دراسة البروتينات و الإنزيمات

هندسة الطرائق/تقني رياضي/المجــال الثاني: دراسة البروتينات و الإنزيمات

--------------------------------------------------------------------------------

المجــال الثاني: دراسة البروتينات و الإنزيمات
يشمل المجال الثاني أربع وحدات تسمح باكتساب معارف ومعلومات ومهارات خاصة حول الأحماض الأمينية و البروتينات والإنزيمات واستخداماتها في الميدان التطبيقي
الكفاءة القاعدية:
يكون المتعلم قادرا على التعرف على التركيب الكيميائي و الخواص الفيزيائية والكيميائية للأحماض الأمينية والبروتينات و الإنزيمات واستخدامها في الميدان التطبيقي.
مخطط المجال:
الوحدة التعلمية الأولى : الأحماض الأمينيـة
الوحدة التعلمية الثانية : البروتينـات
الوحدة التعلمية الثالثة : الإنزيمــات
الوحدة التعلمية الرابعة : بحث توثيقي حول استخدام الإنزيمات في الميدان التطبيقي
( الصناعي، الفلاحي-الغذائي، الصيدلاني )
الوحدة التعلمية الأولى : الأحماض الأمينيـة

الكفاءات المستهدفة:
يتعرف على الأحماض الأمينية و على صيغتها العامة.
يصنف الأحماض الأمينية المختلفة بالاعتماد على تركيب سلسلتها الجانبية
يتعرف على خواصها الفيزيائية المتمثلة في النشاط الضوئي والخاصية الامفوتيرية
يتعرف على الخواص الكيميائية الناتجة عن:
§ المجموعة الكربوكسيلية
§ المجموعة الامينية
§ السلسلة الجانبية
يكشف عن الأحماض الامينية باستغلال خواصها الفيزيائية و الكيميائية
يوظف الخواص الفيزيائية و الكيميائية للأحماض الأمينية لفصلها و تقديرها كميا.
المكتسبات القبلية:
§ الوظيفة الحمضية – الوظيفة الأمينية - الوظيفة الكحولية
§ النشاط الضوئي
§ الكروماتوغرافيا

المحتوى والمفاهيم

تعريف الأحماض الأمينية:
الكفاءة المستهدفة:
يتعرف على الأحماض الأمينية و على صيغتها العامة.
المفاهيم:
يتوصل الأستاذ مع التلاميذ من خلال الصيغة العامة إلى أن الأحماض الأمينية مركبات عضوية تشمل وظيفة حمضية (-COOH ) ووظيفة أمينية(-NH2 ) في موقع α وسلسلة جانبية (R ) وصيغتها العامة هي:
الجذر الألكيلي هو الجزء المتغير حسب نوع الحمض الاميني ويوجد 20 حمضا أمينيا أساسيا تدخل في تركيب البروتينات
2 – التسمية و التصنيف:
الكفاءة المستهدفة:
يصنف الأحماض الأمينية المختلفة بالاعتماد على تركيب سلسلتها الجانبية
المفاهيم:
لكل حمض أميني اسم لاتيني خاص ويختصر في الحروف الثلاث الأولى ويمكن تصنيفها إلى قسمين أساسيين:

1.2 الأحماض الأمينية الخطية: وتشمل

1.1.2 الأحماض الأمينية ذات السلاسل الكربونية
2.1.2 الأحماض الأمينية الهيدروكسيلية
3.1.2 الأحماض الأمينية الكبريتية
4.1.2 الأحماض الأمينية الحامضية وأميداتها
5.1.2 الأحماض الأمينية القاعدية:

