• فیلم آموزش بخش شیمی علوم تجربی پایه هشتم فرادرس
• فیلم آموزش رایگان ساختار ماکرومولکول های زیستی فرادرس
• فیلم آموزش جامع و با مفاهیم کلیدی آنزیم شناسی فرادرس
• فیلم آموزش بیوشیمی ویتامین ها و هورمون ها فرادرس

فرادرس فیلم‌های آموزشی متنوعی در زمینه‌های مختلف زیست شناسی منتشر کرده است که در صفحه مجموعه فیلم‌های آموزش زیست شناسی فرادرس می‌توانید با آن‌ها آشنا شوید.

• مجموعه فیلم‌های آموزش زیست شناسی – از دروس دانشگاهی تا کاربردی فرادرس

مهارکنندگان

موادی که فعالیت کاتالیزی آنزیم‌ها را کاهش می‌دهند به عنوان «مهارکنندگان» (Inhibitors) شناخته می‌شوند. آن‌ها به صورت مستقیم یا غیرمستقیم خواص جایگاه فعال آنزیم را تحت تاثیر قرار می‌دهند. مهارکننده‌ها ممکن است موادی خارج سلولی یا از اجزای خود سلول باشند. مواد درون سلولی که به عنوان مهارکننده نیز فعالیت می‌کنند، امکان دارد که از اجزای بسیار مهم مسیرهای تنظیم متابولیسم سلول باشند.

فیلم آموزش آنزیم شناسی – جامع و با مفاهیم کلیدی در فرادرس

کلیک کنید

بسیاری از سم‌ها و داروها (داروهای غیرقانونی و داروهای تجویز شده و حتی داروهای بدون نسخه) فعالیت مهاری دارند و آنزیم‌های خاصی را مهار می‌کنند. مهار آنزیم‌ها را می‌توان به دو صورت متفاوت گروه‌بندی کرد. دسته اول بر اساس برگشت‌پذیر بودن یا نبودن فعالیت آنزیم است که به دو دسته تقسیم می‌شوند.

1. مهار برگشت‌پذیر
2. مهار برگشت‌ناپذیر

دومین روشی که می‌توان مهار آنزیمی را دسته‌بندی کرد بر اساس شیوه تعامل مهارکنندگان با سوبسترا است.

1. «مهار رقابتی» (Competitive Inhibition)
2. «مهار غیر‌رقابتی» (Non-Competitive Inhibition)
3. «مهار نارقابتی» (Uncompetitive Inhibition)

در ادامه تمام این موارد را با ذکر مثال معرفی و بررسی می‌کنیم.

مهار برگشت‌پذیر

در مهار برگشت‌پذیر، مهارکنندگان پیوندهای ضعیفی با آنزیم برقرار می‌کنند، این پیوندها از جنس پیوندهای غیرکووالانسی هستند. به دلیل ضعیف بودن این دسته از پیوندها، ارتباط آنزیم و مهارکنندگان می‌تواند به سادگی قطع شوند و آنزیم به فعالیت عادی خود برگردد. این مهارکنندگان ممکن است تغییر ساختاری در آنزیم‌ها ایجاد کنند، امکان هم دارد که موجب تغییر ساختار آنزیم نشوند.

مهار برگشت ناپذیر

مهارکنندگان برگشت‌ناپذیر از طریق پیوندهای شیمیایی محکم مانند پیوندهای کووالانسی به آنزیم‌ها متصل می‌شوند، بنابراین ارتباط بین مهارکننده و آنزیم قطع نشده و آنزیم به فعالیت عادی باز نمی‌گردد. این ارتباط بین ماده مهارکننده و آنزیم منجر به تغییرات ساختاری شدید در آنزیم و به خصوص در ناحیه جایگاه فعال آنزیم می‌شود.

این دسته از مهارکنندگان به سادگی از آنزیم جدا نمی‌شوند و در اکثر مواقع تاثیراتی دائمی دارند. «دی ایزوپروپیل فلوئور فسفات» (Diisopropyl Fluorophosphate | DIFP) به پپتیدازهای مانند تریپسین و کیموتریپسین متصل می‌شود و این آنزیم‌ها را به صورت برگشت‌ناپذیر مهار می‌کند.

مهار رقابتی

در مهار رقابتی سوبسترا با ماده مهارکننده برای اتصال به جایگاه اتصال سوبسترا رقابت می‌کند. در صورتی که سوبسترا موفق به اتصال شود، فعالیت عادی آنزیم پی گرفته می‌شود و محصول واکنش آنزیمی ساخته می‌شود. در صورتی که مهارکننده بتواند به آنزیم متصل شود، کمپلکس آنزیم-مهارکننده تشکیل می‌شود و آنزیم قادر نخواهد بود که به سوبسترا متصل شود، در نتیجه فعالیت آنزیم مهار می‌شود.

