Ünite 5: Enzimler

Enzimler ve Özellikleri

Biyolojik reaksiyonların çoğu enzim denilen organik maddeler tarafından katalize edilir. Bu maddeler kendileri bir değişikliğe uğramadan hücre içinde meydana gelen reaksiyonların hızını artırırlar.

Bir reaksiyonu hızlandıran fakat kendisi reaksiyondan değişmeden çıkan maddelere katalizör denir. Enzimler ise canlı hücreler tarafından sentezlenen, etki yapabilmesi için hücreye gereksinim duymayan, ısıya dayanıksız, protein tabiatında, biyolojik katalizörlerdir.

Enzimler katalizör olarak nitelendirilseler de bazı yönleri ile anorganik katalizörlerden ayrılırlar. Bu farklar şunlardır;

• Anorganik katalizörler çok çeşitli reaksiyonları katalize ettikleri halde, enzimler ancak kendileri için özel olan belirli maddeler üzerine etki gösterirler.
• Anorganik katalizörler katalize ettikleri reaksiyon tarafından değiştirilmezler ve reaksiyon sonunda değişiklik olmadan yeniden elde edilebilirler, enzimler ise aktiviteleri sırasında az çok tahrip olurlar, bu nedenle vücutta devamlı sentez edilmeleri gerekir.

Enzimin tanımını oluşturan önemli özelliklerini maddeler halinde özetlersek;

1. Canlı hücreler tarafından sentezlenen maddelerdir.
2. Etki gösterebilmek için hücreye gereksinim duymazlar, laboratuar ortamında etki gösterirler.
3. Isıya dayanıksız maddelerdir, yüksek ısı ile denatüre olurlar.
4. Protein yapısındadırlar ve proteinler gibi primer, sekonder, tersiyer ve kuarterner yapıları vardır.
5. Biyolojik reaksiyon hızlandırıcılarıdırlar.

Enzimlerin Yapısı ve Hücre İçindeki Özel Konumları

Enzimler canlı hücreler tarafından sentezlenen protein yapıda maddelerdir. Enzimlerin bazıları basit protein yapıdadır ve katalitik etki bu protein yapı tarafından gerçekleştirilir. Enzimin protein yapısındaki kısmına apoenzim denir. Örneğin pepsin, tripsin, üreaz sadece protein yapıdadır ve bu enzimlerin aktivitesi için başka bir gruba ihtiyacı yoktur. Bu enzimlerde apoenzim holoenzime eşittir. Bazı enzimlerin ise katalitik etki gösterebilmeleri için metal iyonu ya da protein olmayan organik bir bileşiğe veya her ikisine de ihtiyaçları vardır. Karbonik anhidraz çinko, tirozinaz ve askorbik asit oksidaz Cu (bakır), katalaz ve sitokrom oksidaz Fe (demir) taşırlar. Yardımcı bu iyon ve bileşiklere genel olarak kofaktör denir. Organik bileşikler enzimin protein kısmı ile oldukça sıkı birleşmiş kolay ayrılmıyorsa, prostetik grup, pek sıkı birleşmemiş, kolay ayrılabiliyorsa koenzim adını alır. Böyle enzimlerde ne apoenzim ne de koenzim tek başına etki yapamazlar. Koenzim ve apoenzimden meydana gelen tam bir enzime holoenzim denir.

Her enzimin hücre içinde özel görevi vardır ve hücrede bulunduğu yer bu görevi ile ilişkilidir. Çekirdekte bulunan enzimler daha çok genetik materyalin onarımı, kullanımı ile ilgilidir. Mitokondride bulunan enzimlerin çoğu enerji üretici veya hücresel çalışmalar için güç sağlayıcı olarak iş görür. Ribozomda yer alan enzimler protein sentezinde, lizozomda bulunanlar hücrenin daha fazla ihtiyaç duymadığı maddelerin parçalanması yani hücre içi sindirim işinde görev yaparlar. Plazmada kanın pıhtılaşması ile ilgili, hücre zarında madde geçişini sağlayan enzimler yer alır.

