Enzimler. Fiziksel İlkeler. Enzim Etkinliğinin Düzenlenmesi

Transkript

1 Enzimler Fiziksel İlkeler Enzim Etkinliğinin Düzenlenmesi Doç. Dr. Handan Akçakaya

2

3 E+S k 1 ES k 2 E+Ü k 2 =k kat k -1 ES nin oluşum hızı = ES nin parçalanma hızı = k 1 [E] [ S] k -1 [ES]+ k 2 [ES] Denge durumunda; k 1 [E] [ S] = k -1 [ES]+ k 2 [ES] ya da; k 1 [E] [ S] - k -1 [ES]- k 2 [ES] = 0 olur

4 k 1 [E] [ S] = k -1 [ES]+ k 2 [ES] Buradan, olarak bulunur. Bu konumda Michaelis sabitini tanımlayabiliriz. Km in değerini yukarıdaki eşitlikte yerine koyduğumuzda,

5 Enzimatik bir reaksiyondaki serbest enzim derişimi dir. Bu değeri az önce bulduğumuz denklemde yerine koyarsak, Eşitliği yeniden düzenleyerek şeklinde yazabiliriz.

6 Burada bulduğumuz [ES] değerini reaksiyonun hız formülünde yerine koyduğumuzda, Reaksiyonun maksimum hızı, enzimin substrat ile doymuş olduğu durumda gerçekleşebileceğinden, [S] değeri Km den çok büyük olur, böylece Km değeri ihmal edildiğinde, Vmaks değerini yukarıdaki hız eşitliğinde yerine koyarsak,

7 Michaelis-Menten Eşitliği: V = Vmax [S] Km + [S]

8

9 V = V [S] max K m + [S] V = V max [S] K m V = k [S]

10 V = V [S] max K m + [S] V = V max [S] [S] V = V max

11 V = V [S] max K m + [S] V = V = V = Vmax [S] [S]+ [S] Vmax [S] 2 [S] Vmax 2

12 MM eşitliğinin tersine çevrilip çarpanlarına ayrımasıyla; Lineweaver-Burk Eğrisi

13 MM eşitliğinin her iki tarafının Vmax ve V ile çarpılıp yeniden düzenlenmesiyle Eadie-Hofstee Eğrisi

14 Km İN ÖZELLİKLERİ: Michealis menten sabiti bir enzime ve belirli bir substrata özeldir ve o enzimin substrata olan ilgisini yansıtır. Km sayısal olarak, reaksiyon hızının ½ Vmax a eşit olduğu noktadaki substrat konsantrasyonudur. Km enzim konsantrasyonu ile değişmez ve enzimin substratına karşı gösterdiği afiniteyi gösterir. Küçük Km: Sayısal olarak küçük Km enzimin substratına karşı ilgisinin yüksek olduğunu gösterir.. Büyük Km: Sayısal olarak yüksek Km, enzimin substratına karşı olan ilginin düşük olduğunu gösterir..

15 Enzimlerin etki mekanizmalarını incelemede enzim inhibitörlerinin büyük rolü olmuştur. Enzim inhibitörleri; geridönüşümlü geri- dönüşümsüz etkilerine göre iki sınıfa ayrılır.

16 Geridönüşümlü inhibisyon enzim ile inhibitör arasında zayıf bağlar üzerinden oluşan bir kompleksin varlığına dayanır. Bu tür inhibisyon inhibitörün ortamdan uzaklaşmasıyla sonlanır. Geridönüşümlü inhibisyonlar enzim etkinliğinin düzenlenmesi açısından özel önem taşır. Geridönüşümsüz inhibisyon ise inhibitörün enzime genelde kovalent bağlarla bağlanmasından kaynaklanır.

17 Geridönüşümlü inhibisyonun başlıca üç türü bulunur. 1-Yarışımlı (kompetetif) inhibisyonda substrat molekülüne benzeşik bir molekül enzimin katalitik bölgesine bağlanarak gerçek substratın bu bölgedeki dönüşümünü engeller. Oluşan inhibisyonun ölçüsü inhibitörün katalitik bölgeye olan ilginliğine ve derişiminin substrat derişimine olan oranına bağlıdır. Yarışımlı inhibisyon substrat ile inhibitörün aynı bağlanma bölgesine yönelik yarışımına dayandığından, substrat derişimini, dolayısıyla substratın bu bölgeye bağlanma olasılığını artırarak, bu tür inhibisyonu ortadan kaldırmak olasıdır.

