تعددية الإنزيمات

تُعرف خاصية تعدد وظائف الإنزيم بقدرة الإنزيم على تحفيز تفاعل جانبي غير متوقع بالإضافة إلى تفاعله الرئيسي. فعلى الرغم من أن الإنزيمات تُعدّ محفزات شديدة التخصص، إلا أنها غالبًا ما تُجري تفاعلات جانبية إلى جانب نشاطها التحفيزي الأساسي. وعادةً ما تكون هذه الأنشطة الجانبية بطيئة نسبيًا مقارنةً بالنشاط الرئيسي، وتخضع لضغط انتقائي محايد. وعلى الرغم من أنها غير ذات أهمية فسيولوجية في العادة، إلا أنها قد تُكسب الكائن الحي، تحت ضغوط انتقائية جديدة، فائدةً من حيث اللياقة، مما يُحفز تطور النشاط الجانبي السابق ليصبح النشاط الرئيسي الجديد. ^{[ 1 ]} ومن الأمثلة على ذلك إنزيم كلوروهيدرولاز الأترازين ( المُشفّر بواسطة الجين atzA ) من بكتيريا Pseudomonas sp.، والذي تطور من إنزيم دياميناز الميلامين ( المُشفّر بواسطة الجين triA )، والذي يتميز بنشاط جانبي ضئيل جدًا تجاه الأترازين، وهو مادة كيميائية مُصنّعة. ^{[ 2 ]}

تتطور الإنزيمات لتحفيز تفاعل معين على ركيزة معينة بكفاءة تحفيزية عالية ( kcat /KM _، انظر حركية ميكايليس -مينتين ). مع ذلك، بالإضافة إلى هذا النشاط الرئيسي، تمتلك _{الإنزيمات} أنشطة أخرى أقل بكثير، وهي ليست نتاجًا للانتقاء التطوري، وبالتالي لا تُشارك في وظائف الكائن الحي. ^{[ ملاحظة 1 ]} تسمح هذه الظاهرة باكتساب وظائف جديدة، إذ قد يُضفي النشاط المتعدد فائدةً على اللياقة في ظل ضغط انتقائي جديد، مما يؤدي إلى تكراره واختياره كنشاط رئيسي جديد.

في عام 1976، افترض روي جنسن أن الإنزيمات البدائية كان لا بد أن تتمتع بقدرة عالية على التفاعل مع أنواع مختلفة من الإنزيمات لكي تتشكل الشبكات الأيضية بشكل متداخل (ومن هنا جاء اسم النموذج المتداخل ). وقد فُقدت هذه القدرة التحفيزية البدائية لاحقًا لصالح إنزيمات متماثلة متخصصة ذات قدرة تحفيزية عالية. ^{[ 13 ]} ونتيجة لذلك، فإن العديد من الإنزيمات الأيضية المركزية لها نظائر بنيوية تباعدت قبل السلف المشترك الأخير . ^{[ 14 ]}

لا يُعدّ التعدد الوظيفي سمةً أوليةً فحسب، بل هو أيضًا خاصيةٌ واسعة الانتشار في الجينومات الحديثة. وقد أُجريت سلسلةٌ من التجارب لتقييم توزيع أنشطة الإنزيمات المتعددة في بكتيريا الإشريكية القولونية . في هذه البكتيريا، أمكن استعادة 21 من أصل 104 من حالات تعطيل الجينات المفردة التي تم اختبارها (من مجموعة كيو ^{[ 15 ]} ) عن طريق الإفراط في التعبير عن بروتين غير متطابق من الإشريكية القولونية (باستخدام مجموعةٍ مُجمّعةٍ من البلازميدات من مجموعة ASKA ^{[ 16 ]} ). ويمكن تصنيف الآليات التي يُمكن من خلالها للإطار المفتوح للقراءة غير المتطابق استعادة التعطيل إلى ثماني فئات: الإفراط في التعبير عن الإنزيمات المتماثلة، والغموض في الركيزة، والغموض في النقل (الاستخلاص)، والتعدد الوظيفي التحفيزي، والحفاظ على التدفق الأيضي (بما في ذلك الإفراط في التعبير عن المكون الكبير من إنزيم سينثاز في غياب وحدة نقل الأمين)، وتجاوز المسار، والتأثيرات التنظيمية، وآليات غير معروفة. ^{[ 4 ]} وبالمثل، سمح الإفراط في التعبير عن مجموعة ORF لبكتيريا الإشريكية القولونية باكتساب مقاومة تزيد عن عشرة أضعاف في 86 من أصل 237 بيئة سامة. ^{[ 17 ]}

من المعروف أحيانًا أن المتماثلات تُظهر تفاعلات متعددة تجاه بعضها البعض. ^{[ 18 ]} وقد دُرست هذه التفاعلات المتعددة بشكل مكثف مع أفراد عائلة الفوسفاتاز القلوي ، التي تحفز التفاعلات التحللية على رابطة الإستر للكبريتات، أو الفوسفونات، أو أحادي الفوسفات، أو ثنائي الفوسفات، أو ثلاثي الفوسفات في العديد من المركبات. ^{[ 19 ]} وعلى الرغم من الفصل بينها، فإن المتماثلات تُظهر درجات متفاوتة من التفاعلات المتعددة المتبادلة: وتعود الاختلافات في هذه التفاعلات إلى الآليات المتضمنة، ولا سيما الوسيط المطلوب. ^{[ 19 ]}

