فصل هشتم: متابولیسم، تنفس سلولی و فتوسنتز: متابولیسم

مقدمه

شبکه پیچیده‌ای از واکنش‌­های شیمیاییِ درون سلول­ها وجود دارد که نقش بسیار مهمی در پیوستگی حیات و وانش های زیستی دارد. در واقع در تمام سلول ها یک سری واکنش­های متابولیسمی برای پاسخ به نیازهای سلول و موجودات تنظیم می ­شوند. انرژی مورد نیاز سلول­ها در تنفس سلولی طی این فرآیندهای متابولیسمی به بصورت شکلی از انرژی قابل استفاده تبدیل می ­شود؛ در فتوسنتز نیز همزمان با تبدیل انرژی نورانی به انرژی شیمیایی و انواعی از ترکیبات کربنی تولید می ­شوند.

8.1 متابولیسم

مفاهیم

  • مسیرهای متابولیسمی از زنجیره­­‌ها و چرخه­‌های واکنش­های آنزیمی، تشکیل شده ­است.
  • آنزیم­ها، انرژی فعال سازی واکنش­های شیمیایی را کاهش می ­دهند.
  • مهارکننده­‌های آنزیمی، به شکل رقابتی یا غیررقابتی هستند.
  • مسیرهای متابولیکی را می ­توان با مهار فرآورده نهایی، کنترل کرد.

کاربرد در علم

  • مهار فرآورده نهایی در مسیری که ترئونین به ایزولوسین تبدیل می ­شود.
  • استفاده از پایگاه­‌های داده جهت شناسایی داروهای جدید برای درمان مالاریا.

مهارت آموزی

  • تشخیص نوع مهار آنزیمی به کمک نمودار سرعت واکنش بر حسب غلظت سوبسترا.
  • محاسبه و رسم نمودار سرعت واکنش با استفاده از نتایج آزمایشگاهی.

ماهیت علم

  • پیشرفت در تحقیقات علمی به دنبال پیشرفت در علوم محاسباتی به دست می ­آید. تحول در علم بیوانفورماتیک مانند جستجو در پایگاه­‌های داده، باعث افزایش سرعت مطالعه روی تحقیقات پیرامون مسیرهای متابولیکی شده است.

مسیرهای متابولیکی

مسیرهای متابولیسمی از زنجیره­­‌ها و چرخه‌­های واکنش­های آنزیمی، تشکیل شده ­است.

در قرن نوزدهم، تئودور شووان[1]، فیزیولوژیست و خون شناس آلمانی، از کلمه­‌ی “متابولیسم” برای معرفی تغییرات محتوای شیمیایی در سلول­های زنده، استفاده کرد. امروزه می ­دانیم، بسیاری از واکنش­های شیمیایی درون سلول­ها با بیش از 5000 نوع مختلف آنزیم کاتالیز می ­شود؛ اگرچه متابولیسم بسیار پیچیده است اما الگوهای رایجی دارد.

  • بیشتر تغییرات شیمیایی نه تنها در یک مرحله بلکه در سیر دنباله داری از مراحل کوچک رخ می  دهد و مسیری به نام ” مسیر متابولیکی” ایجاد می‌شود.(شکل شماره 1)

  • بیشتر مسیرهای متابولیکی شامل زنجیره‌­ای از واکنش­های شیمیایی هستند. شکل شماره 2، مسیر واکنش تبدیل فنیل آلانین به فومارات و استواستات در سلول را نشان می ­دهد. فومارات و استواستات به عنوان منابع انرژی در مسیر متابولیکی تنفس سلولی استفاده می ­شوند. وجود بیش از حد فنیل آلانین در خون، سبب بروز مشکلات جدی در سلامتی می ­شود.

  • برخی از مسیرهای متابولیکی به جای یک زنجیره، از یک چرخه تشکیل شده­اند. در این نوع مسیرهای متابولیکی، محصول نهایی، همان واکنش دهنده­ای است که برای آغاز مسیر لازم است.

آنزیم و انرژی فعال سازی

آنزیم­ها انرژی فعال سازی واکنش­های شیمیایی را کاهش می ­دهند.

