Canlılardaki kimyasal tepkimeler (biyokimyasal tepkimeler) cansız ortamdakilere benzer. Biyokimyasal tepkimelerinin önündeki enerji engeli (aktivasyon enerjisi)nin aşılması için yüksek ısı enerjisi kullanmak uygun değildir. Çünkü yüksek ısı canlının ölümüne neden olmaktadır.
Canlılar biyokimyasal tepkimelerini yaşamı sağlayacak hızda gerçekleştirmek için enzim denilen biyolojik katalizörlerden yararlanır.
Canlılarda, metabolizma tepkimelerinde yüksek ısıya gerek duymadan,
- ilgili maddelerle tepkimeye girerek geçici bir bileşik oluşturan,
- aktivasyon enerjisini düşürerek, tepkimenin dengeye erişme hızını artıran,
- tepkime sonunda ürünler oluşurken kendisi değişmeden kalan,
- ortamda ilgili madde varsa ve koşullar uygunsa aynı işlevine devam eden (tekrar kullanılan) organik katalizörlere enzim denir. Enzimlerin tümü protein yapıdadır.
Enzimlerin Adlandırılması
Enzimler aktif ya da inaktif durumda olmalarına göre adlandırılır. Enzim aktif durumda ise genellikle substrat adının veya katalizlediği tepkimenin sonuna “-az” eki getirilerek adlandırılır. Örneğin, laktoza etki eden enzim laktaz, lipidlere etki eden enzim lipaz adını alır. Bu kurala uymayan enzim adları da vardır (Tripsin, pepsin vb.)
Uluslararası Biyokimya Birliği, enzimleri kataliz ettikleri tepkime tipinin sonuna “-az” eki getirerek altı sınıfta toplamıştır. Oksidoredüktazlar, transferazlar, hidrolazlar, liazlar, izomerazlar ve ligazlar.
Enzimlerin Yapısı
Enzimler yapı maddelerinin çeşitlerine göre ikiye ayrılır:
- Basit protein yapıda enzimler: Bazı enzimler sadece amino asitlerin peptitleşmesiyle oluşur. Bu nedenle yapıları sadece proteinden ibarettir. Substratı tanıma, bağlama ve tepkimeye sokma etkinliklerinin hepsi bu protein yapıyla gerçekleştirilir. Pepsin, tripsin, kimotripsin gibi enzimler bu gruba girer.
- Bileşik protein yapıda enzimler: Bu tip enzimlerde, amino asitlerin peptitleşmesiyle oluşan bir protein kısım ve bir de protein olmayan ek kısım bulunur. Bu enzimlerin protein kısmına apoenzim denir. Apoenzim sadece substrata karşı özgüllüğü sağlar, yani substratı tanır ve bağlar, fakat tepkimeye sokamaz. Kısaca apoenzim pasif enzimdir. Ek kısım ise katalitik etkiyi sağlar yani substratı tepkimeye sokar. Apoenzim ve ek kısım birlikte aktif enzimi meydana getirir.
Apoenzimlerin aktişeştirilmesini sağlayan ek kısımların iki tipi vardır:
1. Koenzim: Enzimleri aktişeştiren küçük organik bileşiklerdir. Apoenzim ve koenzim ayrı ayrı katalitik etki göstermez. Önemli koenzimlerden bazıları NAD, NADP ve FAD dır. Bunların her biri ayrı bazı dehidrogenazların koenzimlerdir. Bu koenzimlerin ve diğer birçok koenzimin esas bileşeni özellikle B grubu vitaminleridir.
NOT: Enzimler, belirli bir koenzim veya kofaktörle birlikte çalışır. Fakat bir koenzim ve kofaktör birden fazla enzim ile çalışabilir. Bu nedenle enzim çeşidi, kofaktör ve koenzim çeşidinden daha fazladır.
2. Kofaktör: Enzimleri aktişeştiren inorganik maddelere kofaktör (aktivatör) denir. Bunların çoğu Ca++, Mg++, Zn++, K+ ve Na+ gibi metal iyonlardır. Örneğin, çinko (Zn) karboksipeptidazın, klorür (CI—) ise tükrük amilazının kofaktörüdür.
