Enzimler
Hücrelerdeki metabolik olayların gerçekleşebilmesi için tepkimeye girecek moleküllerin aktifleşmesi ve belirli bir enerji düzeyine ulaşması gerekir.
- Kimyasal bir tepkimenin başlaması için gerekli olan minimum enerji miktarına aktivasyon enerjisi denir.
- Kimyasal tepkimelerde moleküller birbirlerine çarparak reaksiyona girerler. Bu yüzden sıcaklığın artırılması reaksyiona giren moleküllerin kinetik enerjilerini artırdığından aktivasyon enerjisi daha çabuk aşılır ve rekasiyon hızlanır.
- Bu yöntem hücrelerde kullanılamaz. Çünkü hücre sıcaklığının artması hücre yapısını oluşturan proteinlerin bozulmasına sebep olur ve hücre zarar görür.
- Bu yüzden hücreler kimyasal tepkimeleri hızlandırmak için katalizör adı verilen maddeleri kullanırlar.
- Katalizör varlığında ilgili moleküller fazla ısıya gerek duyulmadan tepkimeye girebilirler.
- Katalizörler reaksiyonu hızlandırdığı gibi reaksiyon sonunda yapısal bir değişime de uğramaz. Canlı hücrelerde kullanılan katalizörlere enzim denir.
Enzimler aktivasyon enerjisini düşürerek reaksiyon hızını artıran biyolojik katalizörlerdir.
Enzimlerin Yapısı
- Enzimler protein yapılı organik moleküllerdir.
- DNA'daki kalıtsal bilgiye göre sadece canlı hücrelerde sentezlenirler.
- Enzimler yapısına göre basit ve bileşik enzimler olarak ikiye ayrılır.
- Basit Enzimler: Sadece proteinden (apoenzim) meydana gelir. Metabolik aktivite için yardımcı bir kısma gerek duymaz.
- Bileşik Enzimler: Protein ve yardımcı kısımdan oluşurlar. Proteinden oluşan kısım apoenzim adını alırken, yardımcı kısım kofaktör olarak adlandırılır. Kofaktör organik yada inorganik yapılı olabilir.
Enzim aktivitesinde görev yapan \(Fe^{+2}\), \(Mg^{+2}\) ve \(Zn^{+2}\) gibi iyonlar inorganik kofaktörlerdir.
Kofaktörler organik yapılı ise koenzim adını alır. B grubu vitaminlerin çoğu koenzim olarak görev yapar.
- Bileşik enzimlerde apoenzim etki edeceği maddeyi (substrat) belirlerken, koenzim ya da kofaktör kısmı enzimlerin esas iş yapan bölümünü oluşturur. Bu kısım enzimin protein olan bölümünden daha küçüktür.
Besinlerle beraber yeterli oranda vitamin ya da mineral alınmazsa, bazı enzimler iş göremeyeceğinden metabolik aksaklıklar sonucunda bazı hastalıklar ortaya çıkar.
Bir apoenzim, belirli bir koenzim ya da kofaktörle çalışır. Fakat bir koenzim ya da kofaktör birden fazla apoenzimle çalışabilir. Bu nedenle hücrelerde bulunan apoenzim çeşidi, koenzim ya da kofaktör çeşidinden fazladır.
Enzimlerin Özellikleri
- Enzimlerin etkilediği maddeye substrat denir.
- Enzim molekülünün sadece belirli bir kısmı substrata bağlanır. Aktif bölge olarak adlandırılan bu kısım, apoenzim kısmındaki bir cep ya da oluk görünümündedir.
- Enzimin hangi substrata etki edeceği aktif bölgenin özgün şekli ile belirlenir.
- Her enzim belirli bir substrata özgüdür. Bu durum enzim ile substratın yüzeyi birbirine tam olrak uyumlu ise anahtar-kilit modeli;
- Enzim substratı ile birleşirken enzim aktif bölgesi substrat tarafından değiştiriliyorsa indüklenmiş uyum modeli ile açıklanır.
- Enzim substratına geçici olarak aktif bölgeden bağlanır ve enzim-substrat kompleksi (ES) oluşur.
