Enzimler ( Prof.Dr. Emel ULAKOĞLU ZENGİN )
•ENZİMLER
Prof.Dr.Emel ULAKOĞLU ZENGİN
İ.Ü.Cerrahpaşa Tıp Fakültesi Biyokimya Anabilim Dalı
I.TANIM
Enzimler, metabolizma reaksiyonlarını hızlandıran,biyolojik katalizörlerdir.
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.
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.
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+
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
Değişik bağların hidrolizini sağlayan enzimlerdir. Bağlara su ekleyerek koparılmalarını katalizlerler.
AB + H2O AOH + BH
Örnek:
NH2 C NH2 + H2O CO2 + 2NH3
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
Optik ve geometrik izomerlerin rasemizasyonunu katalizleyen enzimlerdir.
ABC ACB
Molekül-içi düzenleme yaparlar.
–OOC CH C CoA –OOC CH2 CH2 C CoA
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.
1.Enzimler protein yapısında maddelerdir:
Katalitik etkiye sahip RNA’ya Ribozim denir.
Denatürasyon, proteinlerin doğal yapılarının bozulması sonucunda aktivitelerinin kaybolmasıdır. Enzim denatüre olduğunda aktif bölgesi de denatürasyona uğrayarak substratını bağlayamaz, bundan dolayı da etkili olamaz.
Enzimler yalnız belirli reaksiyonları katalizledikleri ve sadece substratları ile etkileştiklerinden dolayı spesifik (özgül) maddelerdir.
3.Enzimler katalitik etkinliğe sahiptir.
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.
E
+ S ES EÜ E + Ü
Birçok enzimin katalitik bölgesinde aşağıdaki aminoasidler yer alır:
Serin, sistein, histidin, tirozin ve lizin
RİBONÜKLEAZ:
Histidin 12 ve Histidin 119
1.Model:
Anahtar-kilit modeli
2.Model:
Katalitik bölgenin “uyum oluşturma modeli”
1.MODEL:
2. MODEL:
6.Bazı enzimler, enzimatik reaksiyon içingerekli olan bir non-protein kofaktör ile birleşirler.
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
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.
9. Enzimler tranzisyon (geçiş) durumunu stabilize ederek reaksiyonları hızlandırırlar.
S T* Ü
Ea =Aktivasyon enerjisi
Ea1 = Enzimle katalizlenmemiş reaksiyonun aktivasyon enerjisi
Ea2 = Enzimle katalizlenmiş reaksiyonun aktivasyon enerjisi
Ea= Tranzisyon durumu serbest enerjisi – substrat serbest enerjisi
“ Enzimle katalizlenen reaksiyonlarda, enzimler aktivasyon enerjisini azaltarak reaksiyonları hızlandırırlar. Böylece enzim ve substratı, tranzisyon enerjisi daha düşük olan yeni bir reaksiyon yolu oluşturur.”
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
2.SUBSTRAT KONSANTRASYONU
göstermektedir.
3.SICAKLIK
“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:
“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).
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.
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
[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 :
Km : (Michaelis-Menten Sabiti)
Km =
Belirli bir andaki kataliz hızı:
Vo = Michaelis-Menten Eşitliği
Lineweaver-Burk çift-resiprok Eğrisi
Km Değerinin Bilinmesinin Önemi
VII.ENZİM AKTİVİTESİNİN İNHİBİSYONU
İnhibitör, bir molekül yada iyon olabilir.
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;
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:
inhibitöre olan ilgisi azalmakta ve inhibisyon ortadan
kalkmaktadır.
E +S ES E + Ü ES,
İ bağlayamaz.
+ Eİ,
Ü oluşturamaz.
İ Eİ
VMAX DEĞİŞMEZ.
Km
Bir molekülün, belirli bir enzimin inhibitörü olup olmadığı,yahut inhibisyonun tipi, kinetik analizlerle ortaya konulur!
b)Yarışmasız (nonkompetitif) İnhibisyon:
E +S ES E +Ü VMAX
Km DEĞİŞMEZ
Eİ + S EİS Ü
c)Yarışmasız (unkompetitif) inhibisyon:
E +S ES E + Ü
+
İ
EİS Ü
VMAX Km
2-Geriye dönüşümsüz (tersinmez, irreversibl inhibisyon):
Kurşunzehirlenmesi
3-Bazı ilaçlar da enzim inhibitörü olarak etki ederler.
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
Enzim sentezi indükleyici bir maddeye cevap olarak tetiklenebilir.
korepresör’dür, yani kendi sentezi ile ilgili enzimlerin sentezini
engellemektedir.
denir.
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.
efektör
(modülatör) isimli moleküller tarafından düzenlenirler.
sonucunda, enzimin
substratına olan ilgisi değişir.
ettiğinde negatif
efektör,
aktiviteyi
arttırdığında pozitif
efektör denir.
ALLOSTERİK ENZİMLERDİR.
gelmişlerdir (oligomerik enzimler).
etki ederler.
bölge bulunur.
olarak bağlanır.
sonucunda, 2. alt birimin substrat bağlanması etkilenmektedir.
yavaşlatabilir.
Bu olaya kooperativite adı verilir.
aktivatör enzimin etkinliğini arttırır,
allosterik
inhibitör ise enzimin etkinliğini azaltır.
sigmoidal karakter kazanır.
geldiğini gösterir.
V
homotropik
etki denir.
tarafından aktive ya da inhibe edilmekte ise heterotropik etkiden
bahsedilir.
görev yapabilir.
“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
değişebilir.
dönüşebilen enzimlerdir.
Bu enzimler iki aktivite halinde
bulunurlar:
Yüksek ve düşük aktivite
belirli serin, treonin veya tirozin isimli aminoasidlere bir fosfat
grubunun eklenmesi veya bir fosfat grubunun çıkarılmasıdır.
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
bulundukları yere
zarar vermemeleri için aktif olamayan öncül moleküller şeklinde
sentez edilirler. Bu moleküllere proenzim veya zimojen adı
verilmektedir.
bağının koparılması
(yarılması, kırılması) ile olur.
barsaklara salgılandığında peptid bağları kırılır ve aktif şekle
dönüşür.
Tripsinojen Tripsin
(İnaktif) (Aktif)
Kimotripsinojen Kimotripsin
(İnaktif) (Aktif)
Kan plazmasında:
Fibrinojen Fibrin
(İnaktif) (Aktif)
…