واکنش­های شیمیایی فرآیندهای تک مرحله‌­ای نیستند بلکه واکنش­‌دهنده‌­ها قبل از تبدیل به فرآورده نهایی از یک مرحله گذار، عبور می ­کنند. در عبور از حالت گذار و تبدیل واکنش‌­دهنده به فرآورده، مقداری انرژی آزاد می ­شود اما برای رسیدن واکنش‌­دهنده به حالت گذار باید مقداری انرژی مصرف شود که به این انرژیِ مصرف شده، انرژی فعال­‌سازی گفته می ­شود. انرژی فعال­سازی، مقدار انرژی­‌ای است که برای شکستن یا ضعیف کردن پیوندهای واکنش­‌دهنده استفاده می ­شود. شکل شماره 4، یک نوع واکنش گرماده را در شرایطی بدون حضور آنزیم( نمودار سمت چپ) و در حضور آنزیم(نمودار سمت راست) نشان می ­دهد.

زمانی که آنزیم یک واکنش را کاتالیز می ­کند، واکنش‌­دهنده به جایگاه فعال آنزیم متصل می ­شود و پس از تولید فرآورده از جایگاه فعال جدا می ­شود. این اتصال، سطح انرژی حالت گذار را کاهش می ­دهد؛ بنابراین انرژی فعال‌­سازی واکنش کاهش می ­یابد. در واکنش آنزیمی فقط سطح انرژی فعال­‌سازی کاهش می ­یابد و مقدار خالص انرژی آزادشده تغییری نمی­‌کند، بنابراین سرعت واکنش افزایش پیدا می ­کند.

نظریه علمی

اخلاق تا چه حد باید توسعه دانش در علم را محدود کند؟

سلاح­های شیمیایی بدون فعالیت دانشمندان به وجود نیامده­اند.

سارین یک ماده شیمیایی است که قبل از اینکه در جنگ جهانی از آن به عنوان یک سلاح شیمیایی استفاده شود به عنوان حشره کش کاربرد داشته است.  نام سارین مخفف نام خانوادگی دانشمندانی است که برای اولین بار آن را سنتز کردند سارین یک مهار کننده رقابتی برای انتقال دهنده عصبی استیل کولین استراز است.

فریتس هابر که برای تولید صنعتی کود آمونیاک، جایزه نوبل شیمی 1918 را دریافت کرد یکی دیگر از دانشمندانی بود که توسط سایر دانشمندان مورد انتقاد قرار گرفت. برخی از دانشمندان مراسم اهدای جایزه این دانشمند را تحریم کردند زیرا هابر در تشویق و توسعه استفاده از گاز کلر در جنگ جهانی اول نقش مهمی داشت. هاربر می­گوید:” در زمان صلح، دانشمند به جهان تعلق دارد اما در زمان جنگ متعلق به کشورش است.”

 

انواع مهارکننده‌­های آنزیمی

مهارکننده­‌های آنزیمی، رقابتی یا غیررقابتی هستند.

با توجه به اینکه مهمترین ویژگی آنزیم ها که در بخش قبل به آن اشاره شد افزایش سرعت واکنش از طریق کاهش انرژی فعالسازی است، مهار آنزیم ها باعث کاهش سرعت واکنش می  شود. ترکیباتی به نام مهار‌کننده‌ها با اتصال به آنزیم، می ‌توانند سرعت واکنش آنزیمی را کاهش دهند. دو نوع مهارکننده اصلی وجود دارد:  مهارکننده­‌های رقابتی و غیررقابتی هستند.

مهارکننده رقابتی با اشغال جایگاه فعال آنزیم از اتصال واکنش دهنده به آنزیم جلوگیری می ­کند اما مهارکننده غیررقابتی در محلی غیر از جایگاه فعال آنزیم متصل می ­شود و شکل آنزیم را به نحوی تغییر می ­دهد که آنزیم نمی‌­تواند به واکنش‌­دهنده متصل شود. (جدول شماره1 انواع مهارکننده­‌ها را نشان می‌دهد.)

