Enzimlerin Genel Özellikleri Dr. G. Eskandari

Amaç Enzimler hakkında bilgi sahibi olmak

Öğrenim hedefleri Dönem I öğrencileri bu dersin sonunda Enzimin biyolojik sistemlerde nasıl bir işlevi olduğunu tanımlayabilecek, Enzim yapısını tanımlayabilecek, Enzim substrat birleşmesinin nasıl gerçekleştiğini açıklayabilecek, Enzim sınıflamasını sayabilecek, Hangi sınıf enzimin hangi tip reaksiyonu gerçekleştirdiğini açıklayabilecek, Enzim isimlendirmesinin nasıl yapıldığının farkında olabilecektir.

Yaşam için iki temel koşul var Yaşayan varlık; Kendi kopyasını yapabilmeli Kimyasal tepkimeleri katalizleyebilmeli (yeterli-seçici) Oksijen varlığında örneğin glukozun CO2 ve H2O ya dönüşümü egzergonik bir süreçtir, salınan serbest enerji organizma tarafından kullanılır. Bununla beraber bir torba şeker CO2 ve H2O ya hiçbir dönüşüm olmaksızın yıllarca saklanabilir. Şekerin parçalanması termodinamik olarak tercih edilir olmasına rağmen, çok yavaştır. Fakat glukoz insanlar tarafından tüketildiğinde saniyeler içerisinde kimyasal enerjisini salar, fark katalizdir. Kataliz olmasaydı, yaşamın devam etmesi için gerekli olan kimyasal tepkimeler uygun zaman aralığında meydana gelmeyebilirdi. Reaksiyonların enzimatik katalizi yaşayan sistemler için esansiyeldir. Biyolojik koşullar altında katalize edilmeyen reaksiyonlar yavaş yürür. Çoğu biyolojik moleküller hücre içindeki nötral pH’da, orta sıcaklıkta ve sulu ortamda oldukça stabildir. Enzimler enerjetik olarak elverişli bir reaksiyonda özgül ortam yaratarak bu problemleri yener. Hücre normal metabolik aktivite sırasında yüzlerce farklı besini başlangıç materyali ya da substrat olarak kullanır. Enzimler düzenli tepkime dizilerindeki aktiviteleriyle besinsel moleküllerin parçalandığı tepkime basamaklarının yüzlercesini katalizler, böylece kimyasal enerji korunur, dönüştürülür ve basit öncüllerden biyolojik makromoleküller üretilir. Kavram ilk kez 1878’de Kuhle tarafından kullanılmıştır. Enzyme = in yeast = mayanın içinden anlamındadır. Önceleri maya hücrelerinde bulunan ve alkolik fermentasyon oluşturan Zymase enzimi için kullanılmıştır. Lavoisier fermentasyon sırasında şekerin CO2 ve H2O ya dönüştüğünü belirlemiştir. 1850- Pasteur fermentasyon oluşumu için daima canlı bir sistemin (FERMENT) varlığının şart olduğunu ortaya koydu. Ferment daha sonra ENZİM adını aldı. Enzimler her biyokimyasal süreçte merkez rol oynarlar.

Enzimler Biyolojik reaksiyonları katalizler ve hızlandırır Hemen hepsi protein yapısında Substratlarına spesifikler Aktif bölgeleri var Metabolik yolları düzenleyerek kontrol ederler Reaksiyon sonunda değişmezler

Enzimler biyolojik reaksiyonları katalizler ve hızlandırırlar Kimyasal reaksiyonların başlaması ve hızlanmasını sağlayan maddelere katalizör denir Enzimler; çok az miktarları ve üstün katalitik güçleri ile biyolojik sistemlerdeki kimyasal reaksiyonları hızlandıran katalizörler Reaksiyonları 106 - 1012 kat hızlandırırlar

Enzim Turnover sayısı (sn-1) Karbonik anhidraz 600 000 Katalaz 80 000 Asetil kolinesteraz 25 000 Trioz fosfat izomeraz 4 400 -amilaz 300 Laktat dehidrogenaz 200 Kimotripsin 100 Aldolaz 11 Lizozim 0.5 Fruktoz 2,6-bifosfataz 0.1 Her bir enzim molekülü saniyede yüzlerce, binlerce substratı ürüne dönüştürebilirler. Turnover (devir) sayısı, bir enzimin katalitik gücünü tanımlar. Bir enzim molekülü tarafından bir saniyede ürüne dönüştürülen substrat molekülü sayısı olarak tanımlanır.

