Enerji, Enzimler ve Metabolizma

Transkript

1 8 Enerji, Enzimler ve Metabolizma

2 8 Başlıklar 8.1 Biyolojik enerji dönüşümlerinde fizik yasaları 8.2 Biyokimyasal enerjide ATP 8.3 Enzimler 8.4 Enzimler nasıl çalışır? 8.5 Enzim aktivitelerinin kontrolü

3 8.1 Biyolojik enerji dönüşümlerinde fizik yasaları Bir kimyasal tepkime, atomlar birleşmek veya bağlarını değiştirmek için yeterli enerjiye sahip olduklarında gerçekleşir sukroz + H 2 O glukoz + fruktoz tepkiyenler ürünler

4 8.1 Biyolojik enerji dönüşümlerinde fizik yasaları Metabolizma: belirli bir zamanda bir biyolojik sistemde gerçekleşen kimyasal tepkimelerin tümü. Metabolik tepkimeler enerji dönüşümlerini içerir Enerji: iş yapabilirlik veya değişebilme kapasitesidir. Biyokimyasal tepkimelerde enerji değişimleri, moleküllerin içeriği ve özelliklerindeki değişimlerle ilişkilidir.

5 8.1 Biyolojik enerji dönüşümlerinde fizik yasaları Enerjinin tüm formları: Potansiyel enerji kimyasal bağ, konsantrasyon farkları, yük dengesizliği gibi formlarda depolanmış enerji Kinetik enerji hareket enerjisi şeklinde bulunur Enerji bir formdan diğerine dönüştürülebilir.

6 Figure 8.1 Enerji dönüşümleri ve iş

7 Table 8.1 Biyolojide enerji Enerji formu Kimyasal: bağlarda depolu Elektrik: Yüklerin ayrılması Isı: Sıcaklık farkı sebebiyle ısı transferi Işık: fotonlarda depolanmış Elektromanyetik ışıma Mekanik: hareket enerjisi Biyolojik örneği Polimerlerin hidrolizi sırasında kimyasal enerji açığa çıkar Hücre zarlarında yük farkları iyonların kanallardan taşınmasını sağlar Kimyasal tepkimelerde ısı açığa çıkabilir Gözdeki pigmentler ışık enerjisini yakalar Kas hareketlerinde mekanik enerji kullanılır

8 8.1 Biyolojik enerji dönüşümlerinde fizik yasaları İki çeşit metabolizma: Anabolizma: basit moleküllerden karmaşık molekül yapımı. Enerji gerekir Katabolizma: Karmaşık moleküller daha basit moleküllere parçalanır. Enerji açığa çıkar. Genellikle anabolik ve katabolik tepkimeler birbiriyle bağlantılıdır. Katabolik tepkimelerde açığa çıkan enerji anabolik tepkimeleri gerçekleştirmek için kullanılır

9 8.1 Biyolojik enerji dönüşümlerinde fizik yasaları Termodinamik yasaları evrendeki tüm madde ve enerji dönüşümleri için geçerlidir. Bu yasalar hücrelerin yaşamlarını devam ettirmek için enerjiyi nasıl kullandıkları ve dönüştürdüklerini anlamamıza yardımcı olur.

10 8.1 Biyolojik enerji dönüşümlerinde fizik yasaları Termodinamiğin birinci yasası: Enerji yoktan var olmaz ve yok edilemez. Sadece bir formdan diğerine dönüşür Enerji bir formdan diğerine dönüştüğünde, toplam enerji miktarı değişmez Termodinamiğin ikinci yasası: enerji bir formdan diğerine dönüştüğünde enerjinin bir bölümü iş için kullanılamaz hale gelir Hiçbir enerji dönüşümü %100 verimli değildir. Bir bölümü düzensizliğe kaybedilir (ısı).

11 Figure 8.2 Termodinamik yasaları Termodinamiğin birinci yasası İlk enerji Enerji dönüşümü Sonraki enerji Termodinamiğin ikinci yasası İlk enerji Kullanılabilir enerji (serbest enerji Kullanılamayan enerji Entropi Serbest enerji Son kullanılamayan enerji

12 8.1 What Physical Principles Underlie Biological Energy Transformations? 8.1 Biyolojik enerji dönüşümlerinde fizik yasaları Entropi bir sistemdeki düzensizliğin ölçütüdür. Bir sistemde düzen sağlamak enerji gerektirir. Sisteme dışarıdan bir enerji girişi olmadığı takdirde giderek daha düzensiz bir hale gelir.