Enzim Reaksiyonlarının Mekanizması

Enzimler (E) substratları (S) ile bağlanır. Substrat enzim tarafından etkilenen sadece o enzime özgü özel bir bileşiktir. Substrat enzimin aktif bölgesine bağlanır. Enzimin üzerinde bulunan, substratın bağlandığı özel yere enzimin aktif yeri veya aktif bölgesi denir. Enzimle substrat birbirine bağlandığında önce enzim-substrat bileşiği meydana gelir. Daha sonra bu bileşik enzimatik reaksiyon sonucunda oluşan madde olarak tanımlanan ürüne dönüşür. Enzimler bir reaksiyonda birden fazla substratla bağlanabildiği gibi, reaksiyon sonucunda bir veya birden fazla ürün oluşabilir.

Anahtar Kilit Modeli

Enzimle substrat arasındaki ilişki anahtarla kilit arasındaki bağlantıya benzer. Enzim reaksiyonunda olay o enzimin aktif yerine tam uyan bir substrat bağlanırsa gerçekleşir ve ürün meydana gelir.

Uyarılmış Uyum Modeli

Bu bağlanma tipinde başlangıçta enzimle substrat arasında tam bir yapısal benzerlik yoktur. Fakat birbirine uyabilecek enzim ile substrat bir ortamda bulunursa, önce bir ilk uyarı etkileşimi meydana gelmekte ve enzimin değişebilir özellikteki bağlanma bölgesi yapısal bir değişikliğe uğrayarak, substratının bağlanabileceği hale gelmektedir. Daha sonra yine enzimle substratı birbirine bağlanır ve ürün oluşur.

Bir reaksiyonun oluşabilmesi için sadece enzimle substratın birbirine bağlanması yani ES kompleksinin oluşumu yeterli değildir. Ortamda enerjiye de ihtiyaç vardır. Reaksiyonun hızını artırmak için sıcaklığı artırabiliriz. Bu durumda ısıya bağlı olarak ortamdaki moleküllerin hareketi artar. Reaksiyonun hızını artırmanın başka yolları ortama anorganik katalizör ya da biyolojik katalizör ilave etmektir. Enzimler kimyasal reaksiyonların aktivasyon enerjisini düşürerek reksiyonların hızını artırmaktadır.

Enzimlerin İsimlendirilmesi ve Sınıflandırılması

Pratik ve Geleneksel İsimlendirme

Günlük hayatta kullanılan isimlendirme şeklidir. Pratik isimlendirmeye şu örnekleri verebiliriz; Oksidazlar, kinazlar, mutazlar, fosforilazlar.

Sistematik İsimlendirme

Uluslararası Biyokimya Birliği tarafından kurulan enzim komisyonu tarafından enzimler altı ana enzim sınıfına ayrılmıştır. Bu tür isimlendirme enzimin katalize ettiği reaksiyonun özelliklerini belirgin şekilde tanımlamaktadır. Enzim, kod numaraları noktalarla ayrılmış dört rakamdan oluşur. İlk rakam altı ana enzim grubundan hangisine dâhil olduğunu, ikinci rakam etki ettiği kimyasal yapıyı veya bağını, üçüncü rakam alıcısı olarak ifade edilen akseptörünü yani ayrılan grubun neye bağlanarak ya da neyin yardımıyla taşındığını anlatır, dördüncü rakam ise belli bir sınıfın içerisinde o enzimin sıra numarasını belirtir. Bu ana enzim grupları kendi içinde birçok alt gruplara (sub class) ayrılırlar. Alt gruplarda tekrar kendi içinde alt alt gruplar (sub-sub class) oluştururlar.

Enzimlerin altı ana grubu şöyledir;

1. Oksidoredüktazlar
2. Transferazlar
3. Hidrolazlar
4. Liyazlar
5. İzomerazlar
6. Ligazlardır

Oksidoretüktazlar: Oksidasyon redüksiyon reaksiyonlarının oluşumunu sağlayan enzimlerdir. Bu enzimler hidrojen veya oksijen atomlarını ya da elektronları bir substrattan diğerine aktarırlar. Örnek; laktat dehidrojenaz (LDH)

Transferazlar: Aldehit, keton, fosfat gibi fonksiyonel grupları taşıma görevi yapan enzim ana sınıfıdır. Örnek; aspartat aminotransferaz (AST), alanin aminotransferaz (ALT)

Hidrolazlar: Substratın çeşidine göre ester, eter, peptit gibi bağlar üzerine etki ederek, su aracılığı ile onları parçalayan enzimlerdir. Örnek; amilaz, üreaz, arjinaz

