Enzimler

advertisement
Enzimler Nasıl Çalışır
Enzim Kinetiği
Dr. Gülçin Eskandari
Sağlık Slaytları
http://hastaneciyiz.blogspot.com
Enzimler nasıl çalışırlar?




Oldukça etkili katalizörler
Reaksiyon hızını 
Enzimlerin oldukça büyük yapılarına
karşın, kataliz işleminin gerçekleştiği
yer aktif bölge
Enzimlerin aktif bölgesi substrat
özgünlüğü de gösterir
Enzimler nasıl çalışırlar?



Substrat özgünlüğü, substrat bağlama
bölgesindeki amino asidlerin yapısı, yükleri,
polarite ya da hidrofobisiteleriyle belirlenir
Enzimin substrat bağlaması hidrojen bağı,
hidrofobik ya da iyonik etkileşim gibi zayıf
bağlarla olur
Bazı enzimler tek bir substrata özgünlük
gösterirken, bazıları daha geniş bir
spektrumu katalizlerler
Enzimler nasıl çalışırlar?
A+B
C+D
Enzimler aktivasyon enerjisini düşürürler.
Enzimler nasıl çalışırlar?




Bir reaksiyonun hızı geçiş aşamasına
(transition state) birim zamanda geçen
substrat konsantrasyonu ile orantılı
Aktivasyon enerjisinin yüksek olması hızı
düşürür
Hızı arttırmak, ya ısıyı arttırarak
reaksiyona girecek substratların enerjisini
arttırmakla (collision theory) ya da
aktivasyon enerjisini düşürmekle mümkün
Canlı organizmalarda bu işlem aktivasyon
enerjisinin düşürülmesi, yani reaksiyonları
enzimlerin katalizlemesiyle gerçekleşir
Enzimler nasıl çalışırlar?


Enzimle katalizlenen reaksiyonların
hızı artarken G ya da Keq
değerlerinde herhangi bir değişiklik
olmaz
Reaksiyonun hızı reaksiyona giren
moleküllerin konsantrasyonu ile doğru
orantılı
nA + mB
Hız1 = k1 An Bm
Hız-1 = k-1 AnBm
k1
k-1
AnBm
Denge durumunda ise Hız1 = Hız-1 olacaktır.
K1 An Bm = k-1 AnBm
Keq =
k1
k-1
AnBm
=
An Bm
•Keq  1 ise reaksiyon spontan olarak gelişecektir.
•Keq  1 ise reaksiyonun oluşabilmesi için dışardan
enerji alması gerekecektir.
Reaksiyon hızı

Bir internasyonel ünite enzim
miktarının, belirlenen şartlar altında
bir mol ürünü bir dakikada
oluşturması
Reaksiyon hızını etkileyen
faktörler





