•ENZİMLER
Prof.Dr.Emel ULAKOĞLU ZENGİN
İ.Ü.Cerrahpaşa Tıp Fakültesi Biyokimya Anabilim Dalı
I.TANIM
Enzimler, metabolizma reaksiyonlarını hızlandıran,biyolojik katalizörlerdir.
§Protein yapısında maddelerdir.
§Hücrenin gereksinimine uygun kataliz yaparlar.
§Hücre içindeki yerleşimleri metabolik olayların özelliğine göre düzenlenmiştir.
• II. ENZİMLERİN TIPTA KULLANIMI
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.
•III. ENZİMLERİN İSİMLENDİRİLMESİ
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.
•ULUSLARARASI ENZİM SINIFLAMASININALTI ANA SINIFI
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+
• 2.TRANSFERAZLAR
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
• 3.HİDROLAZLAR
Değişik bağların hidrolizini sağlayan enzimlerdir. Bağlara su ekleyerek koparılmalarını katalizlerler.
AB + H2O AOH + BH
Örnek:
NH2 C NH2 + H2O CO2 + 2NH3
• 4.LİYAZLAR
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
• 5.İZOMERAZLAR
Optik ve geometrik izomerlerin rasemizasyonunu katalizleyen enzimlerdir.
ABC ACB
Molekül-içi düzenleme yaparlar.
–OOC CH C CoA –OOC CH2 CH2 C CoA
• 6.LİGAZLAR
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.
•IV.ENZİMLERİN ÖZELLİKLERİ
1.Enzimler protein yapısında maddelerdir:
•Protein yapısına istisna olarak bazı RNA tipleri gösterilebilir.
•Bunlar, fosfodiester bağlarının yıkımı ve sentezi esnasında enzim gibi davranabilirler.
Katalitik etkiye sahip RNA’ya Ribozim denir.
ØEnzimler kolaylıkla denatürasyona uğrarlar:
Denatürasyon, proteinlerin doğal yapılarının bozulması sonucunda aktivitelerinin kaybolmasıdır. Enzim denatüre olduğunda aktif bölgesi de denatürasyona uğrayarak substratını bağlayamaz, bundan dolayı da etkili olamaz.
• Başlıca denatürasyona yol açan faktörler:
§ Isı
§ Işınlar (X ışınları, UV ışınları, vs)
§ Çalkalama
§ Dondurup eritme
§ Derişik asid ve baz
§ Alkol, eter, benzen, vs gibi organik çözücüler
§ Üre, guanidin çözeltileri
• 2.Enzimler özgül moleküllerdir.
Enzimler yalnız belirli reaksiyonları katalizledikleri ve sadece substratları ile etkileştiklerinden dolayı spesifik (özgül) maddelerdir.
3.Enzimler katalitik etkinliğe sahiptir.
§Enzimle katalizlenen reaksiyonların çoğu katalizlenmeyen reaksiyonlara göre 103 –108 kere daha hızlı olarak gerçekleşmektedir.
§Bir enzim molekülü saniyede ortalama 100-1000 substrat molekülünün ürüne dönüşümünü sağlamaktadır.
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.
§Aktif bölgedeki aminoasidlerin yan zincirleri, substratın yapısına uyumlu, üç boyutlu bir yapı oluşturmaktadır.
§Aktif bölgenin substratı bağlamasıyla oluşan enzim-substrat kompleksi (ES), önce enzim-ürün kompleksine, daha sonra ise serbest enzim ve ürüne dönüşmektedir.
E
+ S ES EÜ E + Ü
§Enzim ile substrat biribirlerine hidrojen, elektrostatik ve Van der Waals bağları gibi non kovalent (zayıf) bağlarla bağlanır.
§Zayıf bağlar ve bazı kuvvetli bağlar, aktif bölgelerin aminoasidlerini biribirlerine yanaştırmada önemli rol oynarlar.
Birçok enzimin katalitik bölgesinde aşağıdaki aminoasidler yer alır:
Serin, sistein, histidin, tirozin ve lizin
RİBONÜKLEAZ:
§Bu enzim RNA molekülündeki nukleotidleri hidroliz yapar.
§Yapısı 4 disülfür bağı ile sağlamlaşmıştır.
