Enzimler ( Prof.Dr. Emel ULAKOĞLU ZENGİN )

    I.TANIM

   Enzimler, metabolizma reaksiyonlarını hızlandıran,biyolojik katalizörlerdir.

1.Enzim aktivitelerinin ölçümü hastalıkların tanı ve izlenmesinde   kullanılır.

 

    Örn:Miyokard İnfarktüsünde:

          CPK (Kreatin fosfokinaz) SGOT (AST) (Serum glutamat okzalasetat transaminaz) LDH (Laktat dehidrogenaz)

2.Kalıtsal metabolik hastalıklar bazı enzimlerin incelenmesiyle  ortaya çıkar.

 

Örn:Galaktozemide:

           Galaktoz-1-fosfat uridil transferaz

3.Tedavi amacıyla bazı enzim preparatlarından yararlanılabilinir.

 

Etkiledikleri maddelerin (substratlarının) sonuna -az- takısı eklenerek  isimlendirilir.

Madde Hidroliz Enzimi

Nişasta(Amilon)                           Amilaz

Yağ      (Lipos)                              Lipaz

Protein
Proteaz

Üre
Üreaz

Bu kurala uymayanlar: Pepsin, tripsin, pityalin

Katalizledikleri reaksiyon tipine göre: oksidaz, dekarboksilaz

Günümüzde bu tür karışıklıkları önlemek amacıyla Uluslararası Biyokimya

Birliğinin (IUB) Enzim Komisyonu tarafından Sistematik isimlendirme  önerilmiştir. Bu sistemde her enzim, katalizlediği reaksiyon tipine ve mekanizmasına göre isimlendirilmektedir.

Günlük kullanımda önerilen kısa isme ilaveten daha detaylı sistematik  ismin kullanılması öngörülmüştür.

SİSTEMATİK İSİMLENDİRMENİN TEMEL ÖZELLİKLERİ

1. Reaksiyonlar ve bu reaksiyonları katalizleyen enzimler, reaksiyon mekanizmalarına göre 6 sınıfa bölünürler. Bu  sınıflarında alt sınıfları  vardır.

2. Her enzimin bir kod numarası vardır (EC). Bu kod, dörtlü sayı grubu ile gösterilir.

1.OKSİDOREDÜKTAZLAR

Oksidasyon (yükseltgenme) ve redüksiyon (indirgenme) reaksiyonlarını katalizleyen enzimlerdir. Dehidrogenaz ve oksidazlar, substrat olarak, hidrojen ve elektron vericileri kullanırlar.

AYÜK  +
BİND                              AİND    +
BYÜK

Bir molekülden H+kopararak, o molekülün yükseltgenmesini; bir başka  moleküle H+’i aktararak o molekülün indirgenmesini katalizlerler.

Örnek:

CH3 CH     COO־ + NAD+               CH3      C     COO־ + NADH +H+

Molekülden H+ dışında, başka grupları (C, N ve fosfor taşıyan gruplar) aktaran enzimlerdir.

 
AB  + C                     A  +  BC

Örnek:

CH2     CH     COO־ + THF                         CH2    COO־ + THF    CH2

Değişik bağların hidrolizini sağlayan enzimlerdir. Bağlara su ekleyerek koparılmalarını katalizlerler.

  AB +  H2O                    AOH  +  BH

Örnek:

  NH2       C     NH2  + H2O                 CO2 + 2NH3

C-C, C-O, C-N ve C-S bağlarını yükseltgeme ve hidroliz dışında bir mekanizma ile kıran enzimlerdir.

                      AB                    A  +  B

Örnek:

      CH3       C         COO–                                     CH3        CH    + CO2

Optik ve geometrik izomerlerin rasemizasyonunu katalizleyen enzimlerdir.

                    ABC                ACB

Molekül-içi düzenleme yaparlar.

–OOC     CH C    CoA              –OOC    CH2     CH2            C     CoA

Yüksek enerjili fosfatların enerjisini kullanarak, karbon ile C,O,S,N arasında bağ oluşumunu katalizleyen enzimlerdir.

     A + B + ATP                AB + ADP + Pİ

ATP ve benzeri trifosfatları
kullanarak iki molekülü birleştirirler.