13 8.1 Biyolojik enerji dönüşümlerinde fizik yasaları Herhangi bir sistemde: Toplam enerji= Kullanılabilir enerji+ kullanılamayan enerji H = G + TS entalpi (H) = serbest enerji (G) + entropi (S) G = H TS (T = mutlak sıcaklık)

14 8.1 Biyolojik enerji dönüşümlerinde fizik yasaları Serbest enerji (G) işe dönüşebilen kullanılabilir enerjidir. Enerjideki değişim kalori veya joule olarak ölçülebilir. Bir tepkimede serbest enerjideki değişim (ΔG) tepkiyenlerle ürünlerin serbest enerjileri arasındaki farktır ΔG = ΔH TΔS ΔG negatifse, serbest enerji açığa çıkar. ΔG pozitifse, serbest enerji gereklidir. Eğer kullanılabilecek serbest enerji yoksa, tepkime gerçekleşmez

15 8.1 Biyolojik enerji dönüşümlerinde fizik yasaları ΔG büyüklüğü: ΔH eklenen (ΔH > 0) veya açığa çıkan (ΔH < 0) toplam enerjiye ΔS entropideki değişime. bağlıdır. Entropide büyük değişimler ΔG yi daha negatif yapar

16 8.1 Biyolojik enerji dönüşümlerinde fizik yasaları Eğer bir kimyasal tepkimede entropi artıyorsa, ürünler daha düzensiz demektir. Örnek: Bir proteinin amino asitlerine hidrolizi sırasında, ΔS pozitiftir.

17 8.1 Biyolojik enerji dönüşümlerinde fizik yasaları Termodinamiğin ikinci yasası: enerji dönüşümleri sebebiyle düzensizlik artma eğilimindedir. Canlı organizmalar düzenlerini sağlamak için sürekli enerjiye ihtiyaç duyarlar.

18 Serbest enerji 8.1 Biyolojik enerji dönüşümlerinde fizik yasaları Egzergonik tepkimeler serbest enerji açığa çıkarır ( ΔG). Katabolizmada düzen azalır Egzergonik tepkimeler Tepkiyenler Açığa çıkan enerji miktarı Ürünler Zaman Zaman

19 Serbest enerji 8.1 Biyolojik enerji dönüşümlerinde fizik yasaları Endergonik tepkimeler serbest enerjiyi kullanır (+ΔG) Anabolizma sırasında düzen artar. Endergonik tepkimeler Ürünler Gereken enerji miktarı Tepkiyenler Zaman Zaman

20 8.1 Biyolojik enerji dönüşümlerinde fizik yasaları Kimyasal tepkimeler her iki yönde de gerçekleşir. Kimyasal denge durumunda ΔG = 0 A B A ve B nin konsantrasyonları gidilecek yönü belirler Her tepkimenin bir denge noktası vardır. Denge noktası tepkimenin bitişine yakın bir noktada ise o kadar fazla serbest enerji açığa çıkar Sıfıra yakın ΔG değerleri geri dönebilen tepkimelerin bir özelliğidir

21 Figure 8.4 Kimyasal tepkimeler denge durumuna yönelir İlk durum: %100 Glukoz 6-fosfat (0.02 M konsantrasyon) Denge durumu: %95 Glukoz 6-fosfat (0.019 M konsantrasyon) % 5 Glukoz 1-fosfat (0.001 M konsantrasyon)

22 8.1 Biyolojik enerji dönüşümlerinde fizik yasaları ΔG tepkiyen ve ürünlerin ilk konsantrasyonuna, sıcaklık, basınç ve ph a bağlıdır. ΔG standart koşullarda belirlenir: 25 C, 1 atmosfer basınç, 1 molar (1M) çözelti ve ph 7.

23 8.2 Biyokimyasal enerjide ATP nin rolü ATP (adenozin trifosfat) serbest enerjiyi depolar ve aktarır. Hidrolize uğradığında ATP büyük miktarda serbest enerji açığa çıkarır. ATP diğer moleküllere fosfat grubu verebilir fosforlamak.