§Katalitik bölgede 2 histidin kalıntısı yer alır.
Histidin 12 ve Histidin 119
§His 12, ribozun hidroksil grubu üzerine etki eder.
§His 119, ise fosforil kısmına etkilidir.
§Böylece molekülün 2 kısmından kırılma gerçekleşir.
§Molekülün taranmış kısmı ise 5 aminoasidin yer aldığı bazik bir bölgedir.
§Bu bölge RNA‘yı bağlar.
§Enzimlerin substrat bağlama yeri olan aktif bölgedeki aminoasidler, substratın ürüne dönüşmesini sağlayan pek çok kimyasal mekanizmayı kullanır.
§Bu aminoasidlerden bazıları substratın aktif merkeze bağlanmasını, bazıları ise kataliz olayını sağlamaktadır.
§Aktif merkezde yer alan iki bölgeden birincisi bağlanma bölgesi, diğeri ise katalitik bölgeyi oluşturur.
•Enzim ile substrat bağlanmasında iki model ileri sürülmektedir.
1.Model:
Anahtar-kilit modeli
2.Model:
Katalitik bölgenin “uyum oluşturma modeli”
1.MODEL:
§Kilit anahtara olan benzerliğe dayanılmıştır.
§Bu modelde enzimin aktif merkezindeki bir bölge ile substrat yapılarının biribirini tamamlayıcı olmaları gerekmektedir.
2. MODEL:
§Katalitik bölgenin “Uyum-oluşturma” modelidir.
§Başlangıçta enzim ve substrat biribirlerine uygun değildirler.
§Ancak substrat enzimin aktif bölgesine yaklaştıkça, enzim buna uymaktadır.
§Substrat, enzimde biçimsel değişiklik meydana getirir.
6.Bazı enzimler, enzimatik reaksiyon içingerekli olan bir non-protein kofaktör ile birleşirler.
§Sıklıkla karşılaşılan kofaktörler arasında metal iyonları (Zn2+,Fe2+,Cu2+, Mn+2 …vs) ve koenzim olarak adlandırılan bir organik molekül, genellikle vitamin türevleri (NAD+, FAD,CoA..gibi) yer alır.
§Koenzimlerin pek çoğu genellikle B grubu vitaminlerden türevlenmektedir.
§Kofaktörle birleşik durumda olan ve katalitik aktivite gösteren enzim holoenzim olarak bilinmektedir.
§Holoenzimin protein kısmına apoenzim adı verilir.
§Apoenzim kofaktörün yokluğunda biyolojik aktivite gösteremez.
§Protein kısmına sıkıca bağlı olan koenzime prostetik grup denir.
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
§Metal iyonları substrat bağlanmasını ve katalizi kolaylaştırır.
§Aşağıdaki 4 form da, metal iyonları ile katalizlenen enzimatik reaksiyonlar için geçerlidir.
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.
§Mitokondrideki küçük moleküller içinde bulunan serbest enerji, ATP enerjisi şekline dönüşür.
§Kasta ise ATP enerjisi, kasılma esnasında mekanik enerjiye dönüşür.
9. Enzimler tranzisyon (geçiş) durumunu stabilize ederek reaksiyonları hızlandırırlar.
§Moleküllerin reaksiyona girebilmeleri için enerji tüketilmektedir.
§Substrat ürüne dönüşürken tranzisyon (geçiş) durumundan geçer.
S T* Ü
§Tranzisyon durumu, S ve Ü’nün serbest enerjisinden çok daha yüksek enerjiye sahiptir.
§Reaksiyon tranzisyon durumundan itibaren başlar.
§Enerji düzeyinin tepe noktasında bulunan yüksek enerjili geçiş ürünleri daha sonra son ürüne dönüşmektedir.
§Enzimlerin yokluğunda, tranzisyon durumuna ulaşabilen çok az sayıda molekül, ürüne dönüşebilmektedir.
§Reaksiyon hızı ise, bu yüksek enerjiye sahip moleküllerin sayısı tarafından belirlenmektedir.