18 Kompetetiv inhibitör yapı Olarak S la benzerdir (analog) İnhibitör enzim aktif bölgesi İçin S la yarışır. S derişimi artırılırsa inhibitör Etkisi azaltılabilir.

19

20

21 Kompetitive Reversible Inhibitörler v E I EI K I S v k 1 K -1 v [ S] K ES max[ m S] [ I] (1 ) K Kmapp I k 2 1/v E P K m Artar v max Değişmez +inhibitor v max Slope=K m /v max Slope= K m (1+[I]/K I )/v max K m K m (1+[I]/K I ) [S] -1/K m 1/v max -1/(K m (1+[I]/K I )) 1/[S]

22 Tıpta ve biyolojide yaygın kullanım bulan pek çok madde ve ilacın belirli enzimatik tepkimelere özgü kompetetif inhibitör olduklarının burada belirtilmesi yerinde olacaktır.

23 2-Yarışımasız (noncompetitive) inhibisyonda, inhibitör katalitik bölgenin dışındaki bir bölgeye bağlanarak yol açtığı konformasyon değişikliğiyle enzim etkinliğini durdurur. Bu tür inhibisyonu substrat derişimlerini artırarak ortadan kaldırma olanağı yoktur. Enzimin substrata olan görünür ilginliği (dolayısıyla görünür K m değeri) inhibitör varlığında değişmez, ancak tepkimenin V max değerinde azalma olur.

24 Yapısı S ın yapısından farklıdır. Enzim aktif bölgesi dışında Bir bölgeye bağlanır. Enzimin şeklini değiştirerek Aktif bölgeyide etkiler ve S ın Bağlanması engellenir. S ilavesi inhibisyonu Değiştirmez.

25

26

27 Nonkompetitive (Pure) Reversible Inhibitörler v E I K I S EI S k 1 k -1 ES I K I EIS v k 2 S] [ S] K E v (1 [ max m K m Değişmez v max Azalır 1/v P [ I] ) K I +inhibitor v max V max /(1+[I]/K I ) (1+[I]/K I )/V max Slope=K m /v max Slope= K m (1+[I]/K I )/v max K m K m [S] -1/K m 1/v max 1/[S]

28 3-Ankompetetif inhibisyon: Enzim substrattan farklı bir yere ve daima enzimsubstrat kompleksine bağlanır. Enziminhibitör-substrat kompleksi hiç bir zaman ürün veremez. Vmax, Km azalır.

29

30 Unkompetitive Reversible Inhibitörler E S k 1 ES k 2 E P K m ve vmax Azalır Eğim değişmez k -1 I K I EIS v [ S] S] v K m (1 K I (1 ) [ I] [ max K I ) [ I] v v max 1/v +inhibitor Slope=K m /v max V max /(1+K I /[I]) [S] K m /(1+ K I /[I]) K m (1+ K I /[I])/V max Slope= Km /v max -1/K m - (1+ K I /[I])/K m 1/v max 1/[S]

31 İrreversible inhibisyon: İnhibitörle enzim arasında kovalent bağlar oluşur. İnhibitör enzim aktivitesi için gerekli olan fonksiyonel grupları bağlar veya bunların yapısını bozar. İnhibitörün yapısı substrata benzemez ve substrat konsantrasyonu artışı ile geri dönmez. Örneğin bazı böcek ilaçları nörotoksik etkilerini asetil kolinesteraz enziminin aktif bölgesine irrevesible bağlanarak yaparlar. Kinetik olarak nonkompetetif inhibisyonla aynı özellikleri taşır.

32 Büyüyen, çoğalan ve çevresiyle devingen ilişkiler içinde olan canlıların, bu ilişkilerinden doğan gereksinimlerinin karşılanması, ya da değişen ortam koşullarına uyumları enzim etkinliğindeki düzenlenmelerle sağlanır. Örneğin, hücresel moleküllerin biyosentez, yıkım ve taşınma hızlarının ayarlanmasını bu tür enzimatik düzenlemeler belirler. Enzim etkinliğinin düzenlenmesi çeşitli yollardan gerçekleşebilir

33 Enzim etkinliğinin düzenlenmesi Enzim indüklenmesi (hücre gereksinimlerine göre yeni enzim moleküllerinin sentezi). Geri beslemeli (feed-back ) düzenlenme. Sırasal düzenlenme modeli ( sequential model ) Sentez ötesi modifikasyonlar İzoenzimlere dayalı düzenlenme Simojen aktifleşmesi.