Isı
pH
Enzim konsantrasyonu
Substrat konsantrasyonu
İnhibitör varlığı
Isı
pH
Substrat ve enzim
konsantrasyonu
Enzim kinetiği
E+S
k1
k-1
ES
kcat
E+P
1. Varsayım: E + P oluştuktan sonra geri
dönüş reaksiyonunu ihmal ediyoruz
2. Varsayım: ES hem oluşuyor, hem de
yıkılıyor, ancak bu iki işlem dengede ve ES
konsantrasyonu değişmiyor
Bu durum ‘steady state’ kararlı denge
durumu
E+S
k1
kcat
ES
k-1
ES oluşumu = k1 E S
ES yıkımı = kcat ES + k-1 ES
Oluşum = Yıkım
k1 E S = kcat ES + k-1 ES
k1 E S = ES (kcat+ k-1)
ES =
E+P
k1
(kcat+ k-1)
1/Km
E S
Km . ES = E S
E = ET – ES
Km . ES = (ET - ES) . S
Km . ES = ET S - ES . S
Km . ES + ES . S = ET S
ES (Km + S) = ET S
ES =
ET S
Km + S
E+S
k1
ES
k-1
V = kcat . ES
ET S
kcat
ise
E+P
Vmax = kcat . ET
ET S
V
ES =
=
Km + S
kcat
ET S
V = kcat
Km + S
Vmax . S
V=
Km + S
Km + S
Michealis – Menten Denklemi
Vmax . S
V=
Km + S
Michealis – Menten Denklemi
Km, Vmax’ın yarısı hıza karşılık gelen
substrat konsantrasyonu ve enzimin
substratına olan ilgisini belirler
Km değeri düştükçe enzimin substratına olan
affinitesi artar
Km büyüdükçe enzimin substratına olan
affinitesi azalır
Michealis – Menten Grafiği
Eğer S  Km ise hız substrat konsantrasyonu
ile doğru orantılı
Vmax . S
Vmax . S
V=
V=
Km + S
Km
V  S
Birinci derece kinetiği
Eğer S  Km ise hız
Vmax’ta
Vmax . S
V = Vmax
V=
Km + S
Sıfır derece kinetiği
Km değerinin, genelleme yapılamasa da,
intrasellüler S kons.unu yansıttığı söylenir
Ancak gerçek olan bu değerin ya çok düşük ya da
çok yüksek olduğu
Böylece enzimin hızı ya S kons.u ile doğru
orantılı ya da maksimum hızda çalışıyor
Km değeri enzimin değişmeyen bir parametresi
In vitro deneylerde gerekli olan S miktarı Km
değerine göre ayarlanabilir
Unutulmaması gereken bir nokta da çok yüksek
S kons.larında ES = ET olduğu
Substrat konsantrasyonuna karşı çizilen hız
eğrisinden Vmax ve Km hesaplaması her zaman
mümkün olmamakta
Bu durumda Michealis-Menten grafiğini lineer
hale getirmek gerekir
Bu işlem de 1/S’e karşılık 1/V transformasyonu
ile yapılabilir
Vmax . S
V=
=
Km + S
1
V
Vmax . S
S
Km
=
V
Km + S
1
+
Vmax . S
Vmax . S
1
Km
=
V
y
1
.
+
S
Vmax
=
1
a

x
Vmax
+
b
Lineweaver Burk Grafiği

Birden fazla substratı olan enzimlerin
katalizlediği reaksiyonlarda substrat
bağlanması farklılık gösterebilir