Liyazlar: Hidrolizden başka bir mekanizma ile organik moleküllerdeki grupların ayrılmasını sağlayan enzimlerdir. Örnek; aspartat amonyak liyaz, piruvat dekarboksilaz

İzomerazlar: Substratın izomerizasyonunu katalizlerler. Molekül içinde tekrar düzenlenmeyi sağlarlar. Örnek; glukoz fosfat izomeraz

Ligazlar: Daha büyük bir molekülü oluşturmak için iki metabolitin bağlanmasına neden olurlar. C–O, C–N veya C–C bağlarını kurarlar. Örnek; pirüvat karboksilaz, glutamin sentetaz, DNA ligaz

Enzim Aktivitesini Etkileyen Faktörler

Enzimlerin aktivitesine etki eden çok fazla etken bulunmaktadır. Bunlardan önemli olan bazı faktörler sıcaklık, pH ve zamanın etkisi, enzim konsantrasyonu, substrat konsantrasyonu, reaksiyon ürünleri, çeşitli maddelerin ortamda bulunması olarak sıralanabilir.

Sıcaklığın Etkisi

Her enzimin en iyi etki ettiği yani en iyi çalıştığı sıcaklık derecesi vardır. Buna o enzimin optimum sıcaklık derecesi denir. Bu derecenin üzerinde enzimler üç boyutlu yapılarını kaybederek denatüre olurlar ve reaksiyon hızı düşer. Hayvansal enzimlerin çoğunun optimum sıcaklığı 40-50 °C arasında iken, bitkisel kaynaklı enzimlerin genellikle 50-60 °C arasındadır. Kimyasal reaksiyonların hızı sıcaklık arttıkça artar. Her 10 °C sıcaklık yükselmesinde hız iki kat artar ancak enzimin çalışmasına engel olacak kadar yükseldiğinde beklenenden farklı olarak reaksiyon hızı yavaşlar hatta durabilir, sıcaklığın etkisi ortadan kalktığında tekrar eski durumuna dönebilir. Fakat enzimin yapısını bozacak kadar sıcaklık uygulanmasından sonra enzim tekrar eski haline dönemez.

pH’nın Etkisi

Enzimin en aktif olduğu pH derecesine o enzimin optimum pH değeri denir. Enzimler pH değişimlerine çok hassastır. Optimum pH değerlerinden daha düşük veya daha yüksek değerlerde reaksiyon hızı düşer ve değişik pH’lar enzimi denatüre edebilir. Enzimlerin çoğunun optimum pH’ları 5-7 değerleri arasındadır. Örneğin tripsin 7 pH’da en iyi çalışır, fakat midede bulunan pepsin gibi enzimler 1-2 gibi çok düşük pH’larda en iyi aktivite gösterirler.

Zaman

Enzim ile katalize edilen reaksiyonun hızı zamanla azalır. Bunun sebebi reaksiyon ürünlerinin kendi aralarında birleşerek, zıt yönde bir reaksiyon meydana getirmeleridir. Başka bir deyişle enzimin zamanla inaktive olması veya substratın tükenmesidir. Bu nedenle enzimatik ölçümler substratın % 10’nun kullanıldığı başlangıç kısmında yapılır.

Enzim Konsantrasyonu

Substrat konsantrasyonu sabit tutularak enzim konsantrasyonunun artırılması durumunda, reaksiyon hızı da orantılı olarak artar. Çünkü her enzim birbirinden bağımsız olarak iş görür.

Substrat Konsantrasyonu

Sabit bir enzim konsantrasyonunda, enzimatik reaksiyonun hızı belirli bir noktaya kadar, substrat konsantrasyonu ile artar. Hız maksimuma ulaştığı zaman substrat konsantrasyonunun artması ile reaksiyon hızı değişmez. Enzim substrat ile doymuştur. Substrat konsantrasyonu enzim miktarını aştığı zaman yeni substratlarla birleşebilmek için enzimlerin görevlerini tamamlayıp, reaksiyondan ayrılması ve tekrar yeni substratları katalize etmek için olaya katılması gerekir. Bu durumda hız sabit olarak devam eder.