Ea =Aktivasyon enerjisi
Ea1 = Enzimle katalizlenmemiş reaksiyonun aktivasyon enerjisi
Ea2 = Enzimle katalizlenmiş reaksiyonun aktivasyon enerjisi
§Bir kimyasal reaksiyon ortama enerji salıyor ise, tranzisyon durumuna geçebilmesi için, önce aktivasyon enerjisinden enerji borç alır, sonra bu enerjiyi sarfeder.
§Sarfedilen enerjiden geri kalanı ise ortama serbest enerji şeklinde salınır.
Ea= Tranzisyon durumu serbest enerjisi – substrat serbest enerjisi
§Aktivasyon enerjisi düşük olan reaksiyonların hızı yüksek olmaktadır.
“ Enzimle katalizlenen reaksiyonlarda, enzimler aktivasyon enerjisini azaltarak reaksiyonları hızlandırırlar. Böylece enzim ve substratı, tranzisyon enerjisi daha düşük olan yeni bir reaksiyon yolu oluşturur.”
qSpontan reaksiyon
qKimyasal katalizör varlığındaki reaksiyon
qSpesifik enzim
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
§ Enzimle katalizlenen reaksiyonlarda substrat konsantrasyonu yüksek miktarlarda ise, reaksiyonun başlangıç hızı (Vİ),enzim konsantrasyonu ile doğru orantılı olarak artmaktadır.
2.SUBSTRAT KONSANTRASYONU
§Enzimle katalizlenen bir reaksiyonun hızı (V), ortamda enzim konsantrasyonunun sabit olması koşuluyla, substrat konsantrasyonu ile [S] birlikte hızla artar ve maksimal hız (Vmax) değerine varıncaya kadar artış devam eder.
§Ancak Vmax’ta substrat konsantrasyonu ne kadar artarsa artsın, kataliz hızı artmaz.
§Yüksek substrat konsantrasyonlarında reaksiyon hızının yavaşlaması, enzim üzerindeki substrat bağlama bölgelerinin doygunluğa ulaşmasını
göstermektedir.
§Enzimlerin çoğu Michaelis-Menten Kinetiği gösterirler.
§Belli sıcaklıkta ve sabit enzim konsantrasyonunda, bu kinetiğe uyan enzimler, değişen substrat konsantrasyonu ile başlangıç hızı (VO) arasında hiperbolik bir eğri çizerler (A).
§Buna karşılık allosterik enzimlerde, bu eğri sigmoidal özellik taşımaktadır (B).
3.SICAKLIK
§Kimyasal reaksiyonlarda ısının artması moleküllerin hareketini arttırarak reaksiyon hızının da artmasına yol açar.
§Reaksiyon hızının sıcaklık ile artışı,belli bir enerji düzeyini aşabilecek molekül sayısı ile ilgilidir.
§Bu durum, enzimlerle katalizlenen reaksiyonlar için de geçerlidir.
“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:
§Enzimin en iyi etkilediği ısı derecesidir.
§Bu ısı derecesi, reaksiyon hızını maksimal arttırırken, daha ilerisinde enzimin denatürasyonuna yol açar.
“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).
§Reaksiyon hızı, gerek spontan gerekse katalizör varlığında, sürekli olarak artar (mavi eğri).
§Belirli bir ısı derecesinden sonra, enzim proteini denatüre olur (siyah 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.
§ Enzim etkinliğinin en yüksek olduğu pH , optimum pH’dır.
§ Her enzimin etki ettiği pH farklıdır.
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
§Tersinir olarak sabit bir hızla (k1) substratla [S] birleşen enzim [E], önce enzim-substrat [ES] kompleksini oluşturur.
[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 :
•Katalizin ulaşabileceği en yüksek hız değeridir.
•Enzim bölgeleri substrat ile tam doygunluğa geçince VMAX’a ulaşılır.
Km : (Michaelis-Menten Sabiti)
•En yüksek hız (VMAX) değerinin yarısına ulaşmak için gerekli substrat miktarıdır.
•Ortamda bulunan tüm enzim moleküllerinin aktif bölgelerinin yarısını dolduran substrat miktarıdır.
•Km değerini tam olarak bulabilmek için farklı konsantrasyonlarda substrat kullanılmalıdır.
•Km , bir enzime ve substratına özgüldür.
•Enzimin substratına ilgisini (affinitesi) ni yansıtır.
•Km ,enzim-substrat ilişkisinde bir ölçüdür.