A B A→B tepkimesi için enerji değişimlerini gösteren tepkime koordinat diagramı Hem ileri hem de geri tepkimeler için başlangıç noktası zemin durumu olarak adlandırılır Tepkimenin dengesi A ve B’nin zemin durumunun serbest enerjilerindeki farklılığı yansıtır

A B B’nin zemin durumu serbest enerjisi A’nınkinden daha düşüktür, böylece bu tepkime için standart serbest enerji değişimi(∆G) negatiftir ve denge A→B yönünü tercih eder Ancak tercih edilen denge A→B tepkimesinin istenen hızda gerçekleşeceği anlamına gelmez

A B Reaksiyonların önünde bir enerji engeli var Aktivasyon Enerjisi: Belli ısıda, 1 mol maddenin bütün moleküllerini enerji bariyerinin geçiş durumuna getirebilmek için gerekli kalori cinsinden enerji miktarı Eğer moleküller enerji bariyerini aşarlarsa ürüne dönüşürler, aşamazlarsa geriye dönerler

Enzimler; reaksiyonun hızını artırmak için bu enerji engelini azaltırlar Tepkimenin dengesi yani yönü herhangi bir katalizörden etkilenmezken hızı katalizörlerden etkilenir

Enzimler protein yapıda Katalitik etkili bazı RNA molekülleri (Ribozimler) dışında bütün enzimler protein Katalitik aktiviteleri, doğal protein konformasyonuna bağlı Enzimler denatüre olursa veya alt birimlerine ayrılırsa katalitik aktiviteleri kaybolur “enzimlerin primer, sekonder, tersiyer ve quarterner yapısı katalitik aktivite için esas” Ribozim hariç tüm enzimler protein yapıdadır. Protein yapıda olmadıkları açıkça bilinen bazı RNA’lar (Ribonükleaz, rRNA, snRNA, RNAase P vb) ileri derecede substrata özgül katalitik etkinlik gösterirler. Enzim tanımlamasında yer alan tüm klasik kriterlere uygunluk gösteren bu RNA’lar RİBOZİMLER olarak adlandırılır. Ribozimler; RNA molekülünde yer alan fosfodiester bağlarının trans esterleşmesini ve sonunda hidrolizini katalizlerler. Bunların çoğu gen ekspresyonunda özelleşmiş roller oynar. Metabolik reaksiyonlarda görev almazlar.

Substrat spesifikliği Enzim-katalizörlüğündeki reaksiyonlar ürün ve substrat spesifitesi gösterir Substrat özgünlüğü, substrat bağlama bölgesindeki amino asidlerin yapısı, yükleri, polarite ya da hidrofobisiteleriyle belirlenir Spesifite, enzimden enzime değişebilir Bazı enzimler mutlak spesifite gösterirler Glukokinaz, ATP’den fosfatı sadece glukoza transfer eder, diğer hekzoslarla reaksiyona girmez Kullandığı subsratın bağ yapıları, konfigürasyonu enzim için seçici olabilir. (-amilazla, nişasta sindirilebilir ama selüloz sindirilemez.) Katalizörsüz reaksiyonlar, oldukça çeşitli ürün verirken, enzim-katalizörlüğündeki reaksiyonlar ürün spesifitesi ve substrat spesifitesi gösterirler. Enzimler stereokimyasal* spesifite gösterebilirler; L-aminoasit oxidaz, L-aa’leri okso asitlere çevirir. D-aminoasit oxidaz, D-aa’leri okso asitlere çevirir. Alanin rasemaz 2 stereokimyasal formla da reaksiyona girer Enzimlere bağlanan substrat ve diğer molekülleri yan yana tutan nonkavalent güçler proteinlerin konformasyonunu yaratan güçlerin niteliğine benzerdir. Her ikisi de van der Waals, elektrostatik, hidrojen bağı ve hidrofobik etkileşimleri kapsar. Enzimin substrat bağlaması hidrojen bağı, hidrofobik ya da iyonik etkileşim gibi zayıf bağlarla olur.