Kofaktörlerden her biri de koenzimlerde olduğu gibi farklı apoenzimleri aktişeştirebilmektedir. Bu nedenle bu iyonlara özgül olmayan aktivatörler de denir. Örneğin çinko (Zn) karbonik anhidraz, laktik dehidrogenaz gibi farklı enzimlerin aktivatörüdür.
Bir de özgül aktivatörler vardır. Bunların her biri sadece belirli bir pasif enzimi aktif hale getirir. Kinazlar bunlardandır. Örneğin, enterokinaz tripsinojenin özgül aktivatörüdür.
Tripsinojen + Enterokinaz = Tripsin
- Enterokinaz — Özgül aktivatör
- Tripsin — Aktif Enzim
Enzimler ve Özgünlük
Her enzim molekülünün belirli bir şekli ve elektriksel yük durumu vardır. Bu nedenle sadece kendisine uygun molekülleri çeker, bağlar ve tepkimeye sokar. Bu duruma enzimlerin özgüllüğü denir.
1. Substrata karşı özgüllük: Enzimlerin tepkimeye soktukları maddelere substrat denir.
Bazı enzimler sadece bir çeşit substratı, bazıları da benzer özellikleri olan birkaç çeşit substratı çeker, bağlar ve tepkimeye sokar. Örneğin, üreaz enzimi sadece üreyi, peroksidaz enzimi ise hidrojen peroksit ve diğer bazı peroksitleri çeker, bağlar ve tepkimeye sokar.
2. Tepkime özgüllüğü : Her enzim farklı tepkime tiplerinden sadece bir tanesini gerçekleştirebilir. Örneğin bazı enzimler sadece hidroliz, bazıları ise sadece yükseltgenme-indirgenme tepkimelerinde kullanılır.
Enzimler ve Substrat
Bir enzim ile substratı karıştırıldığında sırasıyla şu olaylar meydana gelir :
1. Enzim Substrat Kompleksinin Oluşması: Bir enzimin en önemli özelliği belirli bir substratı bağlayabilecek yüzeye sahip olmasıdır. Bu bağlantı yüzeyine aktif yer (aktif bölge, aktif merkez) denir.Substrat ile enzim bu aktif yer aracılığıyla birleşir. Bu birleşme ile bir kararsız ara bileşik olan enzim – substrat kompleksi oluşur.
2. Enzimin Katalitik Etki Göstermesi: Substrat; enzim-substrat kompleksinin bir parçası olduğunda enzimin aktif yeri, substratlara tepkime için en uygun duruşu vererek, substratların tepkimeye girecek kısımlarının birbirine yönelmesini sağlar. Bu durumda tepkime için gerekli aktivasyon enerjisi düşer, eski bağlar kopar, yeni bağlar kurulur. Tepkime sonunda substrat azalır, ürünler oluşur ve enzim de değişmeden serbest kalır (harcanmaz).
3. Enzimin Tekrar Kullanılması: Tepkime sonunda değişmeden serbest kalan enzim uygun koşullarda tekrar aynı katalitik etkisini göstermeye devam eder.
- Enzim, tepkimenin yönünü belirlemez, sadece tepkimenin dengeye erişme hızını artırır.
- Enzimlerden bazıları çift yönlü (tersinir) çalışır.
Enzimlerin Çalışma Mekanizması
Enzimler çoğunlukla takımlar halinde çalışır. Bir enzimin meydana getirdiği ürünü bir sonraki kullanır. Yani bir enzimin ürünü, bir sonraki enzimin substratı olur.
Takım halinde çalışan enzimlere örnek alarak, nişastanın sindirimi sırasında görev alan amilaz, dekstraz, maltaz verilebilir.
- Nişasta + Su = Dekstrin
- Dekstrin + Su = Maltoz
- Maltoz + Su = Glikoz
Hücre metabolizmasının düzenlenmesi iki mekanizma ile olur. Her iki mekanizma da hücrenin madde ve enerjiyi daha verimli kullanmasını sağlar.