•Km’i düşük olan bir enzim, substratına yüksek ilgi (affinite) gösterir.
•Enzim, aşağı substrat konsantrasyonunda doyar.
•Tersine büyük KM, enzimin substratına düşük ilgisini tanımlamaktadır.
•Km = mol/L olarak ifade edilir.
•Bir çok enzim için bu değer 10-3 – 10-5 mol/L arasında değişir.
Km =
§Enzim a’nın küçük Km ‘i, enzimin substrata ilgisinin yüksek olduğunu yansıtır.
§Enzim b’nin büyük Km’i, enzimin substrata olan ilgisinin az olduğunu yansıtır.
Belirli bir andaki kataliz hızı:
Vo = Michaelis-Menten Eşitliği
§Michaelis-Menten denklemi hiperbolik bir eğrinin denklemidir.
§Bu denklem tersine çevrildiğinde düz eğri elde edilir.
§Düz eğrinin (doğru) çizilmesi ile Km ve VMAX değerlerinin duyarlı bir biçimde belirlenmesi kolaylaşmaktadır.
§Bu doğru ayrıca enzim inhibitörlerinin etki mekanizmalarının saptanmasında da kullanılır.
Lineweaver-Burk çift-resiprok Eğrisi
Km Değerinin Bilinmesinin Önemi
§Enzimlerin Saflaştırılması
§Dokularda enzim aktivitesinin saptanması
§İlaç imalatında
§Enzim inhibitörlerinin belirlenmesi
VII.ENZİM AKTİVİTESİNİN İNHİBİSYONU
§Enzimle katalizlenen bir reaksiyonun hızını azaltan ya da engelleyen maddeye inhibitör adı verilir.
İnhibitör, bir molekül yada iyon olabilir.
§Enzim katalizinin engellenmesi olayına ise inhibisyon denir.
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;
§ reversibl (tersinir, geriye dönüşümlü) veya
§ irreversibl (tersinmez, geriye dönüşümsüz)
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:
§İnhibitör (İ) enzimin aktif bölgesine substratla (S) yarışarak bağlanmaktadır.
§İnhibitör molekülünün yapısı substratınkine benzediğinden dolayı enzim ile inhibitör kolaylıkla bağlanırlar, ancak ürün oluşamamaktadır. Bu tip inhibitörler, enzime asıl substratın bağlanmasını engelleyen maddelerdir.
§Bu tür inhibisyonda Vmax’a ulaşmak için daha fazla substrat gereklidir.
§Ortamda substrat moleküllerinin arttırılmasıyla enzimin
inhibitöre olan ilgisi azalmakta ve inhibisyon ortadan
kalkmaktadır.
E +S ES E + Ü ES,
İ bağlayamaz.
+ Eİ,
Ü oluşturamaz.
İ Eİ
VMAX DEĞİŞMEZ.
Km
§İnhibitör varlığında VMAX değişmez, buna karşılık Km değişir.
§İnhibitör varlığında Km değeri büyür, enzimin substrata olan ilgisi azalmıştır.
§Km büyümüştür. Çünkü 1 küçülmüştür ve Km (eğrinin VMAX eğimi) büyümüştür.
Bir molekülün, belirli bir enzimin inhibitörü olup olmadığı,yahut inhibisyonun tipi, kinetik analizlerle ortaya konulur!
•Metanol zehirlenmesinin tedavisinde yarışmalı inhibisyondan faydalanılır.
•Metanol, alkol dehidrogenaz etkisiyle FORMALDEHİD’e dönüşür.
•Formaldehid körlüğe yol açar.
•Etanol, alkol dehidrogenaza bağlanmada metanol ile yarışır. Böylece formaldehid oluşumu yarışmalı olarak engellenir.
•Metanol zehirlenmesinde damar-içi etanol uygulanır.
b)Yarışmasız (nonkompetitif) İnhibisyon:
§Substratla yapısal benzerliği olmayan inhibitör, substratla aynı bölgeye bağlanmaz.
§Yarışmasız inhibitör, ya serbest enzime ya da ES kompleksine bağlanarak reaksiyonu yavaşlatır.
§Substrat konsantrasyonu arttırılarak inhibisyon ortadan kaldırılamaz.