2.2 الأحماض الأمينية الحلقية: وتشمل

1.2.2 الأحماض الأمينية العطرية
2.2.2 الأحماض الايمينية
ملاحظة: يتم تسمية وتصنيف الأحماض الأمينية وفقا لهذه المجموعات مع إعطاء الصيغة الكيميائية لكل حمض أميني ورمزه
3– خواص الأحماض الأمينية:
الكفاءة المستهدفة:
يتعرف على خواصها الفيزيائية المتمثلة في النشاط الضوئي والخاصية الامفوتيرية.
المفاهيم:
تمتلك الأحماض الأمينية مجموعة من الخواص الفيزيائية و الكيميائية ينبغي التركيز على:
1.3 الخواص الفيزيائية:
أ ) النشاط الضوئي:
لكل الأحماض الامينية ما عدا الغليسين نشاط ضوئي لاحتوائها على ذرة كربون غير متناظرة أو أكثر
تتميز الأحماض الامينية بوجود صورتين متناظرتين مرآتيا D ، L حسب وضع مجموعة الأمين
ب ) الخاصية الامفوتيرية:
- تحتوي جميع الأحماض الامينية على مجموعتين قابلتين للتأين المجموعة الكربوكسيلية والمجموعة الأمينية .
- تكون الأحماض الأمينية في المحاليل ذات PH متعادل على شكل أيون ثنائي القطب أي أيون متعادل كهربائيا لأن الوظيفتين الحمضية و الأمينية متأ ينتين
- في وسط PH قاعدي يمكن للمجموعة الكربوكسيلية لحمض أميني أن تحرر بروتون ويظهر بذلك الحمض على شكل أنيون
- في وسط PH حامضي يمكن للمجموعة الأمينية لحمض أميني اكتساب بروتون ويظهر بذلك الحمض على شكل كاتيون
2.3 الخواص الكيميائية:
بالإضافة إلى تفاعلات مجموعتي الكربوكسيل و الأمين ،هناك تفاعلات خاصة بالسلسلة الجانبية لبعض الأحماض الأمينية.
أ ) الخواص الناتجة عن المجموعة الكربوكسيلية:
تمتلك الأحماض الأمينية نفس الخواص الأساسية للأحماض العضوية .
أ .1) تفاعل الأسترة: تتشكل أسترات في وسط حمضي قوي مع كحول
أ.2 تفاعل نزع مجموعة الكربوكسيل:
ب – الخواص الناتجة عن مجموعة الأمين:
ب.1 نزع مجموعة الأمين
ب.2 التفاعل مع النينهيدرين: النينهيدرين مؤكسد قوي يؤدي إلى تشكيل الالدهيد عن طريق تفاعل نزع مجموعة التأكسدية للأحماض الامينية وتحرير النشادر و غاز CO2 يتفاعل الأمين الناتج مع جزيئة أخرى من النينهيدرين ليعطي مركب أزرق بنفسجي يدعى أرجوان الرومان يستغل هذا التفاعل في الفصل الكروماتوغرافي للأحماض الأمينية
ج - الخواص المشتركة بين المجموعتين الكربوكسيلية والأمينية:
يسمح تفاعل مجموعة أمين لحمض أميني مع مجموعة كربو كسيل لحمض أميني آخر باتحاد الحمضين الأمينيين فيما بينهما وتحرير جزيئة ماء وتشكيل ثنائي الببتيد وتدعى هذه الرابطة المتشكلة بالرابطة الببتيدية:
د – الخواص الناتجة عن السلسلة الجانبية:
لدراسة الخواص الناتجة عن السلسلة الجانبية يتناول الأستاذ المثالين الآتيين:
1 – تفاعل مجموعة OH لحمض Ser مع حمض الفوسفوريك وتكوين فوسفوسرين
يكتسي هذا التفاعل أهمية في تنظيم عمل الكثير من الإنزيمات التي تحتوي في موقعها النشط على Ser إذ يتحول الإنزيم من الصورة غير النشطة إلى الصورة النشطة بعملية الفسفرة أو العكس
2 – تفاعل أكسدة مجموعة SH لحمض Cys وتكوين جسر ثنائي الكبريت ويلعب هذا التفاعل دورا في الحفاظ على التركيب البنائي للبروتينات.

