Enzimler Enzimler metabolizma reaksiyonlarını hızlandıran moleküllerdir. Katalitik RNA moleküllerinin küçük bir grubu hariç, bütün enzimler proteindir. Katalitik aktiviteleri doğal protein konformasyonunun sağlamlığına bağlıdır. Protein enzimlerinin birincil, ikincil, üçüncül ve dördüncül yapısı katalitik aktivite için esastır. Bazı enzimler amino asit kalıntısı dışında aktivite için kimyasal gruplara gereksinmez. Kofaktör olarak adlandırılan Fe2+, Mg 2+, Mn2+ veya Zn2+ gibi bir veya daha fazla inorganik iyona ya da koenzim olarak adlandırılan kompleks organik ve metalloorganik moleküllere gereksinir. Bazı enzimler aktivite için hem koenzime hem de bir ya da daha fazla metal iyonuna gereksinir.
Enzim, proteine çok sıkı olarak veya hatta kovalent olarak bağlanan bir koenzim veya metal iyonu bir prostetik grup olarak adlandırılır. Metal iyonlarıyla ve/veya koenzimiyle birlikte katalitik olarak aktif olan bir enzim haloenzim olarak adlandırılır. Bu gibi enzimlerin protein kısmı apoenzim veya apoprotein olarak adlandırılır. Bazı enzim proteinleri fosforillenme, glikozillenme ve diğer süreçlerle kovalent olarak modifiye edilir. Bu değişimlerin bir çoğu enzim aktivitesinin düzenlenmesini kapsar. Tepkime enzim üzerinde sınırlandırılmış aktif yer adı verilen bir bölgenin içinde meydana gelir. Aktif yere bağlanan ve enzimin üzerinde aktivite gösterdiği molekül substrat olarak adlandırılır.
Enzimlerin Sınıflandırılması Birçok enzim aktivitesini tarif eden deyim veya bir kelimeye ya da substratın sonuna az soneki getirilmesiyle adlandırılır. Üreaz, DNA polimeraz. Pepsin ve tripsin gibi diğer enzimler substratlarını veya tepkimelerini belirtmeksizin adlandırılır. Enzimlerin sınıflandırılması ve adlandırılması için uluslar arası bir sistem benimsenmiştir. Bu sistem katalizlediği tepkime tipini esas alarak enzimleri, her bir alt grubuyla, altı temel gruba ayırır.
Yukarıdaki tepkime fosforil grubunun transferini katalizlediğini gösteren ATP: glukoz fosfotransferazdır. Bunun enzim komisyon numarası(e.c numarası) 2.7.1.1 dir. İlk sayı (2) sınıf adını (transferaz), ikinci sayı (7) altsınıfını (fosfotransferaz), üçüncü sayı (1) alıcı olarak hidroksil grubu içeren bir fosfotransferazı ve dördüncü sayı (1) fosforil grubu alıcısı olarak D-glukozu gösterir. 1. Oksidoredüktazlar: Oksidasyon reaksiyonlarını katalizleyen enzimlerdir. ve redüksiyon 2. Transferazlar: Molekülden H + dışında başka grupları (C, N ve fosfor taşıyan gruplar) aktaran enzimlerdir. 3. Hidrolazlar: değişik bağların hidrolizini sağlayan enzimlerdir. Bağlara su ekleyerek koparılmasını sağlar. 4. Liyazlar: C-C, C-O, C-N ve C-S bağlarını yükseltgenme ve hidroliz dışında bir mekanizma ile kıran enzimlerdir. 5. İzomerazlar: optik ve katalizleyen enzimlerdir. geometrik rasemizasyonunu 6. Ligazlar: yüksek enerjili fosfatların enerjisini kullanarak karbon ile C, O, S, N arasında bağ oluşumunu katalizleyen enzimlerdir.
Enzimlerin Özellikleri Enzimler genellikle protein yapısındaki maddelerdir. Enzimler de denatürasyona uğrar. Enzimler spesifik moleküllerdir. Belirli reaksiyonları etkilerler. Enzimler katalitik etkinliğe sahiptirler. Katalizlenmeyen reaksiyonlara göre 10 3-10 8 kere daha hızlı gerçekleşirler. Enzimin dönüşüm sayısı(turnover sayısı): Enzim molekülü tarafından bir saniyede ürüne çevrilen substrat molekülü sayısıdır. Substrat ürün dönüşümleri çift yönlü olabilmektedir. Enzim moleküllerinde aktif bölge denilen özel bir boşluk yani cep bulunmaktadır. Reaksiyonlar bu bölgede gerçekleşir. Aktif bölgedeki amino asitlerin yan zincirleri, substratın yapısına uyumlu, üç boyutlu bir yapı oluşturmaktadır. Aktif bölgenin substratı bağlamasıyla oluşan enzim- substrat kompleksi (ES), önce enzim-ürün kompleksine ve daha sonra ürüne dönüşmektedir.