- Enzimin etkisi ile substrat ürüne dönüşür. Enzim hiç bir değişikliğe uğramadan reaksiyondan ayrılır.
\[\ce{Enzim + Substrat <=> Enzim-Substrat Kompleksi -> Product + Enzim} \]
Her enzim sadece bir substrata etki eder. Fakat iki farklı enzimin substratları aynı olabilir.
Enzimin Etki Mekanizması
- Substrat enzimin aktif bölgesine geçici olarak bağlanır.
- Enzim-Substrat kompleksi oluşur.
- Substrat ürüne dönüşür.
- Ürün reaksiyondan ayrılır.
- Enzim hiç değişikliğe uğramaz.
- Enzimler hiçbir değişime uğramadan reaksiyonlardan ayrılır.
- Bu nedenle aynı reaksiyon çeşidinde defalarca kullanılabilirler.
- Yapısı bozulan enzimler parçalanır ve yeniden sentezlenir.
- Enzimler genelde belirli bir reaksiyona özgüdür. Bu nedenle her hücrede tepkime çeşidi kadar enzim çeşidi bulunur.
- Enzimlerin çoğu tersinirdir. Reaksiyonları çift yönlü gerçekleştirirler.
- Alyuvar hücrelerinde karbondioksit taşınımında görev alan karbonik ahidraz enzimi tersinir çalışan enzimlere örnektir.
- Tersinir enzimlerde tepkimenin hangi yönde ilerleyeceğini tepkimeye giren ve tepkimeden çıkan maddeler derişimi belirler.
\[\ce{CO2 + H2O <=>[Karbonik Anhidraz] H2CO3} \]
Sindirim enzimleri tersinir değildir. Reaksiyonları tek yönlü gerçekleştirirler.
- Enzimler hücrede üretilir. Hücre içinde ve hücre dışında çalışabilir.
- Enzimler çok hızlı çalışır. İnsan vücudunda hücresel solunum sonucu zehirli bir molekğl olan hidrojen peroksit \((H_2O_2)\) oluşur. Karaciğer hücrelerinde katalaz enziminin varlığı sayesinde beş milyon hidrojen peroksit, su ve oksijene parçalanabilir.
- Katalaz enziminin yokluğunda aynı miktarda hidrojen peroksitin parçalanması 300 yıl sürer.
\[\ce{H2O2 ->[Katalaz] H2O + 1/2O2} \]
- Enzimler genel olarak hücrelerde takım halinde çalışırlar.
- Bir enzimin ürünü diğer enzimin substratı olabilir.
- İnsanlarda nişasta sindiriminde amilaz ve maltaz enzimleri takım halinde çalışır.
\[\ce{Nisasta + H2O ->[Amilaz] Maltoz + Dekstrin} \]
\[\ce{Maltoz + H2O ->[Maltaz] Glikoz + Glikoz} \]
Takım halinde çalışan enzimlerin aktiviteleri geri beslenme mekanizması ile denetlenir. Miktarı yeterli düzeye ulaşan son ürün ilk enzime bağlanarak tepkimeyi durdurur (son inhibitör etkisi). Hücrede son ürün tükendiğinde takımdaki enzimler yeniden çalışmaya başlar.
- Aktif enzimler substratın sonuna "az" eki getirilerek adlandırılır. (maltaz, lipaz, peptidaz gibi).
- Pasif enzimler genel olarak "jen" ekiyle biter. (pepsinojen, tripsinojen gibi).
Enzimler genlerin kontrolünde sentezlenirler. Genin mutasyona uğraması, ilgili enzimin sentezini engeller.
Enzimlerin Çalışmasını Etkileyen Faktörler
Sıcaklık
Enzimler protein yapılı olduklarından, ortamdaki sıcaklık değişimlerinden etkilenirler.
- Enzimin en iyi çalışabileceği sıcaklığa optimum sıcaklık denir.
- Enzimler genelde 30-40 derece celcius arasında maksimum etkinlik gösterirler. (İnsanlarda optimum sıcaklık 37 derecedir.)