Düzenli (ordered) mekanizma
Rastgele (random) mekanizma ile
bağlanma gerçekleşebilir
Düzenli mekanizmayla
bağlanma
Örnek: Laktat Dehidrogenaz
Rasgele mekanizmayla
bağlanma
Örnek: Hekzokinaz
Düzenli ya da rastgele mekanizmaların her
ikisinde de ping-pong mekanizmasıyla
bağlanma olabilir.
COO
COO
COO
CH2
COO
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
HC
NH3+
COO
aspartate
+
C
O
C
O
+
COO
COO
-ketoglutarate
oxaloacetate
HC
NH3+
COO
glutamate
Aminotransferase (Transaminase)
Birden fazla substratı olan
enzimler için Lineweaver Burk
grafiği denklemi
ENZİM İNHİBİSYONLARI
Enzim inhibitörleri bilinen en iyi farmasötik
ajanlar
Örneğin aspirin prostaglandin sentezinde ilk
basamağı inhibe ederek etkisini gösterir
İki tip inhibisyon vardır;
1. Reversible (geri dönüşümlü)
inhibisyonlar
2. İrreversible (geri dönüşümsüz)
inhibisyon
Kompetetif (yarışmalı)
İnhibisyon
Kompetetif inhibitör madde aktif bölgeye
bağlanmak için substratla yarışır
Kompetetif inhibitörler yapıca substrata
benzeyen moleküllerdir ve enzimle
birleşerek EI kompleksini oluştururlar
Süksinat dehidrogenaz
Kompetetif (yarışmalı)
İnhibisyon
Kompetetif (yarışmalı)
İnhibisyon
İnhibitör enzime geri dönüşümlü bağlandığı
için S kons.u arttırılarak inhibisyon
engellenebilir
İnhibitör varlığında kinetik açıdan
değişecek olan
Km değeri, çünkü enzim aktif bölgesine
inhibitör de bağladığından, substrata olan
ilgisi azalır
Sonuçta Km değeri 
Kompetetif (yarışmalı)
İnhibisyon
Enzim Vmax’a nasıl ulaştırılır?
S kons.u arttırılarak
Dolayısıyla Km’in artması ve Vmax’ın
değişmemesi kompetetif inhibisyon için
karakteristik
Yine inhibitör kons.unu artırmakla Km
daha da artar
Kompetetif (yarışmalı)
İnhibisyon
Kompetetif (yarışmalı)
İnhibisyon
Kompetetif inhibisyonun terapatik amaçla tıpta
kullanıldığı durumlar söz konusu
Örneğin metanol zehirlenmesinde; metanol alkol
dehidrogenaz enzimiyle fromaldehide çevrilir
Formaldehid özellikle gözde olmak üzere, birçok dokuda
hasara yol açar
Alkol dehidrogenazın esas substratı olan etanol
verildiğinde, enzime bağlanmak için etanolle metanol
arasında yarışma başlar
Etanol konsantrasyonu daha da artırıldığında metanolün
toksik formaldehide çevrimi engellenmiş olur
Metanol de idrarla atılır
Nonkompetetif İnhibisyon
İnhibitör madde substratın bağlandığı bölge
dışında bir yere bağlanır
İnhibitörün bağlanması substratın bağlanmasını
etkilemez
Dolayısıyla aynı anda enzime hem substrat,
hem de inhibitör bağlanabilir
İnhibitör bağlandığında enzim inaktive olmakta,
enzime substratın da bağlı olması bunu
etkilememekte
Nonkompetetif İnhibisyon
Nonkompetetif inhibisyon’da
kinetik açıdan değişen nedir?
Vmax
İnhibitör effektif olarak aktif enzim
konsantrasyonunu düşürür ve bu da
Vmax’ın düşmesine neden olur
Diğer taraftan inhibitörün substrat
bağlanma bölgesiyle etkileşimi
olmadığından Km üzerine olan etki ya çok
düşüktür ya da yoktur
Nonkompetetif İnhibisyon
Unkompetetif İnhibisyon
İnhibitör yine substartın bağlandığı
bölgeden farklı bir yere bağlanır
Ancak unkompetetif inhibisyonda inhibitör
madde ancak ES kompleksi oluştuktan sonra
enzime bağlanabilir
Unkompetetif inhibisyonda kinetik açıdan
değişen nedir?
Hem Vmax, hem de Km azalır
Unkompetetif İnhibisyon
Unkompetetif İnhibisyon
(ALP / Fenilalanin)
İrreversible inhibisyonlar


Enzim aktivitesi için gerekli olan, enzimin
fonksiyonel bir grubu ile birleşerek ya da
bu fonksiyonel grubun yapısını bozarak etki
gösterirler
İrreversible inhibitör ile enzim arasında
kovalent bir bağ oluşumu olabilir
İrreversible inhibisyonlar




İodoasetamid aktif bölgesinde –SH grubu
içeren enzimlere bağlanarak alkil enzim türevi
oluşturur
Diizopropil-florofosfat enzimin serin
residuesunun –OH grbundan enzime kovalent
olarak bağlanarak, enzimin diizopropil-fosfat
türevini oluşturur
Kimotripsin bir serin proteaz
Aktif bölgesinde 195. pozisyonda serin amino
asidi bulunur
Enzim katalitiz mekanizmaları





Asit-baz katalizi
Elektrostatik kataliz
Kovalent kataliz
Metal iyon katalizi
Yakınlık etkisi
Genel asid-baz katalizi