24 8.2 Biyokimyasal enerjide ATP nin rolü ATP hidrolizi serbest enerji açığa çıkarır: ATP + H 2 O ADP + P i + serbest enerji ΔG = 7.3 ile 14 kcal/mol arasındadır (egzergonik)

25 Figure 8.5 ATP Adenin Fosfat grupları Riboz Adenozin AMP (adenozin monofosfat) (adenozin difosfat) (adenozin trifosfat)

26 8.2 Biyokimyasal enerjide ATP nin rolü ATP nin iki özelliği enerji açığa çıkışında rol oynar: Fosfat grupları eksi yüklüdür ve birbirlerini iterler bağ yapmaları için fosfatları bir araya getirmek için gereken enerji P~O bağında depolanır. P~O bağının serbest enerjisi, hidroliz sonrasında oluşan O H bağının serbest enerjisinden yüksektir.

27 8.2 Biyokimyasal enerjide ATP nin rolü Biyoluminesans ATP hidrolizi tarafından gerçekleştirilen endergonik bir tepkimedir: Lusiferin Lusiferaz Oksilusiferin Işık

28 8.2 Biyokimyasal enerjide ATP nin rolü ATP oluşumu endergoniktir: ADP + P i + serbest enerji ATP + H 2 O ATP oluşumu ve hidrolizi, endergonik bir tepkimeyi egzergonik bir tepkimeye bağlar. Metabolizmada bu tip eşleşmeler çok yaygındır. ATP hidrolizi ise enerji açığa çıkarır ve başka bir endergonik tepkimede kullanılır

29 Figure 8.7 ATP hidrolizinin endergonik tepkimeye bağlanması Egzergonik tepkime (enerji açığa çıkarır) ATP hidrolizi Endergonik tepkime (enerji gerekir)

30 8.2 Biyokimyasal enerjide ATP nin rolü Aktif bir hücre her saniyede milyonlarca ATP molekülü üretmek zorundadır. Bir ATP oluştuğu andan saniyeler içerisinde tüketilir. Her ATP molekülü bir gün içinde 10,000 defa hidroliz ve sentez döngüsü geçirir!

31 8.3 Enzimler Katalizörler bir tepkimenin hızını artırır. Bir katalizör, tepkimede değişime uğramaz. Çoğu biyolojik katalizör enzimdir (protein) Enzimler tepkimelerin gerçekleşebileceği bir iskelet yapı oluşturur.

32 8.3 Enzimler Bazı tepkimeler enerji bariyeri sebebiyle yavaştır bir tepkimeyi başlatmak için gereken enerji miktarına aktivasyon enerjisi (E a ) denir. Aktivasyon enerjisi tepkiyenleri tepkimeye hazır bir duruma getirir. Bu duruma geçiş hali denir.

33 Figure 8.8 Aktivasyon enerjisi tepkimeleri başlatır Serbest enerji Serbest enerji Serbest enerji Enerji bariyeri Geçiş hali ara ürünü (kararsız) Tepkiyen (kararlı) Zaman Ürünler Kararlı hal Az kararlı hal (geçiş hali)

34 8.3 Enzimler Aktivasyon enerjisi tepkiyenleri yüksek serbest enerjili kararsız bir hale dönüştürür geçiş hali ara ürünü. Aktivasyon enerjisi sisteme ısı vermekle elde edilebilir tepkiyenlerin kinetik enerjisi artar. Enzimler ve ribozimler (yapısı RNA olan katalizörler) tepkiyenleri bir araya getirerek enerji bariyerini aşağı çekerler.

35 8.3 Enzimler Enzimler ve ribozimler oldukça özgüldür. Tepkimeye girenler substrat olarak adlandırlır. Substrat moleküller enzimin aktif bölgesine bağlanır. Enzimin 3 boyutlu yapısı özgüllüğü belirler bu yapıya şekil olarak uyan moleküller bağlanabilir

36 Figure 8.9 Enzim ve substrat Aktif bölge Substrat Ürünler Enzim Lizozim Peptidoglikan (substrat) Peptidoglikan parçaları (ürünler)

37

38 8.3 Enzimler Enzim-substrat kompleksleri (ES) hidrojen bağları, elektriksel çekim veya kovalent bağlarla birlikte tutulur. E + S ES E + Ürün Enzimin şekli substrata bağlıyken değişebilir fakat ayrıldıklarında eski haline döner.

