nEnzim Aktivitesinin Regülasyonu

nDr. Gülçin Eskandari

nRegulatuvar Enzimler

nMetabolizmada ardışık yollar bulunmakta ve birçok enzim bu yollarda görev almakta

nBirinci enzimin katalizlediği reaksiyonun ürünü, bir sonraki basamakta görev alan enzim için substrat olmakta

nBu ardışık reaksiyonlarda hız kısıtlayıcı basamağı oluşturan ve en yavaş katalizin olduğu bir basamak bulunur

nBu tip basamaklarda görev alan enzimlere regulatuvar enzimler denir

nRegulatuvar Enzimler

nRegulatuvar enzimler gelen sinyallere göre katalitik aktivitelerini artırır ya da azaltırlar

nMultienzim sistemlerinin çoğunda ilk reaksiyonu katalizleyen enzim bir regulatuvar enzim

nBu ardışık sırada yer alan diğer enzimler, kendilerine substrat geldiği oranda aktivite gösterirler

nRegulatuvar Enzimler

nRegulatuvar enzimlerin aktiviteleri değişik tipte sinyal molekülleri ile düzenlenir

nBunlar genellikle küçük metabolitler ya da kofaktörler

nMetabolik yolaklarda enzim aktivitelerinin düzenlenmesinde iki strateji izlenmekte;

nEnzimin kovalent yapısında değişiklik oluşturularak Km ya da kcat değerlerinde değişiklik oluşturulması

nEffektör olarak adlandırılan inhibitör ya da aktivatör bir molekülün enzime reversible olarak bağlanması ile Km ya da kcat değerlerinde değişiklik oluşturulması

nParsiyel Proteoliz:

İrreversible bir kovalent modifikasyon

nPankreas tripsin, kimotripsin, elastaz ve karboksipeptidazları inaktif zimojenler olarak sekrete eder

nBunlar ekstrasellüler olarak diğer proteazlar tarafından parsiyel proteolize uğratıldıklarında aktivite kazanırlar

nTripsin, intestinal bir enzim olan enterokinazın N terminal hekzapeptidi yapısından ayırmasıyla aktive kazanır

nTripsin ise kimotripsinin N terminal ucundan 15 amino asidlik bir diziyi kopararak onu aktif hale getirir

nParsiyel Proteoliz

nSindirim enzimlerinin bu şekilde geç aktivite kazanmalarının faydası, sentezlendikleri doku olan pankreasa zarar verememeleri

nSubstrat bağlanma cebi zimojen formda tam olarak uygun olmadığından, zimojen formun Km değeri daha yüksek

nParsiyel Proteoliz

nPıhtılaşma kaskadında fonksiyon gören enzimler de parsiyel proteolizle aktivasyon kazanırlar

nBunun önemi kaskada gereksinim anına kadar inaktif formda kalmaları

nPıhtılaşama kaskadında fonksiyon gören serin proteaz enzimleri bulunmakta

nParsiyel Proteoliz

nEnzimlerin parsiyel proteolizle aktivasyon kazanmaları irreversible bir olay

nEnzim aktivasyon kazandıktan sonra degrade ya da inhibe edilene kadar aktif

nBu özellikle pıhtılaşma kaskadında pıhtılaşmanın etraf dokulara da yayılması açısından önem taşıyabilir

nParsiyel Proteoliz

nAncak birçok mekanizma pıhtılaşmayı durdurmak için çalışır

nAktif enzim konsantrasyonlarının kan akımı ile dilue edilmesi

nAktif enzimlerin kan akımıyla karaciğere taşınarak degrade edilmeleri

nPıhtılaşmayı engellemekle görevli diğer kan proteinlerinin (protein C ve S gibi) aktif enzimlerin aktif bölgelerine bağlanarak inhibe etmeleri

nReversible Kovalent Modifikasyonlar

nFosforilasyon

nEnzimlerin serin, treonin ya da tirozin residuelarından fosforilasyonu oldukça sık görülen bir kovalent modifikasyon türü

nFosforilasyonu spesifik protein kinazlar, defosforilasyonu ise fosfatazlar geçekleştirir

nKinazlar ve fosfatazların kendileri de metabolik regülasyon altında

nFosforilasyon

nFosforilasyonla aktiviteleri düzenlenen bazı enzimler

nFosforilasyonla aktiviteleri düzenlenen bazı enzimler

nFosforilasyon

nBu enzimler hormonlar ya da büyüme faktörleri gibi ekstrasellüler sinyallerle fosforile ya da defosforile edilirler

nÖR: Epinefrin kas ve adipoz dokuda cAMP-bağımlı protein kinazlar üzerinden bazı enzimlerin fosforilasyonla aktivasyonuna ya da inaktivasyonuna neden olur

nBazı enzimler fosforilasyonla aktifleşirken, bazıları da fosforilasyonla inaktifleşirler

nEpinefrin

nAdipoz dokuda

  TAG Lipaz ® TAG Lipaz-P (aktif)

      ¯

   FFA 

nKas dokusunda

  Glikojen Fosforilaz ® Glikojen Fosforilaz-P (aktif)