E +S ES E +Ü VMAX
Km DEĞİŞMEZ
Eİ + S EİS Ü
c)Yarışmasız (unkompetitif) inhibisyon:
§İnhibitör, ES kompleksine bağlanır.
§İnhibitör bağlandığında ürün oluşumu sonlanır.
E +S ES E + Ü
+
İ
EİS Ü
VMAX Km
2-Geriye dönüşümsüz (tersinmez, irreversibl inhibisyon):
§Bu tip inhibisyonlarda aktif bölgeye kovalent olarak bağlanan inhibitör, enzim yapısını bozduğu için geriye dönüş olmamaktadır.
§Sinir gazlarından DIPF (diizopropil fosfofluoridat) asetilkolin isimli nörotransmittörü parçalayan asetilkolin esteraz’ ın tersinmez inhibitörüdür.
§Asetilkolin bir sinir hücresindeki uyarıyı diğer bir hücreye aktaran maddedir.
§Bu etkisi sona erdikten sonra, asetilkolin esteraz tarafından hidrolize uğrar.
§Asetilkolin esteraz’ın aktif bölgesinin DIPF tarafından tersinmez inhibe edilmesi hidroliz olayını engeller ve bunun sonucunda felç meydana gelir.
§Tarımda kullanılan insektisidler (böcek öldürücüler) de asetilkolin esterazın tersinmez engelleyicisidir.
§Birçok insektisidin bileşiminde bulunan fosforlu organik yapı aktif bölgesinde serin amino asidini içeren enzimlerle geriye dönüşümsüz inhibisyon yapar.
Kurşunzehirlenmesi
§Kurşun, proteinlerin yapısında yer alan sistein isimli aminoasidin sülfhidril grubuyla (-SH) kovalent bağlar oluşurur.
§Hemoglobin sentezinde, protoporfirin isimli maddeye Fe+2 girişini katalizleyen ferrokelataz ve yine bu sentezde yer alan δ-aminolevülinat dehidraz isimli enzimler kurşunun geri dönüşümsüz inhibisyonuna duyarlı enzimlerdir.
3-Bazı ilaçlar da enzim inhibitörü olarak etki ederler.
ØPenisilin ve amoxicillin gibi yaygın olarak kullanılan antibiotikler,bakteri duvarı sentezine ait enzimleri inhibe ederek etki gösterirler.
ØACE (angiotensin-konverting enzim) inhibitörleri (captopril, enapril gibi) kan basıncını düşüren ilaçlardır.
ØBu etkilerini, angiotensin I’i vazokonstriktör (damar büzücü) etkili
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
§Organizma varolan enzim miktarını, enzim sentez hızlarını değiştirerek düzenleyebilir.
§Enzim proteinin sentezi ihtiyaca göre artabilir (indüklenme) ya da azalabilir (represyon, baskılanma).
§İndüksiyon ile enzim sentezi artar, represyon ile enzim sentezi azalır.
§Derepresyon ile enzim sentezi baskıdan kurtulup tekrardan artar.
Enzim sentezi indükleyici bir maddeye cevap olarak tetiklenebilir.
§Escherichia coli isimli mikroorganizma glukozun bulunduğu ortamda glukozu kullanır.
§Ancak bir disakkarid olan laktozu, β-galaktozidaz isimli enzimi bulunmadığından dolayı galaktoz ve glukoza hidrolizleyemez.
§Ortamdan glukoz çıkarılıp yerine laktoz ilave edildiğinde, mikroorganizma laktozu kullanır hale gelir.
§Laktoz (indüktör) protein yapısında olan β-galaktozidazın sentezlenmesini indüklemiştir. İndükleyici maddelerin çoğu, enzimlerin substratlarıdır. Ancak substrata yapısal bakımdan benzeyen bileşikler de indükleyici madde olabilirler fakat substrat olamazlar!
§Salmonella isimli mikroorganizma histidin bulunan ortamda, kendisi histidin sentezleyemez ( represyon, baskı altına alma).
§Histidin
korepresör’dür, yani kendi sentezi ile ilgili enzimlerin sentezini
engellemektedir.
§Histidin represyon etkisini bir proteine bağlanarak yapar.
§Bu proteine aporepresör
denir.