34 Enzim indüklenmesi (hücre gereksinimlerine göre yeni enzim moleküllerinin sentezi). Bu mekanizma gen etkinliğinin düzenlenmesi yoluyla gerçekleşir ve bir maddenin değerlendirilmesinden sorumlu enzimlerin yapımını düzenler. Böyle bir değerlendirme sürecinde birbirini tamamlayan işlevlere sahip enzimlerin genleri genelde ortak bir düzenleyici bölgenin (operatör) denetimi altında bulunur. Operatör ve denetimi altındaki (yapısal) genler topluca operon adı verilen düzenleme birimini oluşturur. Genelde, hücrenin gereksinmediği proteinleri (enzimleri) şifreleyen genler operatöre bağlı represör adı verilen proteinler tarafından baskılanmıştır. Represör değerlendirilmesi sözkonusu maddeyle (ligantla) özgün etkileşim sonucu operatör bölgeden ayrışır. Böylece operon gereksinilen enzimlerin sentezi için aktifleşmiş olur.

35 Operon Aktifleşmesi

36 1950 ve 1960 lı yıllarda, laktozun E.coli de glikoz ve galaktoza dönüşüm sürecinde laktozun oynadığı tetikleyici rolü tanımlamaya yönelik çalışmalarla aydınlatılan lac operonu enzim indüksiyon mekanizmalarının klasik bir örneğini oluşturmaktadır. Represör proteinlerin görev aldığı bu tür negatif düzenlemelerin yanı sıra aktifleyici proteinlerin görev aldığı pozitif düzenleme mekanizmaları da bulunmaktadır.

37 Farklı operon sistemlerin işleyiş biçimleri Represör ve aktivatörlerin ligantlarla etkileşimine bağlı çalışan farklı operon sistemleri.

38 Geri beslemeli (feed-back ) düzenlenme. Bu mekanizma bir reaksiyon dizisinin son ürününün, belirli bir derişime eriştiğinde, dizinin ilk aşamasını katalizleyen alosterik enzime bağlanarak onun etkinliğini durdurmasına dayanır. Allosterik enzimler daha önce hemoglobin örneğinde görüldüğü gibi birden çok altbirimden oluşan ve aktif bölge taşıyan proteinlerdir. Bu enzimlerin her altbirimi üzerinde bir katalitik bölge, ayrıca allosterik ya da düzenleyici bölgeler bulunur. Allosterik bölgelere bağlanan aktivatör ya da inhibitör niteliğindeki ligantlar üçboyutlu yapıda yol açtıkları değişikliklerle bu enzimlerin etkinliğini düzenler.

39 Homotropik etkiler: Substratın kendisi efektör görevi yapıyorsa, bu etkiye homotropik etki denilir. Genellikle pozitif efektörlerdir. Heterotropik etkiler: efektör substrattan farklıdır. Heterotropik efektörler inhibitörlerdir ve genelde son ürün inhibisyonu şeklinde ortaya çıkar. Örnek yağ asidi sentezi hız kısıtlayıcı basamağı asetil KoA karboksilaz enzimi asetil KoA dan malonil KoA oluşumunu katalizler. Yağ asidi sentezi yolunun son ürünü palmitoil KoA dır. Asetil KoA karboksilaz enzimi palmitoil KoA ile inhibe edilir. Allosterik etkilerde enzim aktivitesinin düzenlenmesinde hemen devreye giren mekanizmalardandır

40 Geri beslemeli (feed-back ) düzenlenme.

41 Sentezötesi modifikasyonlar Bir çok enzimin aktivitesi kovalent modifikasyonla düzenlenir. En sık görülen şekli serin, treonin ve tirozin kalıntılarına fosfat grubu eklenmesi veya ayrılmasıdır. protein kinaz-fosfoprotein fosfataz Bu enzim aktivitesini düzenleme mekanizması hemen veya dakikalar içinde devreye girmektedir.

42 Enzim aktivitesinin düzenlenme mekanizmaları Düzenleyici olay Tipik efektör Sonuçlar Süre Substrat varlığı Substrat Hız değişir Hemen Ürün inhibisyonu Ürün V m ve/veya Km değişir Hemen Allosterik kontrol Son ürün V m ve/veya Km değişir Hemen Kovalent modifikasyon Başka enzim bir V m ve/veya Km değişir Hemen dakikalar içinde veya Enzim sentezi ve yıkımı Hormon veya metabolit Enzim değişir miktarı Saatler veya günler içinde