Biyolojik Reaksiyonlar ve Enzim Etki Mekanizmasının Moleküler
advertisement
Biyolojik Reaksiyonlar ve Enzim Etki Mekanizmasının Moleküler Esasları Enzim Kinetikleri Doç. Dr. Handan Akçakaya Enzimler farklı amaçlarla çeşitli sektörler tarafından kullanılmaktadır. • • • • • • Deterjan sektörü (Lipazlar) Besin sektörü (Proteazlar-papain, Karbohidrazlar) Tekstil (Selülaz) İlaç sektörü Kozmatik sektörü Tıp (tanı ve tedavi) Enzimler farklı yönleriyle farklı bilim dallarının ilgi alanları içine girmektedir. *Biyokimya *Enzimoloji *Farmakoloji *Biyofizik Biyolojik olayları fiziksel ilke ve yöntemlerle inceleyen, açıklayan bir bilim dalı olan biyofizik; enzimleri de yine aynı yaklaşımla ele almaktadır. Bir başka şekilde ifade etmek gerekirse enzimler biyofizik çerçevesinde kimyasal kinetik açısından incelenir. Kinetik; enzimlerin katalizlediği reaksiyonların hızlarını ve reaksiyon hızını etkileyen fiziksel ve kimyasal koşulların etkisini inceler. Reasiyon Hızı (V): Enzim etkisiyle birim zamanda değişikliğe uğrayan substrat miktarı ya da oluşan ürün miktarı olarak ifade edilebilir. Enzimin moleküler aktivitesi: Optimum reaksiyon şartlarında 1 molekül enzim tarafından 1 dakikada ürüne dönüşen sustrat miktarıdır. Spesifik Enzim Aktivitesi: Enzimin mg protein başına düşen ünite sayısıdır. •Enzim Ünitesi: Optimal şartlarda 1 dakikada 1 mol substratı ürüne dönüştüren enzim miktarıdır. Enzim Dönüşüm Sayısı (Turnover sayısı):Enzim molekülü tarafından 1 saniyede ürüne çevrilen substrat molekülü sayısıdır. Enzimlerin Kataliz Hızını Etkileyen Faktörler Enzim konsantrasyunu Substrat konsantrasyunu Sıcaklık pH Zaman Aktivatör ve inhibitörler SUBSTRAT KONSANTRASYONU Maksimum aktivasyon Reaks. Hızı Optimum sıcaklık Sıcaklık Enzimle katalize edilen reaksiyon hızı zamanla azalır. Bunun nedeni; reaksiyon ürünlerinin kendi aralarında birleşerek ters yöndeki bir reaksiyonu meydana getirmeleri, enzimin zamanla inaktive olması, reaksiyonu önleyen maddelerin oluşması ve nihayet substratın tükenmesidir. Enzim etkinliğini arttıran etkenler aktivatör; azaltan etkenler ise inhibitör olarak adlandırılır. Enzimlerin etki mekanizmalarının incelenmesinde enzim inhibitörlerinin önemli bir rolü vardır. [G negatif (G<0)] ise reaksiyon ekzergoniktir ve yazıldığı şekilde soldan sağa doğru kendiliğinden ilerler. [G pozitif (G>0)] ise reaksiyon endergoniktir ve yazıldığı şekilde kendiliğinden ilerlemez. Aktivasyon enerjisi E+S k1 k-1 ES k2 V= k2 [ES] E+Ü Tepkime hızları Kimyasal tepkimelerin hızı (v) zaman biriminde dönüşüm ya da ürünün oluşum hızı olarak anlaşılır ve mol.l-1.san-1 olarak ifade edilir. Tepkime hızı tepken derişimine bağlı olup, bu bağlantı, , eşitliği ile tanımlanır. Bu eşitlikte üstel değer (n) tepkime derecesini belirler. Birincil derece tepkimeler; A B dönüşümünün gerçekleştiği basit bir örnekte, ürün(B)nin oluşum ya da kısaca tepkime hızı tek tepken(A)in derişimi ile orantılıdır. Bu tür tepkimeler birincil derece tepkimeler olarak adlandırılır: V= k[A] İkincil derece tepkimeler; A ve B gibi iki farklı molekülü içeren tepkimelerde A + B AB Ya da aynı iki A molekülünün A ve B nin derişiminin bir kat artması tepkime hızını bir kat artırır. Hem A hem de B derişiminin bir kat artması ise çarpışma olasılığını dört kat