Enzim ile substrat birbirlerine hidrojen, elektrostatik ve Van der Waals bağları ile non kovalent bağlarla bağlanır. Enzimlerin subtratı bağlama yeri olan aktif bölgedeki amino asitler, substratın ürüne dönüşmesini sağlayan pek çok kimyasal mekanizmayı kullanır. Bu amino asitlerden bazıları substratın aktif bölgeye bağlanmasını, bazıları ise kataliz olayını sağlamaktadır. Aktif merkezde yer alan iki bölgeden birincisi bağlanma bölgesi, diğeri ise kataliz bölgesini oluşturur. Enzim subtrat bağlanmasında iki model vardır: anahtar-kilit ve katalitik bölgenin uyum oluşturma modeli. Enzimler hücrenin metabolik gereksinimlerine göre aktive ya da inhibe edilebilirler. Enzimler enerji türlerini birbirine dönüştürebilirler.
Enzimler Tepkime Dengesini Değil Hızını Etkiler E, S, P nin enzim, substrat, ürünü temsil ettiği durumda basit bir enzimatik reaksiyon aşağıdaki gibi yazılabilir: ES ve EP enzimin substrat ve ürünle oluşturduğu geçiş kompleksleridir.
Enzimlerin Kataliz Hızına Etki Eden Faktörler Kataliz hızı, birim zamanda oluşan veya kaybolan substrat miktarıdır. Enzimle katalizlenen reaksiyonların hızına etti eden faktörler: 1. Enzim konsantrasyonu: Hız enzim konsantrasyonu ile doğru orantılı olarak artar. Reaksiyon belli bir düzeye vardığında azalır. 2. Substrat konsantrasyonu: enzimle katalizlenen bir reaksiyonun hızı, enzim konsantrasyonu sabit olması koşuluyla, substar konsantrasyonu ile artar ve maksimum hız (Vmax) değerine varıncaya kadar artış devam eder. Ancak Vmax ta substar konsantrasyonu ne kadar artarsa artsın kataliz hızı artmaz. Enzimlerin çoğu Michaelis Menten kinetiği gösterirler. Belli sıcaklıkta ve enzim konsantrasyonunda bu kinetiğe uyan enzimler değişen substrat konsantrasyonu ile başlangıç hızı arasında (Vo) arasında hiperbolik bir eğri çizerler. Buna karşılık allosterik enzimlerde bu eğri sigmoidal özellik taşımaktadır.
3. Sıcaklık: sıcaklığın yükselmesi reaksiyon hızını artırır. Ancak enzimler protein yapısında olduklarından belli bir sıcaklıktan sonra denatürasyona uğrayacaklarından hız azalır. Her enzimin aktivitesini en iyi şekilde gösterdiği optimum bir sıcaklığı vardır.
4. ph: her enzimin etki ettiği ph farklıdır. Her enzimin aktivitesini en iyi gösterdiği optimum bir ph sı vardır.
Enzim Kinetiği 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 enzime dönüşen substrat miktarıdır. Spesifik enzim aktivitesi: Enzimin mg proteini başına düşen enzim ünite sayısıdır. Enzim ünitesi (U): optimal şartlarda 1 dakikada 1 µmol substratı ürüne dönüştüren enzim miktarıdır. Katal enzim aktivitesi, optimal koşullarda, 1 saniyede 1 mol substratı değiştiren enzim etkinliğini ifade eder. Enzimlerin katalizledikleri reaksiyonlarda genel kimyasal reaksiyon kinetikleri geçerlidir. Enzim kinetiklerinin kantitatif analizleri için geliştirilen Michaelis Menten modeli tek substratlı reaksiyonlar için geçerlidir.