39 8.3 Enzimler Ayrılma sabiti (K D ) iki molekülün birbirine olan çekimin ölçüsüdür. K D ne kadar düşük olursa bağlanma o kadar güçlüdür. Enzimler ve substratları için K D değerleri 10 5 ile 10 6 M arasında değişir. Bu değerler ES oluşumunu tetikler.

40 8.3 Enzimler Enzimler aktivasyon enerjisini düşürür. Son denge durumu veya ΔG değişmez. Enzimler tepkime hızlarını 1 milyondan kata kadar artırabilirler!

41 Figure 8.10 Enzimler enerji bariyerini azaltır Serbest enerji Katalizlenmemiş tepkime Tepkiyenler Katalizlenmiş tepkime ürünler Tepkime süresi

42 8.4 Enzimler nasıl çalışır? Bir tepkimeyi katalizlerken, bir enzim bir veya daha fazla mekanizma kullanabilir: 1. Substratlara yön vererek 2. Substratların şekillerini değiştirerek 3. Geçici kimyasal gruplar ekleyerek

43 Figure 8.11 Aktif bölge 1. Enzimler substratlara yön vererek, bağ yapacak atomların bir araya gelmesini sağlar

44 Figure 8.11 Aktif bölge 2. Enzimler substratın bağlarını eğebilir veya bükebilir. Böylece substratı kararsız hale getirir Fiziksel zorlama lizozim

45 Figure 8.11 Aktif bölge 3. Enzim amino asitlerinin yan grupları (R grubu) tepkimede geçici olarak yer alabilir Elektrik yükü kemotripsin

46 8.4 Enzimler nasıl çalışır? 3. Kimyasal grup ekleme Asit-baz katalizi: Enzim yan grupları substrata H + ekler veya çıkarır, böylece bir kovalent bağın kopmasını sağlar. Kovalent kataliz: Enzimin yan gruplarından biri substratla kovalent bağ yapar. Metal iyon katalizi: Enzim yan gruplarında bulunan metaller elektron verip alabilir

47 8.4 Enzimler nasıl çalışır Moleküler yapı, özgüllüğü belirler Enzimler substratlarından oldukça büyüktür ve aktif bölge genelde küçüktür. Aktif bölgenin şekli, sadece belirli bir substratın buraya uymasını sağlar Tetiklenmiş uyum: Enzim substrata bağlanınca şekil değiştirir, bu da aktif bölgenin ortaya çıkmasını sağlar

48 Figure 8.12 Boş aktif bölge

49 8.4 Enzimler nasıl çalışır? Bazı enzimler ortaklar a ihtiyaç duyar: Prostetik gruplar: enzimlere bağlanan amino asit olmayan gruplar; kalıcı bağlanma İnorganik kofaktörler: enzime kalıcı olarak bağlanan iyonlar Koenzimler: küçük, karbon içeren içeren moleküller; geçici bağlanma

50 Table 8.2 Enzimlerin protein olmayan ortaklarına örnekler Molekül tipi Tepkimelerdeki rolü Prostetik gruplar Hem FAD Retinal İnorganik kofaktörler Demir Bakır Çinko Koenzimler Biyotin Koenzim A NAD ATP İyonlara, oksijene ve elektronlara bağlanır Elektron/proton taşır Işık enerjisini dönüştürür Yükseltgenme/indirgenme Yükseltgenme/indirgenme Dna bağlanma yapısını sağlamlaştırır -COO - taşır -CO-CH 3 taşır elektron/proton taşır Enerji alır/verir

51 8.4 Enzimler nasıl çalışır? Katalizlenmiş bir tepkimenin hızı substrat konsantrasyonuna bağlıdır. Enzim konsantrasyonu genelde substrat konsantrasyonundan daha düşüktür. Doyma durumunda tüm enzimler substrata bağlıdır; yani maksimum hızda çalışıyor demektir.

