ENZiMLER - İ.Ü. Cerrahpaşa Tıp Fakültesi

ENZİMLER
Prof.Dr.Emel ULAKOĞLU ZENGİN
Prof.Dr.M.Koray GÜMÜŞTAŞ
İ.Ü.Cerrahpaşa Tıp Fakültesi
Biyokimya Anabilim Dalı
I.TANIM
Enzimler, metabolizma reaksiyonlarını hızlandıran,
biyolojik katalizörlerdir.
 Protein yapısında maddelerdir.
 Hücrenin gereksinimine uygun kataliz yaparlar.
 Hücre içindeki yerleşimleri metabolik olayların özelliğine göre
düzenlenmiştir.
II.ENZİMLERİN TIPTA KULLANIMI
1.Enzim aktivitelerinin ölçümü hastalıkların tanı ve izlenmesinde
kullanılır.
Örn:Miyokard İnfarktüsünde:
CPK (Kreatin fosfokinaz)
SGOT (AST) (Serum glutamat oksaloasetat transaminaz)
LDH (Laktat dehidrogenaz)
2.Kalıtsal metabolik hastalıklar bazı enzimlerin incelenmesiyle
ortaya çıkar.
Örn:Galaktozemide:
Galaktoz-1-fosfat uridil transferaz
3.Tedavi amacıyla bazı enzim preparatlarından yararlanılabilinir.
Örn: Streptokinaz,Ürokinaz
III.ENZİMLERİN İSİMLENDİRİLMESİ
Etkiledikleri maddelerin (substratlarının) sonuna -az- takısı eklenerek
isimlendirilir.
Madde
Hidroliz Enzimi
Nişasta(Amilon)
Amilaz
Yağ
(Lipos)
Lipaz
Protein
Proteaz
Üre
Üreaz
Bu kurala uymayanlar: Pepsin, tripsin, pityalin
Katalizledikleri reaksiyon tipine göre: Oksidaz, dekarboksilaz
Günümüzde bu tür karışıklıkları önlemek amacıyla Uluslararası Biyokimya
Birliğinin (IUB) Enzim Komisyonu tarafından Sistematik isimlendirme
önerilmiştir. Bu sistemde her enzim, katalizlediği reaksiyon tipine ve
mekanizmasına göre isimlendirilmektedir.
Günlük kullanımda önerilen kısa isme ilaveten daha detaylı sistematik
ismin kullanılması öngörülmüştür.
SİSTEMATİK İSİMLENDİRMENİN TEMEL ÖZELLİKLERİ
1. Reaksiyonlar ve bu reaksiyonları katalizleyen enzimler, reaksiyon
mekanizmalarına göre 6 sınıfa bölünürler. Bu sınıflarında alt sınıfları
vardır.
2. Her enzimin bir kod numarası vardır (EC). Bu kod, dörtlü sayı grubu
ile gösterilir.
Sistematik İsimlendirme:
Hekzokinaz
ATP + D-Glukoz
ADP + D-Glukoz-6-Fosfat
Önerilen kısa isim: Hekzokinaz
Enzim kodu
: EC (2.7.1.1)
Sistematik isim : ATP: glukoz fosfotransferaz
EC (2.7.1.1):
İlk sayı: Reaksiyon tipini açıklar (Major sınıf)
Transferaz sınıfı
İkinci sayı: Alt sınıf
Fosfotransferaz
Üçüncü sayı:Alt alt sınıf
Hidroksil grubunun alıcı olduğu fosfotransferaz
Dördüncü sayı:Enzim için spesifiktir. Fosfat grubunun D-glukoza
aktarıldığını açıklar. Enzimin listeye girdiği seri numarasıdır.
IV.ENZİMLERİN ÖZELLİKLERİ
1. Enzimler protein yapısında maddelerdir:
• Protein yapısına istisna olarak bazı RNA tipleri gösterilebilir.
• Bunlar, fosfodiester bağlarının yıkımı ve sentezi esnasında enzim gibi davranabilirler.
Katalitik etkiye sahip RNA’ya Ribozim denir.
2.Enzimler özgül moleküllerdir.
Enzimler yalnız belirli reaksiyonları katalizledikleri ve ortamdaki moleküllerden sadece
substratları ile etkileştiklerinden dolayı spesifik (özgül) moleküllerdir.
3.Enzimler katalitik etkinliğe sahiptir.