Reaksiyon Ürünleri

Bir enzim reaksiyonunun hızı zamana bağlı olarak reaksiyonda meydana gelen ürünlerin artmasından dolayı azalır. Enzim reaksiyonları genelde iki yönlü olarak çalışır. Ürün oluştuğu zaman ortamdan çabuk bir şekilde uzaklaştırılmazsa oluşan bu ürünlerin bazıları substratla yapısal benzerliklerinden dolayı enzimle birleşerek onun yeni substratlara bağlanmasına engel olur.

Çeşitli Maddelerin Ortamda Bulunması

Aktivatörler: Enzim reaksiyonlarının hızını artıran maddelere aktivatörler, aktivatörlerin etkisi ile enzim reaksiyonunun hızının artmasına aktivasyon denir. Bunlar başlıca metal iyonları olup, eser haldeki miktarları bazı enzimlerin aktivitesi için gereklidir. Aktivatörler reaksiyonun hızını ya substratla birleşerek gösterirler veya serbest enzime bağlanarak etki ederler.

İnhibitörler: Enzimatik reaksiyonun hızını azaltan veya tamamen durduran maddelere inhibitörler denir. İnhibitörler vasıtası ile enzimatik reaksiyonun hızının azalmasına veya durmasına da inhibisyon denir. Enzim inhibisyonları geriye dönüşümlü (reversible) ve geriye dönüşümsüz (irreversible) olarak ikiye ayrılır. Bunların da kendi içinde alt grupları vardır.

Geriye Dönüşümlü (Reversibl) İnhibisyon

Kompetitif İnhibisyon: Kompetitif inhibisyonda inhibitör aktif yere bağlanmak için yarıştığı substrata yapısal olarak benzerlik gösterir. Kompetetif inhibisyona örnek endüstride yaygın şekilde kullanılan metil alkolün zararlı etkisini azaltabilmek için metil alkol ile zehirlenmiş bir canlıya erken dönemde etil alkol verilmesi olabilir.

Nonkompetitif İnhibisyon : Nonkompetitif inhibisyonda inhibitör genellikle subtrata yapısal olarak benzerlik taşımaz. Enzime substratın bağlandığı bölgeden farklı bir yerden bağlanır. İnhibitörle substrat arasında enzime bağlanma bakımından yarışma mevcut değildir. Bu inhibisyon substrat konsantrasyonunun artışından etkilenmez. İnhibitör ya bir serbest enzime veya bir enzim-substrat kompleksine bağlanabilir. Her iki durumda da oluşan kompleks katalitik olarak inaktiftir. Örnek olarak kurşun zehirlenmesi verilebilir ve bu durum hemoglobinin yapısını oluşturan hem sentezinde iki yerde inhibisyonla anemiye neden olur.

Ankompetitif İnhibisyon: Ankompetitif inhibisyonda, inhibitör sadece enzim-substrat kompleksine bağlanır ve ESİ kompleksi oluşur. Reaksiyon gerçekleşmez. Ortama substrat ilave edilmesi inhibitörün bağlanma olasılığını artırabilir.

Geriye Dönüşümsüz (İrreversibl) İnhibisyon : İnhibitör enzimin aktif yeri ya da yakınında reaksiyona girdiğinde ve enzime sıkıca bağlandığında meydana gelir. Fiziksel ayırma işlemleri enzimden inhibitörü uzaklaştırmada etkisizdir. İnhibitör uzaklaştırılsa bile enzimin yapısında meydana getirdiği kalıcı bozukluklardan dolayı tekrar eski haline dönemez. Bu nedenle geriye dönüşümsüz olarak ifade edilir. Asetilkolinin asetat ve koline hidrolizini katalizleyen asetilkolin esteraz enziminin inaktivasyonu geriye dönüşümsüz inhibisyona güzel bir örnektir.

Allosterik Enzimler,İzoenzimler ve Koenzimler

Allosterik Enzimler

Metabolizmada bazı çoklu enzim sistemlerinin çalışmasında, son ürünün miktarı hücre gereksinimini aştığında, metabolik yolun son ürünü tarafından veya dışarıdan başka bir madde tarafından bu enzim sisteminin düzenleyici enzimi inhibe edilir. Düzenleyici enzime ait reaksiyon yavaşladığında, bütün ardışık enzimler de substratları azaldığı için düşük hızlarda çalışırlar. Böylece metabolik yoldaki son ürününün üretim hızı hücrenin gereksinimiyle dengeye gelir. Bu şekilde üzerinde yer aldıkları bir metabolik geçidin düzenli çalışmasını sağlayan ve o metabolik geçit ile ilgili son ürün veya başka bir molekül tarafından aktiviteleri kontrol edilen enzimlere allosterik enzimler denir.