- Enzim aktivitesinin düzenlenmesi
- Enzim sentezinin denetimi
Düzenleme mekanizmasının en önemlisi olan bu mekanizmada son ürün miktarıyla enzim işlevi düzenlenir. Enzimatik bir tepkime de artan son ürün, miktar olarak belirli bir düzeye eriştiğinde enzime bağlanarak enzimi etkisiz hale getirir. Bu olaya enzim inhibisyonu denir. Böylece son ürün kendi sentezini sağlayan enzimatik tepkimeyi durdurur. Zamanla son ürün kullanılır. Son ürünün miktarı belirli bir düzeyin altına indiğinde enzimatik tepkime yeniden başlar. Takım halinde çalışan enzim sistemlerinde son ürün genellikle sadece ilk kademedeki enzimi inhibisyona uğratarak kendi sentezini durdurmaktadır.
Enzim sentezi denetiminin gen düzeyinde gerçekleştiğini öğrenmiştik. Genellikle katabolik enzimlerin sentezini, bu enzimler taraşndan yıkılacak maddeler (substrat)in artması uyarır. Anabolik enzimlerin sentezini ise bu enzimler taraşndan oluşturulacak ürünlerin başka bir sentezde kullanılmak suretiyle azalması uyarır. Her iki durumda da ilgili genler pasif durumdan aktif duruma geçerek mRNA sentezini yönetir. mRNA lardaki bilgilere göre ilgili enzimler sentezlenir.
Bir Gen – Bir enzim – Bir tepkime Teorisi Nedir?
Canlıların tümü yaşamsal olaylarını enzim kullanarak gerçekleştirir. Her canlı kendi enzimini kendisi sentezler. Bir enzim bir genin kontrolünde sentezlenir ve belirli bir tepkimeyi katalizler. Buna “Bir gen – Bir enzim – Bir tepkime Teorisi” denir.
Enzimler Nerede Sentezlenir?
Enzimlerin tümü hücre içinde ve DNA’daki genetik bilgiye uygun olarak sentezlenir. Ancak enzimler uygun koşullar sağlandığında hem hücre içinde hem hücre dışında çalışabilir. Yani enzimler ribozomda sentezlenir.
Enzimler ve Sağlık
Bir enzimin sentezlenememesi veya az sentezlenmesi biyokimyasal tepkimeleri aksattığından metabolizma hastalıklarına neden olur. Bunun çeşitli nedenleri vardır:
- İlgili genin bozuk (mutant) olması
- Enzim sentezinin yanlış yapılması
Yetersiz beslenme : Enzimlerin sentezi için gerekli olan amino asitler, vitaminler ve mineraller yeterince sağlanamazsa enzim yetersizliğine bağlı metabolizma hastalıkları ortaya çıkar. Örneğin pellegra, iskorbit, raşitizm ve beriberi vitamin eksikliğinin neden olduğu metabolizma hastalıklarıdır (vitaminler koenzimlerin yapı sına katılır). DNA, RNA ve ATP gibi önemli moleküllerin sentezini sağlayan enzimlerin sentezlenememesi durumunda hücre veya canlı ölür.
NOT: Fenilketonüri kalıtsal bir hastalıktır. Bu hastalığa sahip çocuklarda fenil alanin amino asidini tirozine dönüştürecek fenil alanın hidroksilaz enzimi ya bulunmaz ya da çok az üretilir. Bu duruma bağlı olarak çocukların vücudunda fenil alanin birikir. Bunun sonucunda bu çocuklarda ileri derecede zeka geriliği ve sinir sistemi bozuklukları ortaya çıkar.
Enzimler ve Tepime Hızı
Enzimli tepkime ile birim zamanda değişen madde miktarına enzimin tepkime hızı denir. Öyleyse enzimin tepkime hızını zaman ve madde miktarı arasındaki ilişki belirler. Enzimin tepkime hızı,
- birim zamanda azalan substrat miktarı,
- birim zamanda artan ürün miktarı ölçülerek belirlenir.
Bir enzimatik tepkimenin, tepkime hızı sıfır olmadığı sürece substratlardan ürün oluşur. Yani ürün miktarı artar. Tepkime hızı ne zaman sıfır olursa, tepkime durmuş demektir. Ürün miktarında değişme olmaz.
Çevre koşulları enzimlerin çalışmasını etkiler. Enzimlerin çalışmasını etkileyen faktörler metabolizma tepkimelerinin hızını da (solunum, fotosentez, protein sentezi hızı vb.) doğrudan etkiler. Bu faktörler sıcaklık, pH, enzim – substrat konsantrasyonu, inhibitörler, aktivatörler, su yüzdesi ve etkileşim yüzeyidir.