Kimyasal bağlar elektronlar
tarafından oluşturulur
Bağların yeniden düzenlenmesi ya da
kırılması elektronların hareketini
gerektirir
Reaktif kimyasal grupların elektrofil
ya da nükleofil gibi fonksiyon gördüğü
söylenebilir
Genel asid-baz katalizi


Elektrofiller, elektron açığı olan
maddeler olup, elektron fazlası olan
maddelerle reaksiyona girerler
Nükleofiller, elektron fazlası olan
maddeler olup, elektron açığı olan
maddelerle reaksiyona girerler
Genel asid-baz katalizi


Potansiyel olarak reaktif olan bir
grubun intrinsik elektrofilik ya da
nükleofilik karakterini arttırarak,
daha reaktif hale getirilmesi sonucu
kataliz gerçekleşebilir
Bu olayı gerçekleştirmenin en kolay
yolu bir proton eklenmesi ya da
uzaklaştırılması
Genel asid-baz katalizi
Genel asid-baz katalizi



Su intrinsik olarak zayıf bir nükleofil, bir
katalist yokluğunda esterle olan reaksiyonu
çok yavaş gerçekleşir
Ancak ester hidrolizi yüksek ya da düşük
pH’da çok daha hızlı gerçekleşir
Enzimlerin aktif bölgelerinde bulunan asidik
ya da bazik amino asidlerin varlığı ile asid
ya da baz katalizi gerçekleşir
Genel asid-baz katalizi


Ester ya da amid hidrolizinde bir
diğer mekanizma su yerine enzimin
aktif bölgesinde daha nükleofilik bir
grubun yer alması
Serin amino asidinin –OH grubu
enzimler tarafından bu amaçla
kullanılmakta
Asetoasetat dekarboksilaz
enzimi
Elektrostatik kataliz
 Enzimlerin aktif bölgesinde yüklü grupların
bulunması elektrostatik etkileşimlerin
oluşmasını sağlar
 Substratın bağlanması genellikle enzimin aktif
bölgesinden suyu uzaklaştırır
 Daha polar bir yapıya kavuşan aktif bölge,
sulu ortamdakinden daha güçlü elektrostatik
etkileşimler geliştirir
Kovalent kataliz
 Enzim üzerindeki nükleofilik bir grup ile
substrat üzerindeki elektrofilik bir grup
arasında kovalent bağ oluşumu ile kataliz
gelişir
Metal iyon katalizi
 Enzimlerin yaklaşık üçte biri katalitik aktiviteleri
için metal iyonlarına ihtiyaç duyar
 Metal iyonları



Substratları bağlayarak,
Elektrostatik olarak negatif yükleri stabilize ederek ve
koruyarak,
Oksidasyon-redüksiyon reaksiyonlarına, metal iyonunun
geri dönüşümlü oksidasyon değişiklikleri yoluyla aracılık
ederek katalitik sürece katılır
Yakınlık etkisi


Bir enzim uygun bir oryantasyonda iki
reaktanı bir araya getirerek, reaksiyonu
başlatabilir
Özellikle bir molekülde gruplar arasında
gelişen intramoleküler reaksiyonlar, iki
ayrı substratın bir araya gelmesi ile
oluşan reaksiyonlardan daha hızlı olarak
gerçekleşir
Yakınlık etkisi
Yakınlık etkisi


Moleküller arası reaksiyonları
katalizleyen enzimler aktif
bölgelerine substratlarını bağlayarak,
bu substratlar arasında yakınlık
oluşturup, reaksiyona uygun
oryantasyonu sağlamış olurlar
Substratlar bu şekilde bağlandıktan
sonra, sanki tek bir molekül
üzerindeki intramoleküler bir olay gibi
reaksiyon gerçekleşir
Aşağıdakilerden hangisi reaksiyon hızını
etkilemez?
a)
b)
c)
d)
e)
Ortam ısısı
Ortam pH’sı
Substrat özgünlüğü
Enzim konsantrasyonu
Substrat konsnatrasyonu
Sağlık Slaytları
http://hastaneciyiz.blogspot.com
Download