مالونات مهارکننده رقابتی آنزیم «سوکسینات دهیدروژناز» است، زیرا ساختار مولکولی مالونات شبیه به ساختار سوبسترای اصلی این آنزیم است و می‌تواند به جایگاه فعال متصل شود. با اتصال مالونات به جایگاه آنزیم، سوبسترای طبیعی آنزیم نمی‌تواند به آن متصل شود و فعالیت آنزیم مهار می‌شود. سینتیک آنزیمی در مهار رقابتی به صورت زیر است.

• $$K_{\text{m}}$$ افزایش می‌یابد.
• $$V_{\text{max}}$$ تغییر نکرده و ثابت می‌ماند.

مهار غیر رقابتی

مهار غیر‌رقابتی مربوط به زمانی است که مهارکننده با سوبسترا برای اتصال به محل اتصال سوبسترا رقابت نمی‌کند، بلکه به قسمتی دیگر از آنزیم متصل می‌شود که «جایگاه آلوستریک» (Allosteric Site) نام دارد. بنابراین مهارکننده بدون توجه به این که سوبسترا به آنزیم متصل هست یا نیست، می‌تواند به آنزیم متصل شود و آن را مهار کند.

در صورتی که فقط سوبسترا به آنزیم متصل باشد، فعالیت آنزیمی بدون تغییر انجام می‌شود. اما اگر سوبسترا و مهارکننده به طور همزمان به آنزیم متصل باشند، «کمپلکس آنزیم-سوبسترا-مهارکننده» (Enzyme-Substrate-Inhibitor Complex | ESI complex) شکل می‌گیرد.

تشکیل این کمپلکس می‌تواند منجر به تغییر کنفورماسیون آنزیم شده که می‌تواند میل سوبسترا به اتصال با جایگاه فعال را کاهش بدهد. بنابراین می‌توان نتیجه گرفت که این تغییر کنفورماسیون در فعالیت آنزیم اختلال ایجاد می‌کند. سینتیک آنزیمی در مهار غیر‌رقابتی به صورت زیر است.

• $$V_{\text{max}}$$ کاهش می‌یابد.
• $$K_{\text{m}}$$ تغییر نکرده و ثابت باقی می‌ماند.

اتصال آمینواسید «آلانین» به آنزیم «پیروات کیناز» مثالی از این نوع مهار است. این آنزیم در فرآیند گلیکولیز «فسفوانول‌پیروات» (Phosphoenolpyruvate) را به پیروات تبدیل می‌کند. آلانین با متصل شدن به این آنزیم می‌تواند فعالیت آن را متوقف کند.

مهار نارقابتی

مهار نارقابتی مربوط به زمانی است که مهارکننده فقط زمانی به آنزیم متصل می‌شود که سوبسترا به آنزیم متصل است. این نوع مهار بیشتر مختص به آنزیم‌هایی است که چند سوبسترا دارند و احتمال مهار نارقابتی آنزیم‌هایی که تنها یک سوبسترا به آن‌ها متصل می‌شود، بسیار پایین است.

در مهار نارقابتی اگر سوبسترا به آنزیم متصل شود، مهارکننده نیز به کمپلکس آنزیم-سوبسترا متصل می‌شود. این اتفاق باعث تشکیل کمپلکس آنزیم-سوبسترا-مهارکننده می‌شود و به این ترتیب عملکرد آنزیم دچار اختلال می‌شود. سینتیک آنزیمی در مهار نارقابتی به صورت زیر است.

• $$V_{\text{max}}$$ کاهش می‌یابد.
• $$K_{\text{m}}$$ کاهش می‌یابد.

سن و سلامتی

عوامل زیستی متعددی می‌توانند روی فعالیت آنزیم‌ها اثرگذار باشند که ازجمله پررنگ‌ترین آن‌ها می‌توان به سن و سلامتی اشاره کرد. میزان ساخت بعضی از آنزیم‌ها در بدن انسان با بالاتر رفتن سن کاهش می‌یابد. به عنوان مثال می‌توان به نتایج مطالعاتی اشاره کرد که نشان دادند ترشح آنزیم‌های گوارشی با افزایش سن کاهش می‌یابد. یکی از این آنزیم‌ها لاکتاز است که کاهش تولید آن منجر به حساسیت نسبت به لاکتوز است که در افراد مسن تجربه می‌شود.

سلامت کلی یک فرد نیز بر فعالیت آنزیم‌های بدن اثرگذار است. بعضی از افراد به دلیل مشکلات ژنتیکی قادر به ساخت بعضی از آنزیم‌ها نیستند. ازجمله مثال‌های این اختلالات آنزیمی، آنزیم‌های کبد هستند که مقدار بالای آن‌ها در خون می‌تواند منجر به تولید بیش از حد این آنزیم‌ها شده و این شرایط می‌تواند یکی از نشانه‌های بیماری‌های کبدی مانند هپاتیت باشد.