Allosterik enzimlerce katalize edilen reaksiyonların hızını düzenleyen maddelere effektörler veya modülatörler denir. Allosterik enzime bağlanmak suretiyle reaksiyonu yavaşlatan veya durduran maddelere negatif effektör veya modülatör, reaksiyonu hızlandıran maddelere ise pozitif effektör veya modülatör denir. Negatif effektörün bağlanması ile reaksiyon hızının azalması veya durması allosterik inhibisyon olarak isimlendirilir. Benzer şekilde pozitif effektörün bağlanması ile reaksiyon hızının artması ise allosterik aktivasyon olarak adlandırılır.

İzoenzimler

Birden fazla molekül şeklinde bulunan enzimlere izoenzimler denir. Aynı kimyasal reaksiyonu katalize ettikleri halde kinetik özellikleri, aminoasit bileşimleri ve hatta dizeleri bakımından farklılık gösterirler. Aynı zamanda izoenzimlerin fiziksel, kimyasal ve immunolojik özellikleri bakımından belirgin farklar vardır. Örneğin laktat dehidrojenaz (LDH) laktatın piruvata dönüşümünü katalizleyen beş izoenzime sahip bir enzimdir.

Koenzimler

Çoğu enzimlerin aktivite gösterebilmesi için protein yapısında olmayan organik maddelere ihtiyaç duyduğunu ve bunların koenzim olarak isimlendirildiğini konunun başlarında belirtmiştik. Koenzimler, genellikle bir atom veya atom grubu için alıcı (akseptör) veya verici (donör) rolü üstlenerek, bu grupları küçük substrat moleküllerinden alarak veya ilave ederek, grup transferinde, izomerizasyon reaksiyonlarında, oksidasyon redüksiyon olaylarının gerçekleşmesinde rol oynarlar. Koenzimler başlıca üç grupta toplanabilir;

Enerjice Zengin Trifosfatlar: Bunlara daha çok endotermik metabolizma reaksiyonlarında ihtiyaç duyulur:

1. ATP (Adenozin trifosfat)
2. UTP (Uridin trifosfat)
3. CTP (Sitidin trifosfat)
4. GTP (Guanozin trifosfat)

Grup Nakleden Koenzimler:

1. Pridoksal Fosfat: Aminoasitlerin transaminasyon ve dekarboksilasyon reaksiyonlarında görev yapar,
2. Tiyamin Pirofosfat: Alfa-ketoasit dekarboksilazların aktif merkezini oluşturur,
3. Koenzim A (CoA): Asetil gruplarının taşınmasında görev yapar,
4. Tetrahidrofolik Asit (Fol H4): Metanol, formaldehit gibi bir karbonlu birimlerin metabolizmasında rol oynar,
5. Biotin: Karboksil gruplarının taşınmasında görevi vardır,
6. Kobalamin (B12 vitamini): Metil malonil CoA’nın süksinil CoA’ya dönüşümünde gereklidir,
7. Lipoik asit: Açil gruplarının taşınmasında görev yapar.

C, H, O ve Elektron Taşıyan Koenzimler:

1. NAD (Nikotinamid adenin dinükleotid) ve NADP (Nikotinamid adenin dinükleotid fosfat: Altı ana enzim grubundan olan oksidoredüktazların koenzimidirler,
2. FAD (Flavin adenin dinükleotid) ve FMN (Flavin mono nükleotid) : Oksidoredüksiyon reaksiyonlarının büyük bir kısmını katalize ederler,
3. Koenzim Q (Ubikinon): Biyolojik oksidasyon sisteminde elektron taşınmasında yer alır,
4. Demirli porfirinler: O ₂ ve elektron taşıyan enzimlerin prostetik grubudur,
5. Koenzim olarak Cu: Askorbik asit oksidaz, ürikaz, tirozinaz ve benzeri enzimlerin prostetik grubudur.