Enzimle katalizlenen reaksiyonların çoğu katalizlenmeyen
reaksiyonlara göre 103 –108 kere daha hızlı olarak gerçekleşmektedir.
Bir enzim molekülü saniyede ortalama 100-1000 substrat
molekülünün ürüne dönüşümünü sağlamaktadır.
4. Enzimler görev yerlerine göre kompartmanlanmıştır.
Her enzim farklı orgenelde görev alabilir.
Enzimin dönüşüm sayısı (Turnover sayısı):
Enzim molekülü tarafından bir saniyede ürüne çevrilen substrat
molekülü sayısıdır.
Karbonik anhidraz
CO2 + H2O
H2CO3
Karbonik anhidraz, 1 saniyede 105 molekül CO2’e, H2O’yu bağlayarak
karbonik asid oluşturur.
4. Substrat-ürün dönüşümleri çift yönlü olabilmektedir.
H
H
C
C
O
Trioz fosfat izomeraz
C
OH
CH2OPO3
CH2OH
-2
Gliseraldehid-3-fosfat (G3P)
O
CH2OPO3-2
Dihidroksi aseton fosfat (DHAP)
Bu iki madde arasındaki izomerizasyon glikoliz yolunda rastlanır.
Enzim iki yöne doğru reaksiyon hızını arttırmaktadır.
5.Enzim moleküllerinde aktif bölge ismi verilen özel bir boşluk ya da
cep kısmı bulunur.
 Aktif bölgedeki aminoasidlerin yan zincirleri, substratın yapısına
uyumlu, üç boyutlu bir yapı oluşturmaktadır.
Enzim
Aktif bölge
Substrat
Enzim-Substrat
kompleksi
Aktif bölgenin substratı bağlamasıyla oluşan enzim-substrat
kompleksi (ES), önce enzim-ürün kompleksine, daha sonra ise
serbest enzim ve ürüne dönüşmektedir.
E+S
ES
EÜ
E+Ü
Enzim ile substrat biribirlerine hidrojen, elektrostatik ve Van der
Waals bağları gibi non kovalent (zayıf) bağlarla bağlanır.
Zayıf bağlar ve bazı kuvvetli bağlar, aktif bölgelerin aminoasidlerini
biribirlerine yanaştırmada önemli rol oynarlar.
Birçok enzimin katalitik bölgesinde aşağıdaki aminoasidler yer alır:
Serin, sistein, histidin, tirozin ve lizin
S
Aktif Bölge
S
S
S
119
His 12
S
S
Bağlanma bölgesi
Katalitik
bölge
Katalitik bölge
His
S
Bağlanma
bölgesi
S
RİBONÜKLEAZ
Enzimler kolaylıkla denatürasyona uğrarlar:
Denatürasyon, proteinlerin doğal yapılarının bozulması sonucunda
aktivitelerinin kaybolmasıdır. Enzim denatüre olduğunda aktif
bölgesi de denatürasyona uğrayarak substratını bağlayamaz, bundan
dolayı da etkili olamaz.
Başlıca denatürasyona yol açan faktörler:
 Isı
 Işınlar (X ışınları, UV ışınları, vs)
 Çalkalama
 Dondurup eritme
 Derişik asid ve baz
 Alkol, eter, benzen, vs gibi organik çözücüler
 Üre, guanidin çözeltileri
RİBONÜKLEAZ:
 Bu enzim RNA molekülündeki nukleotidleri hidroliz yapar.
 Yapısı 4 disülfür bağı ile sağlamlaşmıştır.
 Katalitik bölgede 2 histidin kalıntısı yer alır.
Histidin 12 ve Histidin 119
 His 12, ribozun hidroksil grubu üzerine etki eder.
 His 119, ise fosforil kısmına etkilidir.
 Böylece molekülün 2 kısmından kırılma gerçekleşir.
 Molekülün taranmış kısmı ise 5 aminoasidin yer aldığı bazik bir
bölgedir.
 Bu bölge RNA‘yı bağlar.
 Enzimlerin substrat bağlama yeri olan aktif bölgedeki aminoasidler,
substratın ürüne dönüşmesini sağlayan pek çok kimyasal mekanizmayı
kullanır.
 Bu aminoasidlerden bazıları substratın aktif merkeze bağlanmasını,
bazıları ise kataliz olayını sağlamaktadır.