الوحدة التعلمية الثانية : البروتينـات

مخطط الوحدة:
الكفاءات المستهدفة:
يتعرف على البروتينات وعلى تركيبها البنائي الأولي .
يتعرف على خواص البروتينات(الذوبان- تأثير الـ pH – تأثير الحرارة –تأثير الالكتروليتات و المذيبات العضوية)
يستنتج العوامل المؤثرة على ترسيب البروتين .
يكشف عن الأحماض الأمينية العطرية في البروتين بطريقة كزانثوبروتييك .
يقدر البروتينات كميا باستغلال خواصها الفيزيوكيميائية .
المكتسبات القبلية:
**الأحماض الأمينية
**الرابطة الببتيدية
المحتوى و المفاهيم
**تعريف البروتينات:
**الكفاءة المستهدفة:
يتعرف على البروتينات وعلى تركيبها البنائي الأولي .
المفاهيم:
§ البروتينات مركبات عضوية معقدة ( ضخمة ) تتكون من عدد كبير من الأحماض الأمينية مرتبطة بروابط ببتيدية .
§ توجد في جميع الكائنات الحية الحيوانية والنباتية و البكتريا
§ يعود التنوع الكبير في البروتينات إلى الاحتمالات الكبيرة التي تنتج عن الاختلاف في تسلسل الأحماض الأمينية وعددها وأنواعها
§ تعتبر البروتينات ذات أهمية كبيرة لكونها تدخل في تركيب المادة الحية كما تلعب دورا هاما خارج العضوية في الميدان الصناعي و الطبي.
التركيب البنائي الأولي للبروتينات:
ينتج التركيب البنائي الأولي للبروتين عن تسلسل مجموعة من الأحماض الأمينية مرتبطة بروابط ببتيدية
( سبق التعرف عليها في خواص الأحماض الامينية) :
3- خواص البروتينات:
الكفاءة المستهدفة:
يتعرف على خواص البروتينات(الذوبان- تأثير الـ pH – تأثير الحرارة –تأثير الالكتروليتات و المذيبات العضوية)
يستنتج العوامل المؤثرة على ترسيب البروتين .
المفاهيم:
3-1 الذوبان:
إن دراسة ذوبان البروتينات تكتسي أهمية كبيرة في فصل البروتينات واستخلاصها ويعتمد ذوبان البروتينات على عدة عوامل منها:
§ نوع السلاسل الجانبية للأحماض الأمينية
§ والبعض الآخر يتعلق بعوامل خارجية مثل القوة الأيونية للمحلول – درجة الـ pH- درجة الحرارة – نوع المذيب المستعمل.
3-3 تفاعلات التلوين: تعطي البروتينات تفاعلات لونية مما يسمح بالكشف عنها ومعايرتها
تفاعل بيوري:
عند إضافة محلول كبريتات النحاس (OH-,CUSO4) في وسط قاعدي إلى محلول بروتيني يتشكل معقد بين أيون النحاس و الروابط الببتيدية للبروتين وظهور لون بنفسجي
- تناقش صيغة المعقد مع التلاميذ
تتناسب شدة التلون طردا مع عدد الروابط الببتيدية (أي مع تركيز البروتين)
ب) تفاعل كزانثوبروتييك:
يستخدم هذا التفاعل للكشف عن الأحماض الأمينية العطرية التي تدخل في تركيب البروتينات عند إضافة حمض الأزوت المركز(HNO3 ) إلى محلول بروتيني يتشكل مركب أزوتي ذو لون أصفر بسبب دخول زمرة النيترو في الحلقة العطرية ، يتحول اللون إلى البرتقالي عند إضافة ماءات الأمونيوم المركزة

