Düzenleyici Enzimler

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
ve
redüksiyon
reaksiyonlarını katalizleyen enzimlerdir.
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 geometrik rasemizasyonunu
katalizleyen enzimlerdir.
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 103-108 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 K0.5’in değiştiği pozitif modülatör ve negatif
modülatör etkisi. Orta eğri modülatörsüz substrat-aktivite ilişkisini
gösteriri. C)Vmax’ın değiştiği ve K0.5’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