artırır. Dolayısıyla reaksiyon hızı 4 kat artar. V= k[A] [B] 2A C V= k[A]² dA - = kA dt • Bu eşitliğin tümlevinin (intregralinin) alınmasıyla türetilen eşitlikler, A ln = -kt, Ao A ya da = e-kt, Ao tepkenin derişimi zaman içinde üstel olarak azalır. Ao= tepkenin başlangıçtaki, yani (t= 0) derişimi. Bu eşitliklerden hareketle tepkenin derişiminin yarıya indiği süre, yarılanma süresi (t1/2), Ao ln 2 = kt1/2 Ao ln 2 = 0,69 = kt1/2 eşitliğine göre hesaplanabilir . Birincil derece tepkime. Zamana göre tepken (A)derişimindeki azalma (a) logaritmik olarak ifade edildiğinde (b) elde edilen doğrusal bir ilişki tepkinin birincil dereceli olduğunu ortaya koyar. İkincil derecede tepkimelerin yarılanma sürelerinin belirlenmesinde, eşitliği kullanılır. Bu eşitliğe göre, bu tür tepkimelerde yarılanma süresi tepken derişimiyle ters orantılı olup, sınırlı derişimlerde tepkime süresinin önemli ölçüde uzaması söz konusudur. Tepkime hızı ve aktifleşme enerjisi Moleküllerin tepkimeye girebilmeleri için bir aktifleşme sürecinden geçmeleri gerekir. Tepkimenin başlamasını zorlaştıran böyle bir enerji engeli tepkime hızı üzerinde de belirleyici olur. Birincil derecede bir tepkimede moleküllerin, yalnızca belirli bir bölümü bir zaman diliminde dönüşüm sürecine girebilmektedir. İkincil derecede tepkimelerde ise iki farklı tür molekülün aktifleşmiş temsilcilerinin karşılaşma olasılığıyla sınırlı bir dönüşüm gerçekleşebilir. Ortamın sıcaklığının artırılmasıyla tepkime hızlarında gözlenen artış bu düşünceyi doğrular. Tepkime, moleküllerin başta tabi olduğu ( ≠ simgesiyle gösterilen) bu aktifleşme ya da geçiş sürecinden sonra gerçekleşir. Buna göre, tepkime, klasik termodinamiğin öngördüğü serbest enerji değişiminin ötesinde, başlama aşamasında aktifleşme enerjisine ( ) gereksinir. Moleküllerin (enzimatik tepkimelerde substrat olarak tanımlanan ligantların) tepkimeye girmeleri için gereksinilen enerji miktarı onların enzimin aktif bölgesine geçiş yapısına (konformasyonuna) benzeşik bir ara ürün (A*) biçiminde bağlanmalarıyla azalır. (A A*) Ara ürünün bağlanma sonucu, göreli olarak, düşük enerji düzeyli, dolayısıyla göreli kalımlı bir duruma gelmesi aktifleşme enerjisinin azalmasında başlıca etkendir.Böylece bir sonraki kimyasal dönüşüm olasılığı artar. (A* B) Katalizleyici etmenler olarak enzimlerin diğer bir özelliğini aktif (ya da katalitik) bölgelerinde çeşitli reaktif yan gruba sahip amino asidin bulunması belirler. Bu grupların bazıları karbon atomu üzerinde gerçekleştirdikleri nükleofilik etki, asidik gruplardan ayrışan H+ iyonu ise elektron yoğun gruplar (örneğin karboksil grubu içindeki oksijen atomu) üzerinde elektrofilik etki yapar. Böylece, substrat moleküllerindeki yük dağılımını bozarak, kovalent bağların kırılmasına, ikinci aşamada ise yeni bağların oluşumuna yol açar. Enzimlerin katalitik bölgelerinde gerçekleşen bu tür nükleofilik ve elektrofilik etkimelerin bir örneğini kemotripsinin aktif bölgesinde gerçekleşen proteolitik tepkime sürecinde görmek olasıdır. Kemotripsin, fenilalanin ve tirosinin karboksil gruplarıyla katıldıkları peptit bağlarını keser. Tepkime sürecinde aktif bölgede bulunan serin kalıntısı nükleofilik etkisiyle proteolitik kesimin gerçekleşmesinde belirleyici rol oynar. Kemotripsinin etki mekanizması