  ¯

Glukoz 

  Glikojen Sentaz ® Glikojen Sentaz-P (inaktif)

nFosforilasyon

nBir enzimin fosforilasyonla allosterik effektörlere olan duyarlılığı artabilir ya da azalabilir

nGlikojen sentazın fosforilasyonu ile enzimin glukoz-6-P ve Pi’la inhibisyona olan duyarlılığı artar

nGlikojen fosforilazın fosforilasyonu enzimin allosterik aktivatörü olan AMP’ye duyarlılığını azaltır

nAdenilasyon

nEnzimin tirozin residuesuna adenil (AMP) grubunun eklenmesi bir diğer reversible kovalent modifikasyon türü

nBüyük negatif yüklü bir adenil grubunun eklenmesi enzimi inhibe eder

nBelki de bu etkisini enzimin aktif bölgesini kapatarak gerçekleştirir

nKovalent Modifikasyon   “Kovalent modifikasyon bir hücrenin metabolik yolaklarında görev alan enzimler üzerinde hızlı regülasyon yapmasına olanak tanır”

nAllosterik Regülasyon

nEkstrasellüler sinyallere yanıt olarak genellikle fosforilasyon kullanılırken, hücre içi değişen koşullara yanıt olarak genellikle allosterik regülasyon kullanılır

nATP, bir amino asid ya da metabolik bir ara ürünün fazlalığı ya da azlığı allosterik regülasyonu başlatabilir

nKovalent modifikasyondan farklı olarak, herhangi bir enzim etkisine gereksinim duymaz

nAllosterik Regülasyon

nMetabolik yolaktaki bir ara ürün allosterik effektör olarak fonksiyon görüyor ise, enzim aktivitesi effektör konsantrasyonu ile düzenlenir

nAllosterik regülasyon metabolizmada ince ayar yapar

nAllosterik Enzimler

nAllosterik enzimlerde, modülatör (effektör) adı verilen regulatuvar metabolitler enzime reversible, nonkovalent olarak bağlanır

nModülatörün enzime bağlanması, enzimde konformasyonel değişikliğe neden olur

nKonformasyonel değişiklik de ya aktivitenin artması ya da azalmasıyla sonuçlanır

nAllosterik Enzimler

nAllosterik enzim modülatörleri inhibitör ya da stimülatör olabilirler

nStimülatör genelde substratın kendisi

nSubstratı ve modülatörü aynı olan regülatuar enzimlere homotropik denir Farklı olanlara ise heterotropik denir

nBazı enzimlerin ise iki ya da daha fazla sayıda modülatörü olabilir

nATP, ADP, AMP ve Pi birçok anahtar enzimin regülatörü

nBu moleküller enzimin aktif bölgesi dışında allosterik bölgesine bağlanarak etki ederler

nAllosterik Enzimler

nAllosterik enzimler özellik olarak basit enzimlerden farklılık gösterirler

nBunlar yapısal farklılıklar da olabilir

nAllosterik enzimlerin aktif ya da katalitik bölgelerine ek olarak, modülatör bağlanma bölgeleri de bulunur

nBu bölgeye allosterik bölge denir

nSubstrat bağlanma özgünlüğü gibi, bu bölgenin de modülatör bağlama özgünlüğü bulunur

nBirden çok modülatörü olan enzimlerin her bir modülatörü için ayrı bağlama bölgesi var

nHomotropik enzimlerde ise aktif ve modülatör bölge aynı

nAllosterik Enzimler

nAllosterik regülasyonla aktiviteleri düzenlenen birçok enzimin birden fazla subuniti var

nBirçok durumda enzim aktivitesindeki değişiklik subunitler arası etkileşimle ilgili

nKooperatif Bağlanma

nBunun için öne sürülen iki model bulunmakta

nSimetri modelinde ya tüm subunitler aktif ya da hepsi inaktif

nArdışık modelde ise subunitler tek tek de konformasyonel değişiklik gösterip aktif hale geçebilmekte

  Tek bir substratın bağlanması da diğerlerinde konformasyonel değişikliği aktive etmekte ve diğer bölgelere substrat bağlanması kolaylaşmakta

nAllosterik Enzimler

nAllosterik enzimler kinetik açıdan da normal Michealis-Menten davranışından farklılık gösterir

nHiperbolik yerine sigmoidal satürasyon eğrileri var

nOksijenin hemoglobine kooperatif bağlanmasına benzer

nBu eğride Vmax/2’ye karşılık gelen substrat konsantrasyonu Km olarak adlandırılamaz

nBunun için K0.5 terimi kullanılır

nAllosterik Enzimler

nSigmoid kinetik davranışı, multiple protein subunitlerine kooperatif bağlanma özelliği gösterir

nDiğer bir deyişle bir subunitteki yapısal değişiklik, komşu subunitlerdeki değişikliğe neden olmakta

nHemoglobine oksijen bağlanmasında gözlenen olaylar gibi

nMyoglobinin hiperbolik saturasyon eğrisi vermekte

nOysa hemoglobinin 4 oksijen bağlama bölgesi olup, allosterik enzimler gibi sigmoidal saturasyon eğrisi göstermekte

nFosfofruktokinaz

nFosfofruktokinaz

nEnzim dört subunitten oluşur

nAMP enzimin allosterik effektörü

nOrtamda ATP varlığında substrat olan fruktoz-6-P konsantrasyonuna bağlı olarak sigmoidal kinetik davranış sergiler

nÇok düşük ATP varlığında ya da allosterik effektörü olan AMP varlığında hiperbolik kinetik gösterir

nAllosterik effektörler kinetik değişikliğine neden olabilirler

nİki subuniti bulunan allosterik bir enzime substrat bağlanması

nAllosterik Feed-Back İnhibisyon

nBazı multienzim sistemlerinde regulatuvar enzimler, yolağın sonunda oluşan son ürün ile spesifik olarak inhibe edilir

nSon ürün oluşumu hücre ihtiyacını aştığı her durumda feed-back inhibisyon oluşabilir

nBu olayda regulatuvar enzimin katalizlediği reaksiyon yavaşlar ve bu aşamadan sonra görev alan tüm enzimler de düşük aktivite gösterir

nBöylece yolağın son ürünü hücrenin ihtiyacı düzeyinde tutulur

nBu tür düzenlemeye de allosterik feed-back inhibisyon denir