آنزیم واکنش­دهنده مهارکننده اتصال
دی هیدروپتروات سنتتاز پارا آمینوبنزوات

 

سولفادیازین

 

مهارکننده به طور برگشت پذیر به جایگاه فعال آنزیم متصل می ­شود و اجازه اتصال واکنش­‌دهنده را نمی­‌دهد. این نوع مهار، مهار رقابتی است.
فسفوفروکتوکیناز فروکتوز6 فسفات

 

زایلیتول 5 فسفات

 

مهارکننده به طور برگشت­‌پذیری به جایگاهی دور از جایگاه فعال آنزیم متصل می ­شود، شکل شماره آنزیم را تغییر می ­دهد و از اتصال واکنش‌دهنده به آنزیم جلوگیری می‌کند. این نوع مهار، مهار غیررقابتی است.
جدول 1- مثال انواع مهارکننده

 

تأثیر مهارکننده‌­های آنزیمی

تشخیص نوع مهار آنزیمی به کمک نمودار سرعت واکنش بر حسب غلظت سوبسترا(واکنش دهنده).

شکل شماره 7، سرعت واکنش را بر حسب غلظت واکنش­‌دهنده نشان می ­دهد. خط نارنجی نشان دهنده اثر غلظت واکنش دهنده روی فعالیت آنزیم، در غیاب مهارکننده است. خط قرمز نشان دهنده اثر غلظت واکنش­دهنده بر سرعت واکنش در حضور مهارکننده رقابتی است. وقتی غلظت واکنش‌­دهنده بیشتر از غلظت مهارکننده شود، سرعت واکنش به حداکثر سرعت خود می ­رسد؛ بنابراین مقدار بیشتری از واکنش‌­دهنده نیاز است تا به سرعت حداکثر برسد.

خط آبی نشان­‌دهنده اثر غلظت واکنش‌­دهنده بر سرعت واکنش در حضور مهارکننده غیررقابتی است. در حضور مهارکننده غیررقابتی، آنزیم به حداکثر سرعت خود نمی­‌رسد زیرا اتصال مهار کننده غیررقابتی حتی بدون توجه به غلظت واکنش­دهنده، مانع از فعالیت آنزیم­ها می ­شود. آنزیم­هایی که به مهارکننده­‌ها متصل نمی­شوند از همان الگوی آنزیم طبیعی پیروی می ­کنند. در این الگو تقریباً همان غلظت آنزیم برای رسیدن به سرعت حداکثر نیاز است اما سرعت حداکثر آن از سرعت آنزیم مهار نشده کمتر است.

مهار تولید فرآورده

مسیرهای متابولیکی را می ­توان با مهار فرآورده، کنترل کرد.

بسیاری از آنزیم­ها توسط مواد شیمیایی تنظیم می ­شوند که به جایگاه مخصوصی دور از جایگاه فعال آنزیم متصل می ­شوند؛ به این واکنش­ها، واکنش آلوستریک و به جایگاه اتصال آن، جایگاه آلوستریک گفته می ­شود. در بسیاری از موارد، آنزیم یکی از مسیرهای واکنش اولیه یک چرخه را کاتالیز می ­کند و ماده­ای که به جایگاه آلوستریک متصل می ­شود، ممکن است محصول نهایی واکنش باشد که به عنوان مهارکننده نیز عمل می ­کند. در صورت وجود مقدار کمی از فرآورده در سلول، مسیر واکنش به سرعت پیش می ­رود اما در صورت وجود مقدار زیادی از محصول، مسیر واکنش می ­تواند خاموش شود.

برای درک اینکه چرا واکنش­های آلوستریک، یک روش بهینه برای کنترل واکنش های متابولیسمی مانند میزان سوخت و ساز بدن هستند، ما باید بفهمیم که چگونه غلظت محصول یک واکنش می ­تواند بر سرعت واکنش تأثیر بگذارد. واکنش­ها اغلب بصورت یک طرفه کامل نمی­‌شوند بلکه با نسبت مشخصی از واکنش‌­دهنده­‌ها و فرآورده­‌ها به صورت رفت و برگشتی به تعادل می ­رسند. بنابراین، اگر غلظت محصولات افزایش پیدا کند، واکنش در نهایت کند یا متوقف می ­شود. این اثر برگشتی در یک مسیر متابولیکی، زمانی ا­ست که محصول نهایی و تمام حدواسط­‌ها تجمع پیدا می ­کنند؛ مهار فرآورده نهایی از تجمع فرآورده‌­های میانی نیز جلوگیری می ­کند.