Bazı enzimler de grup spesifitesi gösterir Alkol dehidrogenazlar, alkollerin oksidasyonunu kataliz edern(Etanol, Metanol) Hekzokinaz, ATP’den fosfatı hekzoslara transfer edern(Glukoz, Fruktoz, Galaktoz) Tripsin birçok protein ve peptidde, peptid bağlarını parçalar

Aktif bölgesi var Primer yapıda farklı sıralardaki aminoasitler katlanma, bükülme ve kırılmalar sonucu bir araya gelerek aktif bölgeyi yapar Aktif bölge hem polar hem de nonpolar aa’ler içerebilir (en çok Lizin, Histidin, Aspartat, Glutamat, Serin, Sistein görülür) Geri kalan bölgeler aktif bölgenin 3 boyutlu yapısının korunmasında rol alırlar. Aktif alan rijit, stabil veya sabit bir alan değildir. Hareketli ve değişkendir. Enzim, reaksiyonun oluşması için substratı aktif bölgesine bağlar(ES Kompleksi).

Aktif bölgenin iki önemli fonksiyonu var; substrat bağlama ve katalitik fonksiyon Genelde, substrat bağlama yeri bir enzimin yüzeyi üzerinde substratın şeklini tamamlayıcı (geometrik tamamlayıcılık) olan bir çentik ya da yarık içerir. Ayrıca, amino asitler bir çekim etkisinde (elektronik tamamlayıcılık) substratla özgül olarak etkileşmeyi düzenleyen bağlanma bölgesini oluşturur. Substratttan farklı şekilde ve fonksiyonel grup dağılımında olan moleküller enzime üretken amaçlı bağlanamaz. Substratın aktif bölgeye bağlanması bazı konformasyonel değişikliklere yol açar (induced fit: uyarılmış evre-devir).

Enzim-Substrat bağlanması Enzimin substratla birleşip ES kompleksi oluşturmasını açıklamaya çalışan birçok teori ileri sürülmüştür.

unlaştırma (induced fit) modeli; Bugün enzimlerin esnek yapıda oldukları, serbest ve substrat bağlı yapılarının farklı olduğu gösterilmiştir. Yapısal fleksibilite: Bazı enzimler substratlarını bağladıklarında majör yapısal düzenlenmeye uğruyorlar. Bu tip yapısal değişiklik “induced fit” olarak da değerlendirilir(Örnek: Hekzokinaz). NMR ve X-ray kristalografi çalışmalar bazı enzimlerin serbest ve substrat bağlı yapılarının farklı olduğunu göstermektedir.

Enzim-substrat bağlanması Substratın enzime bağlanması ile enzimde konformasyonel değişiklik olur Enzim substratla bağlandıktan sonra spesifik katalitik gruplar katalizi gerçekleştirir Bu anlamda en iyi bilinen mekanizmalar asid-baz katalizi, kovalent kataliz ve metal iyon katalizi

Metabolik yolların düzenlenmesinde kontrol edilirler Aktiviteleri uyarılara ya da metabolik gereksinime göre ayarlanabilen enzimlere regülatuvar enzimler denir Bu enzimler üzerinden yer aldıkları metabolik yolak düzenlenebilir Bazı enzimler kademeli birçok reaksiyonu kataliz edebilir (Multi enzim sistemi) (ör. yağ asidi sentaz enzim kompleksi) Multienzim sistemleri ile; Bu şekilde besinsel moleküller parçalanır, enerji açığa çıkar, bu enerji basit öncü moleküllerden kompleks makromoleküller sentezlenebilir Düzenlenme kapasitesi: allosterik kontrol, kovalent modifikasyon, enzim sentez miktarında değişkenlik.