CH3     C COO– +  CO2                         HOOC     CH2      C COO–

Sistematik İsimlendirme:

Örn:

ATP + D-Glukoz                     ADP + D-Glukoz-6-Fosfat

Önerilen kısa isim: Hekzokinaz

Enzim kodu: EC
(2.7.1.1)

Sistematik isim: ATP:
glukoz fosfotransferaz

EC
(2.7.1.1):

İlk sayı:
Reaksiyon tipini açıklar (Major sınıf)

Transferaz sınıfı

İkinci sayı:
Alt sınıf

Fosfotransferaz

Üçüncü sayı:Alt alt sınıf

Hidroksil grubunun alıcı olduğu fosfotransferaz

Dördüncü sayı:Enzim için spesifiktir. Fosfat grubunun D-glukoza aktarıldığını açıklar. Enzimin listeye girdiği seri numarasıdır.

1.Enzimler protein yapısında maddelerdir:

Katalitik etkiye sahip RNA’ya Ribozim denir.

Denatürasyon, proteinlerin doğal yapılarının bozulması sonucunda  aktivitelerinin kaybolmasıdır. Enzim denatüre olduğunda aktif bölgesi de  denatürasyona uğrayarak substratını bağlayamaz, bundan dolayı da etkili  olamaz.

Enzimler yalnız belirli reaksiyonları katalizledikleri ve sadece  substratları ile etkileştiklerinden dolayı spesifik (özgül) maddelerdir.

3.Enzimler katalitik etkinliğe sahiptir.

Enzimin dönüşüm sayısı (Turnover sayısı):

Enzim molekülü tarafından   bir saniyede ürüne çevrilen substrat  molekülü sayısıdır.

     CO2  + H2O                         H2CO3

Karbonik anhidraz, 1 saniyede 105 molekül CO2’e, H2O’yu bağlayarak

karbonik asid oluşturur.

4. Substrat-ürün dönüşümleri çift yönlü olabilmektedir.

           C                           

Bu iki madde arasındaki izomerizasyon glikoliz yolunda rastlanır.

Enzim iki yöne doğru reaksiyon hızını arttırmaktadır.

5.Enzim moleküllerinde aktif bölge ismi verilen özel bir boşluk ya da  cep kısmı bulunur.

E
+ S         ES          EÜ               E + Ü

Birçok enzimin katalitik bölgesinde aşağıdaki aminoasidler yer alır:

Serin, sistein, histidin, tirozin ve lizin

RİBONÜKLEAZ:

             Histidin 12 ve Histidin 119

1.Model:
Anahtar-kilit modeli

2.Model:
Katalitik bölgenin “uyum oluşturma modeli”

1.MODEL:

2. MODEL:

6.Bazı enzimler, enzimatik reaksiyon içingerekli olan bir non-protein kofaktör ile birleşirler.

Kofaktörü metal iyonu olan bazı metalloenzimler:

Kofaktör               Enzim

Fe2+                       Katalaz, peroksidaz

Cu2+                                  Sitokrom oksidaz, tirozinaz

Mg2+                                 Fosfohidrolaz, fosfotransferaz

Mn2+                                Arginaz

Zn2+                                   Alkol dehidrogenaz

Mo2+                      Ksantin oksidaz                          

Enz
S     M                          M      Enz      S

Enz
     M      S                       Enz

KOENZİMİ VİTAMİN OLAN BAZI ENZİMLER:

Enzim                      Vitamin                  Koenzim
Katalizlenen reaksiyon

Dekarboksilaz          B1
vitamini               TPP (Tiamin pirofosfat)
…………………R-CO-COOH

                                   (Tiamin)
RCHO + CO2

(Dekarboksilasyon)

Dehidrogenaz           B2 vitamini              FMN(Flavin
mononukleotid ve…………..Hidrojen

                                  (Riboflavin)            FAD
Flavin adenin dinükleotid)                 transferi

Transaminaz            B6
vitamini               Pridoksal
fosfat     ……………….Amino asidlerden aldığı

                                  (Pridoksal)
-NH2 grubunu α-keto

asidlere transfer eder.

Karboksilaz             Biotin                       Biotin      …………………………α-keto
asidlere CO2 ‘i

bağlar(Karboksilasyon)

Transformilaz         Folik
asid                  THF……………………………   -CHO, -CH2 OH, -CH3

(Tetrahidrofolat)                              gruplarının transferi

Transmetilaz           B12
vitamini               Kobamid…………………………-CH3 grubu transferi

İzomeraz
koenzim

7. Enzimler hücrenin metabolik gereksinimlerine uygun şekilde aktive  veya inhibe edilerek ürün oluşum hızı kontrol edilebilir.

Bu olaya enzim aktivitesinin düzenlenmesi denir.