Michaelis Menten denklemi ve Eğrisi
Vmax: katalizin ulaşabileceği en yüksek hız değeridir. Enzim bölgeleri substratla tam doygunluğa geçince Vmax a ulaşır. Km(Michaelis Menten sabiti): en yüksek hız değerinin (Vmax) yarısına ulaşmak için gerekli olan substrat miktarıdır. Birimi mol/l dir. Ortamda bulunan tüm enzim moleküllerinin aktif bölgelerinin yarısını dolduran substrat miktarıdır. Km bir enzime ve subtratına özgüldür. Enzimin substratına ilgisini yansıtır. Km, enzim substrat ilişkisinde bir ölçüdür. Km i düşük olan bir enzim substratına yüksek ilgi gösterir. Michaelis Menten denklemi hiperbolik bir eğrinin denklemidir. Denklem tersine çevrildiğinde düz eğri elde edilir. Düz eğrinin çizilmesi Vmax ve Km değerlerinin daha rahat hesaplanmasını sağlar.
Lineweaver-Burk denklemi ve grafiği
Km değerinin bilinmesinin önemi; Enzimlerin saflaştırılması Dokularda enzim aktivitesinin saptanması İlaç imalatında Enzim inhibitörlerinin belirlenmesinde. Enzim Aktivitesinin İnhibisyonu Enzimle katalizlenen bir reaksiyonunun hızını azaltan ya da engelleyen maddeye inhibitör denir. Enzim katalizinin engellenmesi durumuna da inhibisyon adı verilir. Enzim inhibisyonu geri dönüşümlü, geri dönüşümsüz olmak üzere iki grupta incelenir. Geri dönüşümlü İnhibisyon 1. Yarışmalı İnhibisyon: Bir yarışmalı inhibitör bir enzimin aktif bölgesi için substratla yarışır. Yarışmalı inhibitör sıklıkla substrata benzeyen ve bir EI kompleksi oluşturmak için enzimle birleşen bileşiklerdir. Yarışma daha fazla substratın eklenmesi ile substrat lehine çevrilebilir. Vmax değişmez, Km artar.
Vmax değişmez Km artar
2. Yarışmasız İnhibisyon: Bir yarışmasız inhibitör ES kompleksine bağlanır ve ürün oluşumu gerçekleşmez. Vmax ve Km azalır.
3. Karışık İnhibisyon (nonkompetetif): Bir karışık inhibitör substrat aktif bölgesinden farklı bir yere bağlanır, fakat bu ya E de veya ES de olacaktır. Vmax azalır, Km değişmez.
Geri Dönüşümsüz İnhibisyon Geri dönüşümsüz inhibitörler bir enzimle birleşen veya enzimin aktivitesi için esensiyel olan bir işlevsel grubu bozan veya özellikle kararlı kovalent olmayan bir yapı meydana getiren bileşiklerdir. Bir geri dönüşümsüz inhibitör ve enzim arasındaki kovalent bağlanmanın oluşumu yaygındır. Geri dönüşümsüz inhibitörler tepkime çalışmaları için yararlı bir araçtır.
Düzenleyici Enzimler Her bir metabolik yolda en yavaş veya hız sınırlayıcı tepkimeyi katalizlediği için bütün tepkimenin hızını oluşturan en azından bir enzim vardır. Düzenleyici enzimler belirli uyarılara yanıtta artmış veya azalmış katalitik aktivite gösterirler. Düzenleyici enzimlerin aktiviteleri değişik yollarla düzenlenir. Metabolik yollardaki düzenleyici enzimler iki sınıfa ayrılabilir: Allosterik enzimler genellikle küçük metabolitler veya kofaktörler olan allosterik modülatörler diye adlandırılan düzenleyici bileşiklerin kovalent olmayan geri dönüşümlü bağlanması ile işlev görürler. Düzenleyici enzimlerin her iki sınıfı da çoklu altbirim proteinleri olma eğilimindedirler, bazı durumlarda düzenleyici yerler ve aktif yer ayrı altbirimlerdir.
Enzim düzenlenmesinin iki mekanizması daha vardır. Bazı enzimler ayrı düzenleyici proteinlerle bağlandığında uyarılır veya inhibe edilirler. Diğerleri, peptit parçalı proteolitik yıkımla uzaklaştırıldığında aktifleştirilir; efektör bağımlı düzenlenmenin tersine proteolitik yıkımla düzenlenme geri dönüşümsüzdür. Allosterik Enzimler Modülatör Bağlanmasına Yanıt Olarak Konformasyonel Değişikliklere Uğrar Allosterik enzimlerin modülatörleri ya inhibitör ya da stimülatör olabilir, bir aktivatör çoğunlukla kendi substratı olabilir, substrat ve modülatörü aynı olan düzenleyici enzimler homotropik olarak adlandırılır. Modülatör substrattan farklı bir molekül olduğunda enzim heterotropik olarak adlandırılır. Allosterik modülatörler yarışmasız ve karışık inhibitörlerle karıştırılmamalıdır.