الوحدة التعلمية الثالثة : الإنزيمــات

مخطط الوحدة:
الكفاءات المستهدفة:
يعرف الإنزيمات .
يصنف الإنزيمات حسب نوع التفاعل الذي يحفزه.
يدرس العوامل المؤثرة على نشاط الأنزيم ( pH، درجة الحرارة، تركيز الإنزيم، تركيز المادة المتفاعلة).
يستنتج الشروط المثلى لعمل الإنزيم .
المكتسبات القبلية:
* الأحماض الأمينية.
§ البروتينات
§ سرعة التفاعل.
المحتوى و المفاهيم
1 ـ تعريف الإنزيمات:
الكفاءة المستهدفة:
يعرف الإنزيمات من خلال التطرق إلى بناءها .
المفاهيم: هي مواد بروتينية بسيطة أو مركبة تنتجها الخلايا الحية تلعب دور وسائط بيوكيميائية ( عوامل محفزة للتفاعلات الكيميائية )
بناء الأنزيمات : تتكون الأنزيمات من إرتباط الأحماض الأمينية وعوامل مرافقة وتنقسم إلى قسمين :
أ ـ الإنزيمات البسيطة:
تتكون من ارتباط الأحماض الأمينية فقط .
ب ـ الإنزيمات المركبة :
تتكون من شقين :
ـ شق بروتيني ( أحماض أمينية ).
ـ شق لا بروتيني يدعى بالعامل المرافق، إما أيون معدني أو مركب عضوي يدعى المرافق الأنزيمي.
العامل المرافق الأيّوني :
يكون العامل المرافق الأيّوني عادة كاتيونات معدنية مثل:
+Ca2، CO2+ ، Mn2+ ، Mg2+ ، Zn2+،Fe2+ ، Fe3+
المرافقات الإنزيمية Coenzymes:
تلعب عادة دور نواقل للإلكترونات و الذرات أو المجموعات الفعّالة ......إلخ
من أهم المرافقات الإنزيمية التي تدخل في تركيب :
- إنزيمات الأكسدة و الإرجاع ، نذكر منها النيكوتينأميد أدينين ثنائي النيوكليوتيد (NAD+)، النيكوتيناميد أدينين ثنائي النيوكليوتيد فوسفات NADP+، فلافين أدنين ثنائي النيوكليوتيد (FAD).
-إنزيمات النقل (ترانسفيراز) و نذكر منها الـ ATP و النيوكليوتيدات الشبيهة به و البيريدوكسال و مرافق إنزيمي A.
2 ـ تسمية وتصنيف الإنزيمات:
الكفاءة المستهدفة:
يصنف الأنزيمات حسب نوع التفاعل الذي يحفزه و كذلك حسب المادة التي تؤثر عليها إلى ستة مجموعات مع إعطاء أمثلة وكتابة معادلة التفاعل المحفز.
المفاهيم:
2-1 إنزيمات الأكسدة و الإرجاع:
يتبع هذه المجموعة جميع الإنزيمات التي تقوم بحفز تفاعلات الأكسدة و الإرجاع و تنتمي إلى هذه المجموعة الإنزيمات النازعة للهيدروجين و الإنزيمات المؤكسدة.
1.1.2 الإنزيمات النازعة للهيدروجين Déhydrogénase :
تتم الأكسدة بنزع ذرات الهيدروجين من المادة المتفاعلة بينما يتم الإرجاع بارتباط ذرات الهيدروجين بالمستقبل و نذكر منها:
***الإنزيمات النازعة للهيدروجين التي تحتاج إلى NAD+ كمرافق إنزيمي:
يعطى كمثال عنها الإيتانول ديهيدروجيناز مع كتابة معادلة التفاعل
***الإنزيمات النازعة للهيدروجين التي تحتاج إلى NADP+ كمرافق إنزيمي:
يعطى كمثال عنها الغلوكوز 6 فوسفات ديهيدروجيناز مع كتابة معادلة التفاعل
*** الإنزيمات النازعة للهيدروجين التي تحتاج إلى FAD كمرافق إنزيمي:
كمثال عنها السكسينيك ديهيدروجيناز مع كتابة معادلة التفاعل
2.2 الإنزيمات الناقلة (Transférase) :
تتبع هذه المجموعة الإنزيمات التي تسرع من تفاعلات نقل المجاميع الذرية و بواقي الجزيئات من أحد المركبات إلى مركب آخر وكأمثلة عنها :
1.2.2 إنزيمات الفوسفوترانسفيراز :
إنزيمات تقوم بإسراع تفاعل نقل مجموعة الفوسفات و لها أهمية كبرى حيث تقوم بتحويل مركبات عضوية إلى الإسترات الفوسفاتية. الـATP في غالب الأحيان هو الجزيء المانح للمجاميع الفوسفاتية مثل فسفرة الغلوكوز في وجود الـATP