 

مثالی از مهار واکنش توسط فرآورده نهایی

با انجام پنج واکنش متوالی، اسیدآمینه­‌ی ترئونین به ایزولوسین تبدیل می ­شود. با افزایش غلظت ایزولوسین، این اسید آمینه به اولین آنزیم واکنش که آنزیم ترئونین دآمیناز است، متصل می ­شود و به عنوان یک مهارکننده غیررقابتی عمل می ­کند.(شکل شماره8)

مطالعه متابولیسم به کمک بیوانفورماتیک

رایانه­‌ها، توانایی دانشمندان را برای سازمان­‌بندی، ذخیره، بازسازی و تجزیه و تحلیل داده­‌های زیستی افزایش داده‌­اند. بیوانفورماتیک رویکردی است که به موجب آن گروه­‌های تحقیقاتی می ­توانند اطلاعات خود را را به پایگاه­‌های­ داده اضافه کنند وگروه­‌های دیگر قادر به جستجوی داده­‌های مورد نیاز خود در پایگاه‌های داده باشند.

یکی از تکنیک­‌های امیدوار کننده بیوانفورماتیک که مطالعه در مورد مسیرهای متابولیکی را تسهیل کرده­، chemogenomics است. گاهی اوقات اتصال یک ماده شیمیایی به جایگاه هدف، به طور قابل توجهی فعالیت متابولیسمی را تغییر می ­دهد. دانشمندانی که به دنبال تولید داروهای جدید هستند، کتابخانه­‌های عظیمی از مواد شیمیایی را به صورت جداگانه روی طیف وسیعی از موجودات مرتبط بررسی می ­کنند. تعداد زیادی جایگاه­ هدف برای هر موجود مشخص شده ­است و مطالعات روی طیف وسیعی از مواد شیمیایی که قادر به اتصال به این جایگاه­‌ها هستند، انجام می ­شود. یکی از محققان این حوزه، chemogenomics را “جهان شیمیایی آزموده شده روی جهان هدف” نامید.

کاربرد chemogenomics برای داروی مالاریا

استفاده از پایگاه­‌های داده جهت شناسایی داروهای جدید برای درمان مالاریا.

مالاریا بیماری است که توسط انگل پلاسمودیوم فالسیپاروم[2] ایجاد می ­شود. افزایش مقاومت پلاسمودیوم فالسیپاروم به داروهای ضدمالاریا مثل کلروکین، انحصار تمام ترکیبات دارویی جدید به دامنه محدودی از معضلات بیماری و افزایش تلاش­های جهانی برای از بین بردن مالاریا، باعث شده است تا نیاز به تولید داروهای جدید ضد مالاریا بصورت جهانی مطرح گردد.

سویه3D7 ، یکی از انواع انگل مالاریا است که ژنوم آن تعیین توالی شده است. در مطالعه‌­ای، تقریباً 310،000 ماده شیمیایی علیه سویه 3D7 حساس به کلروکین و سویه 1K مقاوم در برابر کلروکین مورد ارزیابی قرار گرفتند تا ببینند آیا این مواد شیمیایی قدرت مهار متابولیسم انگل را دارد یا نه. اثر گذاری این داروها روی سایر اورگانیسم ها از جمله رده­‌های سلولی انسان­ نیز بررسی شد.  این مطالعه منجر به شناسایی 19 ماده شیمیایی جدید مهارکننده آنزیم‌های هدف به عنوان داروهای ضدمالاریا و 15 ماده شیمیایی جدید به عنوان عوامل متصل شونده به 61 پروتئین مختلف انگل مالاریا گردید که نتایج امیدوارکننده‌­ای در پیدا کردن روش های درمان این بیماری به شمار می رفت. درنتیجه، استفاده از داده­‌های بیوانفورماتیکی برای جستجوی داروی ضد مالاریا، مسیرهای تحقیقاتی جدیدی را برای دانشمندان فراهم می ­کند.

محاسبه سرعت واکنش

رسم نمودار و محاسبه سرعت واکنش از طریق نتایج اولیه آزمایشگاهی.

پروتکل­‌های مختلفی برای بررسی فعالیت آنزیمی در دسترس است. محاسبه سرعت آنزیم بر اساس اندازه گیری سرعت مصرف شدن واکنش­‌دهنده یا سرعت تولید فرآورده است. گاهی اوقات برای رسیدن به یک بازده یکسان، نیاز به تبدیل واحد است؛ واحد اندازه­گیری سرعت s-1 می ­باشد.