52 Figure 8.13 Katalizlenmiş tepkimeler bir noktada maksimum hıza ulaşır Tepkime hızı Maksimum hız Enzimli tepkime Enzimsiz tepkime Substrat konsantrasyonu

53 8.4 Enzimler nasıl çalışır? Enzim verimliliğini hesaplamak için maksimum hız kullanılır: = Birim zamanda ürüne dönüştürülen substrat molekülü (dönüşüm sayısı). Dönüşüm, saniyede 1-40 milyon moleküldür!

54 8.5 Enzim aktivitesi nasıl kontrol edilir? Hücrelerde meydana gelen binlerce tepkime metabolik yolaklar içinde organize edilmiştir. Her tepkime belirli bir enzim tarafından katalizlenir. Tüm yolaklar birbiriyle bağlantılıdır. Enzimlerin ve dolayısı ile tepkime hızlarının kontrolü iç dengenin (homeostazi) sağlanmasına yardım eder

55 8.5 Enzim aktivitesi nasıl kontrol edilir? Karmaşık metabolik yolaklar bilgisayar algoritmaları ile modellenebilmektedir. Bu yeni bilim alanı sistem biyolojisi olarak adlandırılır.

56 Figure 8.14 Metabolik yolaklar

57 8.5 Enzim aktivitesi nasıl kontrol edilir? 1) İnhibitörler (engelleyici) enzimleri kontrol eder: enzime bağlanarak tepkime hızını yavaşlatan moleküller. Doğal inhibitörler metabolizma kontrolüne yardım eder Enzimlerin engellenmesi geri dönüşümsüz veya döndürülebilir olabilir.

58 8.5 Enzim aktivitesi nasıl kontrol edilir? A. Geri dönüşümsüz engellenme: inhibitör molekül enzimin aktif bölgesine kovalent olarak bağlanır ve kalıcı olarak enzimi durdurur. Örnek: DIPF veya sinir gazı

59 Figure 8.15 Geri dönüşsüz engellenme Asetilkolinesteraz Aktif bölge Aktif bölge Serin amino asiti

60 8.5 Enzim aktivitesi nasıl kontrol edilir? B. Geri dönüşümlü engellenme: İnhibitör molekül enzime kovalent olmayan bağlarla bağlanır ve substrat bağlanmasını engeller. B.i) Yarışmacı inhibitörler enzimin aktif bölgesine bağlanmak için doğal substratla yarışırlar. Engellenme derecesi, inhibitör ve substratın konsantrasyonlarına bağlıdır

61 Figure 8.16 Geri dönüşümlü engellenme Substrat Enzim Yarışmacı inhibitör

62 8.5 Enzim aktivitesi nasıl kontrol edilir? Bir kanser ilacı olan metotraksat, yarışmacı bir inhibitördür Pürin oluşumu için gereken bir koenzimin oluşumunu katalizleyen enzime bağlanır. Pürinler DNA eşlenmesi ve hücre bölünmesi için gereklidir

63 In-Text Art, Ch. 8, p. 158

64 8.5 Enzim aktivitesi nasıl kontrol edilir? B.ii) Yarışmacı olmayan inhibitörler: enzime aktif bölgeden değil farklı bir bölgeden bağlanırlar. Enzimin şekli değişir ve aktif bölge değişir Yarışmacı olmayan inhibitör

65 8.5 Enzim aktivitesi nasıl kontrol edilir? Allosteri: «allo» farklı «steri» şekil Allosterik düzenlenme: enzime farklı bir bölgeden bağlanan moleküller enzimde şekil değişikliğine yol açar. Yarışmacı olmayan engellenme bu çeşit bir düzenlenmedir Bu düzenlenme aktifleştirici veya engelleyici olabilir

66 Figure 8.17 Allosterik düzenlenme İnaktif form Katalitik alt birim Aktif bölge Aktif form Engellyici bölge Düzenleyici alt birimler Substrat Aktifleştirici bölge Allosterik engelleyici Allosterik aktifleştirici Ürün oluşmaz Ürün oluşur

67 8.5 Enzim aktivitesi nasıl kontrol edilir? Allosterik enzimlerin çoğunluğu dördüncül yapıya sahip proteinlerdir. Aktif bölge, katalitik alt birimde bulunur. Engelleyici (inhibitör) ve aktifleştiriciler (aktivatör) düzenleyici alt birim denilen diğer polipeptitlere bağlanır. Bazı allosterik enzimlerde aktif bölgeye sahip birden fazla alt birim bulunur. Bir bölgeye substrat bağlanması diğer bölgelerde allosterik etki yapabilir ve daha fazla substrat bağlanarak tepkime hızı artar.