8. Enzimler enerji türlerini biribirine dönüştürürler.

9. Enzimler tranzisyon (geçiş) durumunu stabilize ederek reaksiyonları hızlandırırlar.

                   S                T*               Ü

Ea =Aktivasyon enerjisi

Ea1 = Enzimle katalizlenmemiş reaksiyonun aktivasyon enerjisi

Ea2 = Enzimle katalizlenmiş reaksiyonun aktivasyon enerjisi

Ea= Tranzisyon durumu serbest enerjisi – substrat serbest enerjisi

“ Enzimle katalizlenen reaksiyonlarda, enzimler aktivasyon enerjisini azaltarak reaksiyonları hızlandırırlar. Böylece enzim ve substratı, tranzisyon enerjisi daha düşük olan yeni bir reaksiyon yolu oluşturur.”

V.ENZİMLERİN KATALİZ HIZINA ETKİ EDEN FAKTÖRLER

KatalizHızı,birim zamanda oluşan ürün ya da kaybolansubstrat miktarıdır.

Enzimle katalizlenen reaksiyonların hızını etkileyen faktörler:

1.Enzim Konsantrasyonu

2.Substrat Konsantrasyonu

3.Sıcaklık

4.pH

1.ENZİM KONSANTRASYONU

2.SUBSTRAT KONSANTRASYONU

 3.SICAKLIK

“Enzimle katalizlenen bir reaksiyonda sıcaklığın yükselmesi reaksiyon hızını arttırmaktadır.”

Ancak enzimler protein yapısında  maddeler olduklarından,belirli bir ısı derecesinden itibaren (genelde 45ºC) enzimin denatürasyonu söz konusu olacağından, reaksiyon hızında da bir azalma meydana gelecektir.

Optimum Temperatür:

“Enzim etkinliği düşük ısıda az, tepe noktasında en fazla, sıcaklık  arttığında ise hızla düşer.”

Genellikle, başlangıçta sıcaklığın her 10 ºC artışı, reaksiyon hızının iki katına çıkmasını sağlamaktadır.

Enzim aktivitesinde,optimum temperatür 2 faktörle belirlenmektedir (Kırmızı eğri).

Termik İnaktivasyon:

Enzim çözeltisi hazırlandıktan sonra enzim aktivitesi ölçülür (Eo). Daha sonra çözelti termostata konarak her 2-3 dakikada bir ısı derecesi arttırılır ve çözeltiden bir kısım alınarak aktivite ölçülür (E). Isıtma süresi arttıkça aktivitede giderek azalma gözlenir. İnaktivasyon, zamanın logaritmik fonksiyonudur.

4.pH

Enzimatik reaksiyonlar ortamın H+ iyonu konsantrasyonundan kolaylıkla etkilenirler.

Enzimler pH değişikliklerine bağlı olarak başlıca 2 tip aktivite eğrisi gösterirler:

a) Dar sınırlar içinde etkiyi gösteren çan eğri

b) Geniş sınırlar içinde etkiyi gösteren plato eğri

Çoğunlukla enzimlerin optimum pH’ı 5-8 arasında değişmektedir.                                                                             

Maksimum aktiviteyi pH= 2’de gösterir. Nötral pH’da çalışan enzimler asidik ortamda denatüre olurlar.

      pH değişikliklerinin enzimatik aktivite üzerindeki etkileri aşağıdaki  faktörler tarafından belirlenmektedir.

1. Ortamın çok yüksek ve çok düşük pH düzeyleri, enzimin denatürasyonuna yol açarak, yapısında geri dönüşümsüz değişiklikler yapar.

2. Apoenzim ile koenzim arasındaki bağlar etkilenir.

3. Bir protein olan enzimin yapısındaki amino ve karboksil gruplarının iyonizasyon  durumu, ortamın pH değerine bağlı olarak değişir.

Aktif bölgedeki iyonizasyon değişikleri, enzim-substrat reaksiyonunu ve buna bağlı olarak katalizi bozar.

Örnek:

Katalitik aktivite için ortamdan H+ iyonu kazanılması gerekiyor ise, moleküldeki amino gruplarının protonlaşması gibi:

                 – NH2                    -NH3+

Alkali  pH ‘da proton kaybı olacağından, verilen örnekte enzimatik aktivite hızı düşer.

4. Büyük çoğunlukla pH değişikliklerinden substratın da iyonizasyon durumu etkilenir.

Reaksiyon Hızı (v):

Enzim etkisiyle birim zamanda kaybolan substrat miktarı veya  oluşan ürün miktarı ile ölçülür.