Bazı enzimler kofaktörlere gereksinim duyar Enzimler kolaylıkla, asit-baz reaksiyonlarına katılarak, geçici bağlar oluşturarak bir çok reaksiyonu katalizleyebilirler Ancak oksidasyon-redüksiyon reaksiyonları ve çoğu grup transferi reaksiyonlarını kofaktör denen bazı küçük moleküller aracılığıyla katalize edebilirler

Kofaktörler Cu+2, Fe+3, Zn+2, Mg+2 gibi metal iyonları olabileceği gibi koenzim olarak bilinen organik moleküller de olabilir. Bazı kofaktörler bir enzim ile geçici olarak ilişki kurar ve kosubstrat olarak işlev görür Bazı kofaktörler ise enzime sıklıkla kovalent bağla olmak üzere sıkıca bağlıdır ve bunlara prostetik grup denir

Holoenzim: Apoenzim + Kofaktör Katalitik olarak aktif, enzim-kofaktör kompleksi Holoenzimin kofaktörünün ayrılması ile oluşan enzimatik olarak inaktif protein apoenzim olarak adlandırılır Koenzim ve Metal iyonları ısıya dayanıklı oldukları halde apoenzim ısı ile denatüre olur

Metal iyonu kofaktörler Genellikle enzime veya koenzime bağlanırlar Bir katalitik merkez oluşturarak substrat ile enzimi birbirine bağlarlar Metallere gereksinim duyan enzimlere metalloenzimler denir

Koenzimler Substratın özgül işlevsel gruplarının taşıyıcısı olarak görev yaparlar Katıldıkları reaksiyon sırasında değişirler Prostetik gruplar o enzimatik reaksiyon dizisinin bir evresinde, kosubstratlar ise farklı bir enzimatik reaksiyonla rejenere olur Koenzimler çoğunlukla diyette küçük miktarlarda bulunan vitaminlerden türer Organizma tarafından üretilemedikleri için esansiyeller

Enzimlerde Sınıflama ve İsimlendirme

Klasik isimlendirme Birçok enzim, aktivitesini tarif eden deyim, kelime ya da substrat adına (–az) eki eklenerek isimlendirilir Üreaz; Üre hidrolizi DNA Polimeraz; DNA oluşturmak üzere nükleotidlerin polimerleşmesi Bazı enzimler ise işlevi ve substratından bağımsız olarak isimlendirilmiş Pepsin Tripsin Bazen aynı enzim iki farklı şekilde isimlendirilmiş veya iki farklı enzim aynı ismi almış olabilir. Bu gibi belirsizlikler ve yeni bir çok enzim bulunuyor olması nedeniyle uluslararası geçerliliği olan bir sınıflandırma sistemi benimsenmiştir.

Enzimler katalizledikleri tepkime tipine göre sınıflandırılır Uluslar arası enzim komisyonu enzimlerin sistematik fonksiyonel sınıflandırması ve adlandırılmasına ilişkin bir şema geliştirmiş Bu sistem ile enzimler katalizledikleri tepkime tipi esas alınarak 6 temel gruba ayrılmış Her enzime katalizlediği tepkimeyi tanımlayan 4 sayıdan oluşan sınıflandırma numarası ve sistematik bir isim verilmiş

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

ATP + Glukoz → ADP + Glukoz 6-Fosfat Heksokinaz ATP:glukoz fosfotransferaz EC.2.7.1.1 (2): Transferaz (7): Fosfat transferi (1): -OH grubunun alıcı olduğu (1): fosforil grubu alıcısının glukoz olduğu

Laktat Dehidrogenaz Laktat: NAD oxidoredüktaz EC.1.1.1.27 (1): Oksidoredüktaz (1): Bir alkol grubunun H verici olduğunu (1): NAD+ nin H alıcısı olduğunu (27): Özel seri numarası

Oxidoredüktazlar Elektron transferi (hidrit iyonları ve H atomları) ve moleküler oksijen katılım reaksiyonlarını katalizler Dehidrogenazlar, Oksijenazlar, Peroksidaz bu grupta 2. rakam: H veya e- vericisi grubu tanımlar 3. rakam: Alıcı grubu tanımlar