 Aktif merkezde yer alan iki bölgeden birincisi bağlanma bölgesi,
diğeri ise katalitik bölgeyi oluşturur.
Enzim ile substrat bağlanmasında iki model ileri
sürülmektedir.
1.Model: Anahtar-kilit modeli
2.Model: Katalitik bölgenin “uyum oluşturma
modeli”
1.MODEL:
 Kilit anahtara olan benzerliğe dayanılmıştır.
 Bu modelde enzimin aktif merkezindeki bir bölge ile substrat
yapılarının biribirini tamamlayıcı olmaları gerekmektedir.
a
c
b
Substrat
+
a b
Enzim
a b
c
ES kompleksi
c
Kilit-anahtar modeli
2. MODEL:
 Katalitik bölgenin “Uyum-oluşturma” modelidir.
 Başlangıçta enzim ve substrat biribirlerine uygun değildirler.
 Ancak substrat enzimin aktif bölgesine yaklaştıkça, enzim buna
uymaktadır.
 Substrat, enzimde biçimsel değişiklik meydana getirir.
Substrat
a b c
a
+
c
b
Enzim
a b c
ES kompleksi
6.Bazı enzimler, enzimatik reaksiyon için gerekli olan bir non-protein
kofaktör ile birleşirler.
 Sıklıkla karşılaşılan kofaktörler arasında metal iyonları (Zn2+,Fe2+,Cu2+,
Mn+2 …vs) ve koenzim olarak adlandırılan bir organik molekül, genellikle
vitamin türevleri (NAD+, FAD,CoA..gibi) yer alır.
 Koenzimlerin pek çoğu genellikle B grubu vitaminlerden
türevlenmektedir.
 Kofaktörle birleşik durumda olan ve katalitik aktivite gösteren
enzim holoenzim olarak bilinmektedir.
 Holoenzimin protein kısmına apoenzim adı verilir.
 Apoenzim kofaktörün yokluğunda biyolojik aktivite gösteremez.
 Protein kısmına sıkıca bağlı olan koenzime prostetik grup denir.
Kofaktörü metal iyonu olan bazı metalloenzimler:
Kofaktör
Enzim
Fe2+
Cu2+
Mg2+
Mn2+
Zn2+
Mo2+
Katalaz, peroksidaz
Sitokrom oksidaz, tirozinaz
Fosfohidrolaz, fosfotransferaz
Arginaz
Alkol dehidrogenaz
Ksantin oksidaz
 Metal iyonları substrat bağlanmasını ve katalizi kolaylaştırır.
 Aşağıdaki 4 form da, metal iyonları ile katalizlenen enzimatik
reaksiyonlar için geçerlidir.
Enz S M
Substrat-köprü
kompleksi
M
Enz
S
Enzim-köprü
kompleksi
M
Enz
M
S
Metal-köprü
kompleksi
Enz
S
Siklik metal-köprü
kompleksi
KOENZİMİ VİTAMİN OLAN BAZI ENZİMLER:
Enzim
Vitamin
Koenzim
Katalizlenen reaksiyon
TPP (Tiamin pirofosfat) ………………...R-CO-COOH
RCHO + CO2
(Dekarboksilasyon)
FMN(Flavin mononukleotid ve…………..Hidrojen
FAD Flavin adenin dinükleotid)
transferi
Dekarboksilaz
B1 vitamini
(Tiamin)
Dehidrogenaz
B2 vitamini
(Riboflavin)
Transaminaz
B6 vitamini
(Pridoksal)
Pridoksal fosfat
Karboksilaz
Biotin
Biotin
Transformilaz
Folik asid
THF…………………………… -CHO, -CH2 OH, -CH3
(Tetrahidrofolat)
gruplarının transferi
Transmetilaz
İzomeraz
B12 vitamini
Kobamid…………………………-CH3 grubu transferi
koenzim
……………….Amino asidlerden aldığı
-NH2 grubunu α-keto
asidlere transfer eder.
…………………………α-keto asidlere CO2 ‘i
bağlar(Karboksilasyon)
7. Enzimler hücrenin metabolik gereksinimlerine uygun şekilde aktive
veya inhibe edilerek ürün oluşum hızı kontrol edilebilir.
Bu olaya enzim aktivitesinin düzenlenmesi denir.
8. Enzimler enerji türlerini biribirine dönüştürürler.
 Mitokondrideki küçük moleküller içinde bulunan serbest enerji, ATP
enerjisi şekline dönüşür.
