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