توجد الإنزيمات عمومًا في حالة توازن بين الاستقرار والكفاءة التحفيزية، وبين التخصص وقابلية التطور، حيث يحدد العاملان الأخيران ما إذا كان الإنزيم عامًا (قابلًا للتطور بدرجة عالية نظرًا لتعدد وظائفه، ولكن نشاطه الرئيسي منخفض) أو متخصصًا (ذو نشاط رئيسي عالٍ، وقابلًا للتطور بدرجة محدودة نظرًا لقلة تعدد وظائفه). ^{[ 20 ]} ومن أمثلة ذلك إنزيمات الأيض الأولي والثانوي في النباتات (انظر قسم الأيض الثانوي في النباتات أدناه ). وتلعب عوامل أخرى دورًا في ذلك، فعلى سبيل المثال، يُظهر إنزيم جليسيروفوسفودايستراز ( gpdQ ) من بكتيريا Enterobacter aerogenes قيمًا مختلفة لنشاطه المتعدد اعتمادًا على أيوني المعدن اللذين يرتبط بهما، وهو ما تحدده وفرة الأيونات. ^{[ 21 ]} في بعض الحالات، يمكن زيادة التعددية الوظيفية عن طريق تخفيف خصوصية الموقع النشط بتوسيعه بطفرة واحدة، كما هو الحال مع الطفرة D297G في إنزيم إيبيميراز L-Ala-D/L-Glu من الإشريكية القولونية ( ycjG ) والطفرة E323G في إنزيم لاكتونيزين الميوكونات II من الزائفة، مما يسمح لهما بتحفيز نشاط إنزيم سينثاز O-سكسينيل بنزوات ( menC ) بشكل متعدد الوظائف. ^{[ 22 ]} في المقابل، يمكن تقليل التعددية الوظيفية، كما هو الحال مع إنزيم سينثاز γ-هيومولين (سينثاز سيسكويتربين) من شجرة التنوب الكبيرة (Abies grandis ) المعروف بإنتاجه 52 نوعًا مختلفًا من السيسكويتربينات من ثنائي فوسفات الفارنيسيل عند حدوث عدة طفرات. ^{[ 23 ]}

أظهرت الدراسات التي أجريت على الإنزيمات ذات التخصص الواسع - وليست إنزيمات متعددة التخصصات، ولكنها قريبة منها من الناحية المفاهيمية - مثل التربسين والكيموتريبسين لدى الثدييات، وإنزيم إيزوميراز/هوموأكونيتاز ثنائي الوظيفة من بكتيريا بيروكوكوس هوريكوشي، أن حركة حلقات الموقع النشط تساهم بشكل كبير في المرونة التحفيزية للإنزيم. ^{[ 24 ] [ 25 ]}

الأيض الثانوي للنبات

تُنتج النباتات عددًا كبيرًا من المستقلبات الثانوية بفضل إنزيمات، على عكس تلك المشاركة في الأيض الأولي، أقل كفاءةً تحفيزيةً ولكنها تتمتع بمرونة آلية أكبر (أنواع تفاعلات) وتخصصات أوسع. يسمح عتبة الانحراف الليبرالية (الناتجة عن انخفاض الضغط الانتقائي بسبب صغر حجم المجموعة) للمكاسب التي يوفرها أحد المنتجات بالحفاظ على الأنشطة الأخرى حتى وإن كانت غير مفيدة فسيولوجيًا. ^{[ 29 ]}

في مجال التحفيز الحيوي ، يُسعى إلى إيجاد العديد من التفاعلات غير الموجودة في الطبيعة. ولتحقيق ذلك، يتم تحديد وتطوير إنزيمات ذات نشاط محدود تجاه التفاعل المطلوب، وذلك من خلال التطور الموجه أو التصميم العقلاني . ^{[ 30 ]}

ومن الأمثلة على الإنزيمات التي تطورت بشكل شائع إنزيم ω-transaminase الذي يمكنه استبدال الكيتون بأمين كيرالي ^{[ 31 ]} وبالتالي تتوفر مكتبات من المتماثلات المختلفة تجاريًا للتنقيب الحيوي السريع ( على سبيل المثال، Codexis ^{[ 32 ]} ).

ومن الأمثلة الأخرى إمكانية استخدام الأنشطة المتعددة لإنزيم سيستين سينثاز ( cysM ) تجاه النيوكليوفيلات لإنتاج الأحماض الأمينية غير البروتينية . ^{[ 33 ]}

يمكن حساب التشابه بين التفاعلات الإنزيمية ( EC ) باستخدام تغيرات الروابط أو مراكز التفاعل أو مقاييس البنية الفرعية ( EC-BLAST مؤرشف في 30-05-2019 على Wayback Machine ). ^{[ 34 ]}

بينما تُدرس خاصية التفاعل المتعدد بشكل أساسي من منظور حركية الإنزيمات القياسية، فإن ارتباط الدواء والتفاعل اللاحق يُعد نشاطًا متعددًا، حيث يحفز الإنزيم تفاعلًا مُثبطًا تجاه ركيزة جديدة لم يتطور ليحفزها. ^{[ 5 ]} قد يعود ذلك إلى إثبات وجود عدد قليل فقط من جيوب ارتباط الليجاند المتميزة في البروتينات.

من ناحية أخرى، تطور استقلاب المواد الغريبة لدى الثدييات ليتمتع بنطاق واسع من التخصص في أكسدة وربط وإزالة المركبات الدهنية الغريبة التي قد تكون سامة، مثل قلويدات النباتات، لذا فإن قدرتها على إزالة سمية المواد الغريبة من صنع الإنسان هي امتداد لذلك. ^{[ 35 ]}

• التطور عن طريق تضاعف الجينات
• حركية ميكايليس-مينتين
• التعددية الجزيئية
• العمل الإضافي في مجال البروتين
• سوسومو أونو