Enzim Moleküler Aktivitesi:

Optimum reaksiyon şartlarında, 1 molekül enzim tarafından 1 dakikada  ürüne dönüşen substrat miktarıdır.

Spesifik Enzim Aktivitesi:

mg protein başına düşen enzim ünite sayısıdır.

Enzim Ünitesi:

Optimal şartlarda, 1 dakikada 1 mikromol (μmol) substratı ürüne  dönüştüren enzim miktarıdır.

Enzimlerin katalizledikleri reaksiyonlarda genel kimyasal reaksiyon  kinetikleri geçerlidir.

Michaelis ve Menten isimli araştırmacılar, enzimlerle gerçekleşen reaksiyonlar için basit bir tanımlama yapmışlardır.

Enzim kinetiklerinin kantitatif analizleri için geliştirilen bu model, tek substratlı reaksiyonlar için geçerlidir.

E+ S              ES              E + Ü

k1, k2 ve k3 :  reaksiyonların hız sabitleri

[ES] kompleksi daha sonra başlıca 2 akıbete uğrayabilir:

1. Sabit bir hızla (k2) yeniden E ve S’a dönüşür.

2. Yahut k3 sabit hızıyla ürün [Ü] oluşurken enzim de serbestleşerek ilk yapısını kazanır.

ES oluşum hızı = k1[E] [S]

ES yıkılım hızı = (k2 +k3) [ES]

Reaksiyon hızı ile substrat konsantrasyonu arasındaki ilişkiyi tanımlayan

Michaelis-Menten denklemi kurulurken aşağıdaki varsayımlar gözönüne alınmıştır:

1. Substrat konsantrasyonu [S], enzim konsantrasyonun [E]’dan çok daha fazladır. Böylece belirli bir zamanda enzime bağlı olan substrat

miktarı ihmal edilebilir.

2.  Reaksiyonun denge durumunda ES kompleksinin oluşum ve yıkılım hızları biribirine eşittir.

Reaksiyonun denge durumunda :

 k1 [E] [S] = [k2 + k3] [ES]     (1)

 [ES]  =                                  (2)

Michaelis-Menten denklemi hiperbolik bir eğrinin denklemidir.

VMAX :

Km : (Michaelis-Menten Sabiti)

               Km =  

 Belirli bir andaki kataliz hızı:

          Vo =                                             Michaelis-Menten Eşitliği

Lineweaver-Burk çift-resiprok Eğrisi

Km Değerinin Bilinmesinin Önemi

VII.ENZİM AKTİVİTESİNİN İNHİBİSYONU

        İnhibitör, bir molekül yada iyon olabilir.

Enzim Katalizinin İnhibisyonu (engellenmesi)

1.   Enzimlerin yapısal özelliklerinin ve katalitik aktivitelerinin incelenmesinde önemli rol oynar.

2.   Hücre içindeki metabolik yolların belirlenmesinde yol gösterir.

3. Biyolojik sistemlerin temel kontrol mekanizmasını oluşturur.

4.   Pek çok ilaç ve zehirli bileşik tarafından ortaya çıkabilir.

Enzimlerin inhibisyonu;

olarak iki grupta incelenir.

1-Geriye dönüşümlü (reversibl) inhibisyonlar:

Bu tip inhibisyonlarda substrat konsantrasyonunun ya da inhibitöre oranla enzim konsantrasyonunun arttırılması ile enzim inhibitör ilişkisi tersine çevrilebilmektedir.

a)Yarışmalı (kompetitif) inhibisyon:

inhibitöre olan ilgisi azalmakta ve inhibisyon ortadan

kalkmaktadır.

E +S             ES            E + Ü           ES,
İ bağlayamaz.

+                                                        Eİ,
Ü oluşturamaz.

İ             Eİ

 VMAX   DEĞİŞMEZ.

Km    

Bir molekülün, belirli bir enzimin inhibitörü olup olmadığı,yahut inhibisyonun tipi, kinetik analizlerle ortaya konulur!

b)Yarışmasız (nonkompetitif) İnhibisyon:

 E +S            ES            E +Ü      VMAX

Km      DEĞİŞMEZ

Eİ + S          EİS            Ü

c)Yarışmasız  (unkompetitif) inhibisyon:

E +S            ES            E + Ü

                        +

                        İ                                     

                        EİS              Ü

                          VMAX   Km       

2-Geriye dönüşümsüz (tersinmez, irreversibl inhibisyon):

Kurşunzehirlenmesi

3-Bazı ilaçlar da enzim inhibitörü olarak etki ederler.

     angiotensin II’ye çeviren ACE’yi bloke ederek gösterirler.