Dehidrogenazlar en yaygın oksidoredüktazlar Bir substrat ve bir koenzim (NAD, NADP, FAD, FMN) arasında hidrojen transferi Oksijenazlar substrat olarak moleküler oksijeni kullanır Çoğu hidroksilazlar monooksijenaz Peroksidazlar substrat olarak hidrojen peroksit veya organik bir peroksidi kullanır

Transferazlar Bir fonksiyonel grubu bir bileşikten diğerine transfer (amino, karboksil, karbonil, metil, açil, glikozil, fosforil) Kinazlar, Fosforilazlar, Transaminazlar gibi. 2. rakam transfer olan grubu tanımlar (C transferi) 3. rakam ise ayrıntılı grup transferini gösterir (CH3 transferi) Kinazlar ATP ya da diğer nükleosid trifosfatlardan ikinci bir subtrata fosfat grubu transfer eder. Fosfat grubunun transfer edildiği substrata göre adlandırılır. Fosforilazlar inorganik fosfor ekleyerek bağları kırar. Transaminazlar amino gruplarını transfer eder.

Hidrolazlar Bir karbon atomu ile bir başka atom arasındaki bağı su ekleyerek kıran, hidroliz eden enzimler Sindirim enzimleri ve lizozomal enzimler gibi Substratlarına göre gruplandırılır (peptidazlar, esterazlar, lipazlar, fosfolipazlar, glikozidazlar, fosfatazlar gibi). 2. rakam hidrolize olan bağı tanımlar (ester, peptid bağı gibi) 3. rakam ise hidrolize olan bağı ayrıntılı tanımlar (karboksilikester, tiolester gibi)

Liyazlar Substrattaki bir grubun, hidrolitik olmayan, bir çift bağ oluşturarak ayrılmasını katalizler Çift bağlara grupların ilavesi ve yer değiştirmesiyle çift bağların oluşması Bu enzimler sıklıkla synthase (sentaz) olarak adlandırılır Karbon-karbon, karbon-sülfür ve karbon-azot bağı kırılmasını katalizler 2. rakam kırılan bağı tanımlar (C-C, C-O, C-S, C-N) 3. rakam uzaklaştırılan grubu tanımlar (Karboksil, Aldehid, Ketoasid gibi) Çoğu liyaz reaksiyonları karşıt yönde ilerler, substratlardan birinde yeni bir bağ yaratır ve bir çift bağla ayırır.

İzomerazlar Pozisyonal, geometrik ya da optik izomerlerin birbirine dönüşümü ve molekül içi grup transferi Epimeraz, Rasemaz, Mutaz gibi 2. rakam reaksiyon tipini tanımlar (epimerizasyon, cis-trans izomerizasyon gibi) 3. rakam izomerizasyona giden molekülü tanımlar (amino asid, karbonhidrat gibi) Rasemaz( asimetrik C atomu inversiyonu) Alanin Rasemaz E.C. 5.1.1.1 L-Alanin  D-Alanin

Ligazlar ATP den sağlanan enerjiyle, karbon atomu ile oksijen, kükürt, azot gibi atomlar arasında bağ oluşumu Sentetazlar olarak bilinirler 2. rakam hangi atomlar arasında bağ kurulduğunu tanımlar (C-O, C-S, C-N, C-C) 3. rakam oluşan bağ tipini tanımlar Glutamin Sentetaz,; L-Glutamat amonyak ligaz ; E.C. 6.3.1.2 L-Glutamat + ATP + NH3  L-Glutamin + ADP +Pi

Aşağıdakilerden hangisi enzimlerin genel özelliklerinden değildir? Ribozimler dışında protein yapıdadırlar. Biyolojik reaksiyonların hızını arttırırlar. Reaksiyon sonunda değişime uğrayabilirler. Substrat özgünlüğü gösterirler. Reaksiyonu gerçekleştiren aktif bölgeleri vardır.