Enzim ve Sıcaklık
Enzimlerin çoğunun çalışması için optimum (en iyi, en uygun) sıcaklık yaklaşık 37°C dir. Bunun altındaki değerlerde sıcaklık artışı enzimatik tepkime hızını artırırken, üzerindeki değerlerde sıcaklık artışı enzimatik tepkime hızını azaltır. Çok düşük ve çok yüksek sıcaklıklarda enzimatik tepkimeler durur.
Yüksek sıcaklık (enzimlerin çoğu için 55-60°C) enzimleri geri dönüşsüz (kalıcı) olarak etkisiz hale getirir. Çünkü, yüksek sıcaklık enzimleri oluşturan proteinlerin üç boyutlu yapısını bozarak enzimatik tepkimeyi durdurmakta, bundan sonra sıcaklık normale dönse de, enzim normal üç boyutlu yapısına dönemediği için kalıcı olarak etkisiz hale gelmektedir.
Düşük sıcaklık veya donma enzimleri geri dönüşlü (geçici) olarak etkisiz hale getirir. Sıcaklık normale döndüğünde enzimler tekrar çalışabilir. Farklı canlı türlerinin sahip olduğu enzimlerin çalışması için gerekli optimum sıcaklık değerleri de farklılık gösterir.
Enzim ve pH
Her enzimin çalışabildiği bir pH aralığı vardır. Bazı enzimler asidik (Örneğin; pepsin, pH = 1,5 – 2 de), bazı enzimler de bazik ortamda (Örneğin; tripsin, pH = 8,5 ta) daha iyi çalışır. Kuvvetli asitler ve kuvvetli bazlar enzimleri geri dönüşsüz (kalıcı) olarak etkisiz hale getirir.
Enzim ve Substrat Konsantrasyonu
a) Enzim konsantrasyonu
Koşulların optimum olduğu ortamlarda yeterince substrat varsa, enzim konsantrasyonu artırıldıkça tepkime hızı da artar.
Sınırlı substrat varsa, tepkime hızı önce artar, sonra sabitlenir ve azalarak sıfıra düşer.
b) Substrat konsantrasyonu
Koşulların optimum olduğu ortamlarda, yeterli enzim varsa substrat konsantrasyonu arttıkça tepkime hızı da artar.
Sınırlı enzim varsa, tepkime hızı önce artar, daha sonra sabit kalır. Çünkü belirli bir noktada enzimler substrat ile doymuştur.
Enzimler ve İnhibitörler
Enzimleri etkisiz hale getiren maddelere inhibitör denir. Bu maddeler enzimlere bağlanarak enzim – substrat birleşmesini önler
Başlıca inhibitörler; antibiyotikler (bakteriler için), arsenik, siyanür, bazı canlıların zehirleri, tarım ilaçları, ağır metaller (cıva, bakır, kurşun vb.) dir. Örneğin, siyanitler solunum enzimlerinden olan sitokrom oksidaz üzerine inhibitör etkisi yaparak solunum olaylarını durdurur.
Enzimler ve Aktivatörler
Bazı enzimlerin çalışabilmesi için ortamda bulunması gereken maddelere aktivatör denir. Aktivatör madde, iyon, kimyasal madde veya başka bir enzim olabilir. Örneğin, amilazın aktivatörü klorür (CI—), fosfatazların ki ise magnezyum iyonu (Mg+2)dur.
Mide hücreleri tarafından üretilen pepsinojen pasif bir enzimdir. Yine mide tarafından salgılanan HCl ile aktif hale getirilir.
Enzimler ve Su
Enzimlerin çoğunun çalışabilmesi için ortamda mutlaka su bulunmalıdır. Bu enzimlerin çoğu da % 15 in altında su içeren ortamlarda çalışamaz.
Yiyeceklerin kurutulduklarında bozulmaması, reçelin bozulmadan dayanması su yüzdesinin düşüklüğü ile ilgilidir. Bu ortamlarda su kaybeden bakterilerin enzimleri etkisiz hale gelir.
Enzimler ve Etkileşim Yüzeyi
Enzim ile substratın etkileşim yüzeyi arttıkça tepkime hızı da artar. Örneğin kıyılmış et, aynı miktar tek parça bir etten daha hızlı sindirilir.