2.2.2 إنزيمات الأمينوترانسفيراز (الناقلة لمجموعة الأمينو) :
تقوم هذه الإنزيمات بنقل مجموعة الأمينو (-NH2) من الأحماض الأمينية إلى الأحماض السيتونية و كمثال عنها الإنزيمات التي تحتاج إلى البيريدوكسال كمرافق إنزيمي مثل نقل مجموعة الأمينو من حمض الاسبارتيك إلى الحمض السيتوني بيرو فيك
3.2.2 إنزيمات الغليكوسيل ترانسفيراز :
تقوم هذه الإنزيمات بتحفيز تفاعلات التخليق الحيوي للأوليغوسكاريدات و السكريات المتعددة و كمثال عنها تفاعل بناء السكروز انطلاقا من الغلوكوز1 فوسفات و الفركتوز
4.2.2 إنزيمات أسيل ترانسفيراز :
تقوم هذه الإنزيمات بإسراع نقل الأسيلات إلى الأحماض الأمينية و الأمينات و الكحولات و مركبات أخرى و كمثال عنها الحصول على الاستيل كوانزيمA من الاسيتو أستيل كوانزيمA
3.2 إنزيمات التحلّل المائي (Hydrolase):
تحفّز تفاعلات التحليل المائي للمركبات العضوية و غالبا تكون هذه التفاعلات عكسية.
و تقسم إنزيمات هذه الطائفة تبعا لطبيعة المادة المتفاعلة التي تتحلّل مائيا و أهم هذه الأقسام:
1.3.2 الإنزيمات المحلّلة لليبيدات (الليباز) :
تحفّز التحليل المائي لليبيدات
تكتب المعادلة العامة للتحلل المائي للغليسريد الثلاثي إلى غليسرول وأحماض دهنية
2.3.2 الإنزيمات المحلّلة للبروتينات :
منها التي تحفّز التحليل المائي للروابط البيبتيدية إبتداءا من الطرف الذي يحتوي على مجموعة كربوكسيل حرة و تسمّى كربوكسي بيبتيداز، و منها التي تحفّز التحليل المائي للروابط البيبتيدية إبتداءا من الطرف الحاوي على مجموعة أمينو حرة و تسمّى بالأمينوبيبتيداز، و منها التي تحفّز التحلّل المائي للروابط البيبتيدية الداخلية في جزيء البروتين و تدعى الأندوبيبتيداز كإنزيم الببسين و التريبسين و الكيموتريبسين.
3.3.2 إنزيمات التحليل المائي للسكريات:
و هي التي تحفّز التحليل المائي للروابط الغليكوسيدية في السكريات المركبة و المتعددة و منها إنزيمات الأميلاز و الأنفرتاز (تحليل مائي للسكروز) و المالتاز و اللاكتاز ... الخ. 4.3.2لإنزيمات المحلّلة للإسترات الفوسفاتية (الفوسفاتاز) :
تحفّز التحليل المائي للروابط الإسترية الفوسفاتية و مثال عن ذلك التحلّل المائي للغلوكوز 6 فوسفات
4.2 الإنزيمات النازعة :
تقوم بحفز نزع مجاميع من المادة المتفاعلة و منها :
1.4.2 الإنزيمات النازعة لمجموعة الكربوكسيل (الديكربوكسيلاز) :
كمثال عن ذلك الأوكسالوأستيك ديكربوكسيلاز الذي يعمل على نزع مجموعة الكربوكسيل من حمض الاكزالوأسيتيك

2.4.2 الإنزيمات النازعة لمجاميع الأمينو :

كمثال عنها نزع مجموعة الأمينو من حمض الاسبارتيك
5.2 إنزيمات التماكب (الإيزوميراز) :
هي التي تحفّز التحوّلات داخل الجزيء نذكر منها:
1.5.2 الألدوزكيتوزإيزوميراز :
الذي يحفّز تحوّل سكر الألدوز إلى سكر الكيتوز مثل تحول 3فوسفو غليسر ألدهيد إلى
الفوسفو ثنائي هيدروكسي أستون
2.5.2 الميوتاز:
يحفّز تحوّل مجموعة الفوسفات من وضعية إلى وضعية أخرى داخل نفس الجزيء كتحول
حمض 3 فوسفو غليسريك إلى حمض2 فوسفو غليسريك
6.2 إنزيمات الربط (الليغاز) :
تحفّز تفاعلات تكوين روابط من نوع C-C، C-N، C-O، C-S.