سوالاتی مبتنی بر داد­ه‌­ها: اثربخشی آنزیم­ها

میزان افزایش سرعت واکنش توسط آنزیم­ها بسیار متفاوت است. با محاسبه سرعت واکنش در حضور و عدم حضور آنزیم، می ­توان تمایل آنزیم به واکنش‌دهنده را تخمین زد. جدول2، سرعت چهار واکنش در شرایط حضور و عدم حضور آنزیم را نشان می ­دهد. نسبت بین این سرعت­ها برای یکی از واکنش­ها محاسبه شده ­است.

  • شرایط برقراری واکنش در غیاب آنزیم، واکنش با کمترین سرعت کاتالیز می ­شود. [1]
  • شرایط برقراری واکنش در حضور آنزیم، واکنش با بیش­ترین سرعت کاتالیز می ­شود.[1]
  • نسبت بین سرعت واکنش در حضور و عدم حضور آنزیم برای آنزیم­های کتواستروئید ایزومراز، نوکلئاز و OMPدکربوکسیلاز را محاسبه کنید. [3]
  • کدام یک از آنزیم­های زیر کاتالیزور مؤثرتری است؟ بحث کنید.[3]
  • چگونه آنزیم­ها سرعت واکنش­هایی را که کاتالیز می ­کنند، افزایش می ­دهند؟ توضیح دهید.[2]

 

آنزیم s-1/ سرعت واکنش بدون آنزیم s-1/ سرعت واکنش با آنزیم نسبت بین سرعت واکنش با آنزیم و بدون آنزیم
کربنیک انیدراز 101 × 3/1 106 × 0/1 106 × 7/7
کتواستروئید ایزومراز 10-7 × 7/1 104 × 4/6  
نوکلئاز 10-13 × 7/1 106 × 5/9  
OMP دکربوکسیلاز

(اوروتیدین5′ مونوفسفات

دکربوکسیلاز)

1016 × 8/2 108 × 9/3  
جدول2

 

فعالیت

برای هر یک از واکنش­های آنزیمی زیر، نحوه تعیین سرعت واکنش را بیان کنید.

1- دیسک­های کاغذی آغشته به آنزیم کاتالاز به پراکسید هیدروژن در غلظت­های مختلف، اضافه می­شوند، در این واکنش حباب­های اکسیژن تولید می­شود.

2- لیپاز تجزیه تری گلیسیریدها را به اسیدهای چرب و آب کاتالیز می­کند؛ pH محلول با ادامه واکنش کاهش می­یابد.

3- پاپائین یک پروتئاز است که از آناناس استخراج می­شود؛ ورقه­های ژلاتین توسط پاپائین هضم می­شوند.

4- کاتکول اکسیداز که می­توان آن را از موز استخراج کرد، کاتکول را به یک رنگدانه زرد در میوه­های بریده شده تبدیل می­کند. رنگدانه زرد با اکسیژن موجود در هوا واکنش داده و قهوه­ای می­شود.

 

طرح سوال مبتنی بر داد­ه: محاسبه­ سرعت واکنش

ده قطره از محلول تجاری کاتالاز، به چهار ظرف واکنش که حاوی محلول پراکسید هیدروژن5/1درصد است، اضافه شد. هر یک از محلول­ها در دمای متفاوتی نگهداری شده بودند. درصد اکسیژن موجود در ظرف واکنش با استفاده از دستگاه ثبت­کننده داده[3] در  مجموعه­ای مشابه شکل شماره 10، تعیین شد.

  • تغییر درصد اکسیژن در زمان صفر را توضیح دهید.
  • با استفاده از نمودار، سرعت واکنش را در هر دما تعیین کنید.
  • نمودار سرعت واکنش برحسب دما را رسم کنید.

[1] Theodor Schwann

[2] Plasmodium falciparum

[3]Data logger

ثبت‌کننده داده یا دیتالاگر یا داده بَرداز وسیله‌ای الکترونیکی است که داده‌هایی را که به وسیله حسگرهای تعبیه شده در دستگاه یا ابزار و حسگر خارجی تأمین می‌شوند را در طول زمان یا در رابطه با مکان ذخیره می­کند. اکثر دیتالاگرها بر پایه یک پردازنده دیجیتال طراحی و ساخته می‌شوند.

 

اشتراک گذاری:

دیدگاهتان را بنویسید