68 8.5 Enzim aktivitesi nasıl kontrol edilir? Tepkime hızlarının substrat konsantrasyonuna göre değişimi allosterik enzimlerde çok farklılık gösterir

69 In-Text Art, Ch. 8, p. 159 (1) Tepkime hızı Tepkime hızı Tek aktif bölgeli allosterik olmayan enzim Çok aktif bölgeli allosterik enzim Substrat konsantrasyonu Substrat konsantrasyonu Allosterik enzimlerde tepkime hızı belirli bir aralıktaki substrat konsantrasyonuna çok hassastır. Ayrıca çok düşük konsantrasyonlardaki inhibitörlere de hassastırlar Bu da allosterik enzimleri metabolik yolakların düzenlenmesinde çok önemli kılar.

70 8.5 Enzim aktivitesi nasıl kontrol edilir? Metabolik yolaklar: Birinci tepkime kesinleştirme adımıdır diğer tepkimeler sonrasında sırayla gerçekleşir. Geribildirim engellemesi (son-ürün engellemesi): son ürün, ilk enzim için yarışmacı olmayan inhibitör işlevi görür. Böylece tüm yolak durdurulur

71 Figure 8.18 Geribildirim engellemesi Başlangııç molekülü Ara ürün Son ürün

72 8.5 Enzim aktivitesi nasıl kontrol edilir? Çoğu enzim geri dönüşümlü fosforlanma (Fosfat grubu eklenmesi) ile kontrol edilir. Bir protein kinaz enzime fosfat grubu eklediğinde aktifleşir ve protein fosfataz bu grubu kestiğinde inaktif olur.

73 8.5 Enzim aktivitesi nasıl kontrol edilir? Her enzim belirli bir ph değerinde aktiftir. ph fonksiyonel grupların iyonlaşmasını etkiler. Örnek: düşük ph ta (yüksek H + ) COO grupları H + ile tepkimeye girerek COOH oluşturur ve yükleri kalmaz; Bu durum enzimin katlanmasını ve dolayısıyla işlevini etkiler

74 Figure 8.19 farklı ph larda enzimler Tepkime hızı Kimotripsin Arjinaz

75 8.5 Enzim aktivitesi nasıl kontrol edilir? Her enzimin iyi çalıştığı bir sıcaklık vardır (optimum sıcaklık). Yüksek sıcaklıklarda kovalent olmayan bağlar kopmaya başlar. Enzimler üçüncül yapılarını kaybeder ve denatüre olur

76 Figure 8.20 Sıcaklık ve aktivitesi Tepkime hızı Maksimum hız Optimum sıcaklık Sıcaklık

77 8.5 Enzim aktivitesi nasıl kontrol edilir? İzozimler: aynı tepkimeyi katalizleyen fakat farklı özellikleri olan enzimler. Ör: optimum sıcaklık Organizmalar farklı sıcaklıklara uyum sağlamak için izozimleri kullanabilirler. İnsanlarda bulunan enzimlerin bakterilere göre optimum sıcaklıkları daha yüksektir yüksek ateş bakteri enzimlerinin yapısını bozabilir.

78 8 Bir herbisit nasıl çalışır? Ot öldürücü glifosat bazı amino asitlerin sentezini yapan metabolik yolaktaki bir enzimi engeller (EPSP sentaz) Deney: Farklı glifosat ve substrat (PEP) konsantrasyonları varlığında sentez tepkimesinin hızı ölçülmüştür.

79 Working with Data 8.1, Figure A Tepkime hızı PEP konsantrasyonu (μm)

80 Soru 1: Glifosat yokluğunda EPSP sentaz hangi substrat konsantrasyonunda doygunluğa erişir? 18 μm glifosatta EPSP sentazın doyması için ne kadar substrat gerekir? Her iki durumda da doygunluk durumunda tepkime hızı nedir?

81 Soru 2: İnhibitör yokluğunda tepkime eğrisine bakarak, EPSP sentazın çok alt birimli allosterik enzim olup olmadığını söyleyiniz.

82 KxU63gcF4