Allosterik enzimlerin özellikleri basit düzenleyici olmayan enzimlerin özelliklerinden farklıdır: Aktif bölgelerine ek olarak, allosterik enzimler genellikle modülatörün bağlanması için bir veya daha fazla düzenleyici veya allosterik bölgeye sahiptir. Enzimin aktif yerinin substratı için spesifik olması gibi her bir düzenleyici bölge de modülatörü için spesifiktir. Değişik modülatörlü enzimler genellikle her biri için farklı bağlanma noktalarına sahiptir. Homotropik enzimlerde aktif yer ve düzenleyici yer aynıdır. Allosterik enzimler diğer enzimlere göre daha büyük ve komplekstir.
Allosterik bir enzimde altbirim etkileşimleri, inhibitör ve aktivatörlerle etkileşimler. Birçok allosterik enzimde modülatörler ve substrat bağlı bölgede sırasıyla katalitik (C) ve düzenleyici (R) altbirimler vardır. Düzenleyici altbirim üzerinde bunun spesifik bölgesine pozitif modülatörün (M) bağlanması bir konformasyonel değişiklik aracılığıyla katalitik altbirime iletilir. Bu değişiklik katalitik altbirimin aktivasyonunu ve yüksek ilgiyle substartı bağlama yeteneği sağlar. Düzenleyici altbirimden modülatörün ayrılmasıyla enzim inaktif formuna veya daha az aktif formuna geri döner.
Birçok Metabolik Yoldaki Düzenleyici Basamak Bir Allosterik Enzimle Katalizlenir Bazı çoklu enzim sistemlerinde düzenleyici enzim, son ürünün derişimi hücre gereksinimini aştığında metabolik yolun son ürünü tarafından inhibe edilir. Düzenleyici enzim tepkimesi yavaşladığında bütün ardışık enzimler substratları azaldığı için düşük hızlarda çalışırlar. Bu nedenle metabolik yoldaki son ürünün üretim hızı hücrenin gereksinimiyle dengeye gelir. Bu tip düzenlenme feedback (geri-beslemeli) inhibisyon olarak adlandırılır. Metabolik yolun son ürünün birikmesi bütün metabolik yolu yavaşlatır.
Allosterik Enzimlerin Kinetik Özellikleri Michaelis Menten Davranışından Sapar Tipik allosterik enzimler için substrat aktivite eğrileri. A) substarın pozitif modülatör veya aktivatör olarak hizmet verdiği homotropik bir enzimin sigmoit eğrisi. B) Bir allosterik enzimde, Vmax da bir değişme olmadan K 0.5 in değiştiği pozitif modülatör ve negatif modülatör etkisi. Orta eğri modülatörsüz substrat-aktivite ilişkisini gösteriri. C)Vmax ın değiştiği ve K 0.5 in hemen neredeyse sabit kaldığı daha az yaygın bir modülasyon tipi.
Bazı Düzenleyici Enzimler Geri Dönüşümlü Kovalent Modifikasyona Uğrar
Glikojen fosforilaz aktivitesinin kovalent modifikasyonla düzenlenmesi. Çoklu fosforillenmeler çok mükemmel düzenleyici kontrole izin verir.
Bazı Düzenlenme Tipleri Bir Enzim Öncülünün Proteolitik Parçalanmasına Gereksinir Bazı enzimler için zimojen olarak adlandırılan inaktif öncül, aktif enzimi oluşturmak için bölünür. Mide ve pankreasın birçok proteolitik enzimi bu yolla düzenlenir Kimotripsinojen- kimotripsin, tripsinojen-tripsin. Spesifik bölünme enzimin aktif bölgesini etkileyen konformasyonel değişikliklerle sonuçlanır. Proteazlar enzimin aktif bölgesine çok sıkı bir şekilde bağlanan inhibitör proteinler tarafından inaktifleştirilir. Proteazlar proteolizle aktifleştirilen tek protein değildir. Ancak diğer durumlarda öncüller sadece zimojenler olarak adlandırılmaz aynı zamanda daha genel olarak proproteinler veya proenzimler olarak adlandırılır. Fibrinojen-fibrin