Angiotensin I
Angiotensin II

VIII. ENZİM AKTİVİTESİNİ DÜZENLENMESİ  

Bir metabolik yolun belli bir hızda ve yönde ilerleyebilmesi için kontrol altında tutulması gerekir, bu da enzimlerin sayesinde olur Enzim aktivitesi 2 şekilde kontrol edilebilir:

1-Enzimin mutlak (absolü) miktarının değişimi

2-Enzimin katalitik etkinliğinin değişimi

1-ENZİMİN MUTLAK MİKTARININ DEĞİŞİMİ

Enzim sentezi indükleyici bir maddeye cevap olarak tetiklenebilir.

2-ENZİMİN
KATALİTİK ETKİNLİĞİNİN DEĞİŞİMİ

1.
Enzim molekülünün
aktivasyon-inhibisyonu

    (Allosterik enzimler)

2.
Kovalent Modifikasyon

3.
Zimojen Aktivasyonu

1.ALLOSTERİK
ENZİMLER  

     Allosterik “başka
yere ait”
anlamına gelir.

efektör
(modülatör) isimli moleküller tarafından düzenlenirler.

substratına olan ilgisi değişir.

    aktiviteyi
arttırdığında pozitif
efektör denir.

bölge bulunur.

        Bu olaya kooperativite adı verilir.

allosterik
inhibitör ise enzimin etkinliğini azaltır.

 sigmoidal karakter kazanır.

V

homotropik
etki denir.

tarafından aktive ya da inhibe edilmekte ise heterotropik etkiden

bahsedilir.

görev yapabilir.

        A                           B                                C                           D

D’nin konsantrasyonu, sentezlendiği kadar
tüketilmediğinden dolayı

artacak olursa, metabolik yoldaki
ilk enzim inhibe olur.

Düzenleyici
enzimler sayesinde son ürünün birikimi engellenmiş olur!

2.
KOVALENT MODİFİKASYONA UĞRAYAN SİSTEMLER

değişebilir.

dönüşebilen enzimlerdir.

       Bu enzimler iki aktivite halinde
bulunurlar:

          Yüksek ve düşük aktivite

belirli serin, treonin veya tirozin isimli aminoasidlere bir fosfat

grubunun eklenmesi veya bir fosfat grubunun çıkarılmasıdır.

daha aktif olabilmektedir.

Metabolik yolun gereksinimine uygun
olarak, fosfor grubunun

enzime ilavesi ya da enzimden
ayrılması sonucunda, enzim iki faklı

şekilde çalışmaktadır.

     Glukoz
Glikojen

Glikojen
sentataz

Glikojen
fosforilaz

Organizmanın glukoza gereksinimi
olduğu esnada, glikojen sentataz

fosforillenerek aktivitesini
kaybeder. Aynı esnada glikojen fosforilaz

bir fosfat grubu bağlayarak aktif
şekle dönüşür. Bu sayede depo

maddesi glikojenden glukoz sağlanmış olur.

Fosforilasyon ve defosforilasyon
sırası ile protein
kinaz ve protein

fosfataz ismi verilen enzimler tarafından
gerçekleştirilmektedir. Bu

enzimler ise hormonal ve sinirsel kontrol altında tutulmaktadır.

Aktif
sentataz
İnaktif fosforilaz

İnaktif
sentataz
Aktif fosforilaz

Aktif
sentataz
İnaktif fosforilaz

İnaktif
sentataz
Aktif fosforilaz

Kinaz ve Fosfataz isimli enzimler kovalent modifikasyonun
reversibl

(geri
dönüşebilir) oluşunu sağlayan enzimlerdir.

3.ZİMOJEN
AKTİVASYONU

zarar vermemeleri için aktif olamayan öncül moleküller şeklinde

sentez edilirler. Bu moleküllere proenzim veya zimojen adı

verilmektedir.

    (yarılması, kırılması) ile olur.

barsaklara salgılandığında peptid bağları kırılır ve aktif şekle

dönüşür.

Tripsinojen                               Tripsin

 (İnaktif)                                    (Aktif)

Kimotripsinojen                        Kimotripsin

(İnaktif)                                    (Aktif)

Kan plazmasında:

Fibrinojen                                 Fibrin

(İnaktif)                                    (Aktif)

…