- Bir enzimatik tepkimenin hızı belirli bir noktaya kadar, artan sıcaklığa bağlı olarak artar. Bunun nedeni sıcaklık artışından dolayı, substratın hızlı hareket etmesi ve enzimin aktif bölgesi ile daha sık çarpışmasıdır.
- Ancak belirli bir sıcaklığın üzerine çıkıldığında enzimler denatüre olduğundan (aktif bölgenin şekli bozulur), enzimatik tepkimenin hızı aniden düşer.
- Yüksek sıcaklıkta (55-60 derece celcius) enzimlerin yapısı bozulduğundan, sıcaklık normalde öndüğünde de enzimler çalışamaz.
- Sıcaklığın azalması tepkimeyi yavaşlatır ve durdurur. Fakat bu değişim enzimin yapısını bozmaz. Sıcaklık artarsa enzim tekrar çalışır.
pH Derecesi
Her enzimin optimum bir pH'ı vardır.
- Birçok enzimin optimal pH'ı 7 civarındadır.
- Bazı enzimler asidik, bazı enzimler ise bazik ortamda optimal aktivite gösterebilirler.
- Örneğin midede protein sindiriminde görev alan pepsin enzimi pH=2 de yani asidik ortamda iyi çalışır. İnce bağırsakta görev alan tripsin enzimi ise pH=8,5 de yani bazik ortamda iyi çalışır.
Ortamın pH'ındaki ani değişimler enzimlerin denatürasyonuna neden olabilir.
Enzim Yoğunluğu
Sıcaklık ve pH değerlerinin optimum olduğu ortamda yeterli substrat varsa enzim yoğunluğu arttıkça tepkime hızı da artar.
- \(H_2O_2\) bulunan bir deney tüpüne karaciğer hücrelerinin ezilerek konulması tepkime hızını artırır. Bunun nedeni karaciğer hücreleri ezildikçe deney tüpüne geçen katalaz enzimi miktarının artmasıdır.
Ortamdaki substrat miktarı sınırlı ise enzim yoğunluğu artsa bile reaksiyon bir süre devam eder daha sonra durur. Bunun nedeni ortamda substratın kalmamasıdır.
Substrat Yoğunluğu
Enzim miktarının sabit tutulduğu bir ortamda substrat yoğunluğu arttıkça reaksiyon hızı maksimum bir değere ulaştıktan sonra sabit kalır.
- Bunun nedeni enzimlerin substrata doymasıdır.
Substrat Düzeyi
Enzimler substratı dış yüzeylerinden başlayarak etkiler. Bu sebeple substratın yüzey alanı arttıkça enzim etkinliği de artar ve tepkime hızlanır.
- Ağızda uzun süre çiğnenen besinlerin sindiriminin daha kısa sürede tamamlanması bu yüzdendir.
Su
Enzimlerin etkinlik gösterebilmeleri için ortamda belirli bir oranda suyun bulunması gerekir.
- Genellikle su yoğunluğu %15'in altında olduğu ortamlarda enzimler görev yapamaz.
Su yoğunluğu %15'in altına düştüğünde mikroorganizmaların çürümeye neden olan enzimleri iş göremez. Böylece besinler uzun süre bozulmadan saklanabilir.
Kimyasal Maddelerin Etkisi
- Enzimlerin etkinliğini artıran maddelere aktivatör adı verilir.
- Aktivatör kimyasal bir madde ya da başka bir enzim olabilir.
- Kalsiyum ve magnezyum gibi bazı iyonlar aktivatör maddelere örnektir.
- Enzim etkinliğini azaltan ya da durduran maddelere inhibitör adı verilir.
- Siyanür, kurşun ve civa gibi ağır metal iyonları inhibitör maddelerdir.
İnhibitör maddeler ikiye ayrılır.
Kompetitif inhibitörler
- Doğrudan enzimin aktif bölgesine bağlanarak enzim ve substratın birleşmesini engeller.
Kompetitif olmayan inhibitörler
- Enzimin başka bir bölgesine bağlanıp aktif bölgenin şeklinin değişmesine neden olarak enzimlerin substrata bağlanmasını engeller.
Aşağıda kompetitif ve kompetitif olmayan inhibitörlerin etki mekanizmaları verilmiştir.