§Aporepresör-korepresör, enzim sentezini kontrol altına alır.
§Ortamdan histidin çıkarılması yahut bu maddenin tükenmesi, enzim
biosentezinin tekrardan başlamasını sağlar (derepresyon, baskının ortadan kaldırılışı).
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.
§Aktif bölgeleri dışında bir yere nonkovalent olarak bağlanan
efektör
(modülatör) isimli moleküller tarafından düzenlenirler.
§Allosterik efektörün enzime bağlanması
sonucunda, enzimin
substratına olan ilgisi değişir.
§Efektör, enzim aktivitesini inhibe
ettiğinde negatif
efektör,
aktiviteyi
arttırdığında pozitif
efektör denir.
§HIZ DÜZENLEYİCİ ENZİMLERİN ÇOĞU
ALLOSTERİK ENZİMLERDİR.
§Birden fazla alt üniteden meydana
gelmişlerdir (oligomerik enzimler).
§Çoğunlukla metabolik yolun ilk basamağına
etki ederler.
§Enzim moleküllerinin üzerinde bir katalitik, bir de düzenleyici
bölge bulunur.
§Düzenleyici bölgeye efektör, nonkovalent
olarak bağlanır.
üİki alt birimli bir enzimin 1. alt ünitesine efektörün bağlanması
sonucunda, 2. alt birimin substrat bağlanması etkilenmektedir.
üEfektör, 2. alt birime substrat bağlanmasını hızlandırabilir ya da
yavaşlatabilir.
Bu olaya kooperativite adı verilir.
üOrtamda bulunan allosterik
aktivatör enzimin etkinliğini arttırır,
allosterik
inhibitör ise enzimin etkinliğini azaltır.
üAllosterik enzimlerde, substrat ile hız arasındaki hiperbolik eğri,
sigmoidal karakter kazanır.
üBu grafik lineer olarak çizildiğinde ise kırık şekil alır.
üBöyle bir grafik enzimin 2 veya daha fazla alt üniteden meydana
geldiğini gösterir.
V
üSubstratın kendisi aktivatör ya da inhibitör olarak davrandığında
homotropik
etki denir.
üBu olaya 4 altüniteden meydana gelmiş enzimlerde rastlanır.
üBir allosterik enzim kendi substratından başka bir efektör
tarafından aktive ya da inhibe edilmekte ise heterotropik etkiden
bahsedilir.
§Bir ara ürün veya son ürün de enzim etkinliğinin düzenlenmesinde
görev yapabilir.
§Bu ürün kullanılmıyor birikiyor ise, bu yolda görevli 1. veya 2. enzimi
“negatif feed back” başa tepki şeklinde inhibisyona uğratır.
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
§Bazı enzimlerin katalitik etkileri kovalent modifikasyonlarla
değişebilir.
§Aktivitelerinde kovalent modifikasyona uğrayan enzimler biribirine
dönüşebilen enzimlerdir.
Bu enzimler iki aktivite halinde
bulunurlar:
Yüksek ve düşük aktivite
§En sık rastlanan modifikasyon şekli, enzim molekülünün yapısındaki
belirli serin, treonin veya tirozin isimli aminoasidlere bir fosfat
grubunun eklenmesi veya bir fosfat grubunun çıkarılmasıdır.
§Bazı enzimlerde fosfoenzim, bazılarında ise defosfo enzim şekil
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
§Hücre dışında görev yapan bazı enzimler,
bulundukları yere
zarar vermemeleri için aktif olamayan öncül moleküller şeklinde
sentez edilirler. Bu moleküllere proenzim veya zimojen adı
verilmektedir.
§Zimojen aktivasyonu bir veya birkaç peptid
bağının koparılması
(yarılması, kırılması) ile olur.
vPankreasta sentezlenen tripsinojen (inaktif) etki gösterdiği
barsaklara salgılandığında peptid bağları kırılır ve aktif şekle
dönüşür.
Tripsinojen Tripsin
(İnaktif) (Aktif)
Kimotripsinojen Kimotripsin
(İnaktif) (Aktif)
Kan plazmasında:
Fibrinojen Fibrin
(İnaktif) (Aktif)
…
Foodelphi.com Science of Food Engineering