 Kasta ise ATP enerjisi, kasılma esnasında mekanik enerjiye dönüşür.
9. Enzimler tranzisyon (geçiş) durumunu stabilize ederek reaksiyonları
hızlandırırlar.
 Moleküllerin reaksiyona girebilmeleri için enerji tüketilmektedir.
 Substrat ürüne dönüşürken tranzisyon (geçiş) durumundan geçer.
S
T*
Ü
 Tranzisyon durumu, S ve Ü’nün serbest enerjisinden çok daha yüksek
enerjiye sahiptir.
 Reaksiyon tranzisyon durumundan itibaren başlar.
 Enerji düzeyinin tepe noktasında bulunan yüksek enerjili geçiş ürünleri
daha sonra son ürüne dönüşmektedir.
 Enzimlerin yokluğunda, tranzisyon durumuna ulaşabilen çok az sayıda
molekül, ürüne dönüşebilmektedir.
 Reaksiyon hızı ise, bu yüksek enerjiye sahip moleküllerin sayısı
tarafından belirlenmektedir.
Ea = Aktivasyon enerjisi
Ea1 = Enzimle katalizlenmemiş reaksiyonun aktivasyon enerjisi
Ea2 = Enzimle katalizlenmiş reaksiyonun aktivasyon enerjisi
T*
Ea1
Serbest enerji
Ea
Ea2
S
Başlangıç
durumu
∆G
Ü
Bitiş durumu
(ürünler)
Reaksiyon akış yönü
Ortama salınan
serbest enerji
 Bir kimyasal reaksiyon ortama enerji salıyor ise, tranzisyon
durumuna geçebilmesi için, önce aktivasyon enerjisinden enerji borç
alır, sonra bu enerjiyi sarfeder.
 Sarfedilen enerjiden geri kalanı ise ortama serbest enerji şeklinde
salınır.
Ea= Tranzisyon durumu serbest enerjisi – substrat serbest enerjisi
 Aktivasyon enerjisi düşük olan reaksiyonların hızı yüksek olmaktadır.
“ Enzimle katalizlenen reaksiyonlarda, enzimler aktivasyon enerjisini
azaltarak reaksiyonları hızlandırırlar. Böylece enzim ve substratı,
tranzisyon enerjisi daha düşük olan yeni bir reaksiyon yolu oluşturur.”
∆G
kalori
Tranzisyon durumu
Başlangıç
durumu
Bitiş durumu
 Spontan reaksiyon
 Kimyasal katalizör varlığındaki reaksiyon
 Spesifik enzim
V.ENZİMLERİN KATALİZ HIZINA ETKİ EDEN
FAKTÖRLER
Kataliz Hızı, birim zamanda oluşan ürün ya da kaybolan substrat
miktarıdır.
Enzimle katalizlenen reaksiyonların hızını etkileyen faktörler:
1.Enzim Konsantrasyonu
2.Substrat Konsantrasyonu
3.Sıcaklık
4.pH
1.ENZİM KONSANTRASYONU
Reaksiyon hızı
 Enzimle katalizlenen reaksiyonlarda substrat konsantrasyonu yüksek
miktarlarda ise, reaksiyonun başlangıç hızı (Vİ),enzim konsantrasyonu ile
doğru orantılı olarak artmaktadır.
Vİ
Enzim konsantrasyonu
2.SUBSTRAT KONSANTRASYONU
 Enzimle katalizlenen bir reaksiyonun hızı (V), ortamda enzim
konsantrasyonunun sabit olması koşuluyla, substrat konsantrasyonu
ile [S] birlikte hızla artar ve maksimal hız (Vmax) değerine varıncaya
kadar artış devam eder.
 Ancak Vmax’ta substrat konsantrasyonu ne kadar artarsa artsın, kataliz hızı
artmaz.
VMAX
V
VO
[S]
 Yüksek substrat konsantrasyonlarında reaksiyon hızının yavaşlaması,
enzim üzerindeki substrat bağlama bölgelerinin doygunluğa ulaşmasını
göstermektedir.
 Enzimlerin çoğu Michaelis-Menten Kinetiği gösterirler.
 Belli sıcaklıkta ve sabit enzim konsantrasyonunda, bu kinetiğe uyan
enzimler, değişen substrat konsantrasyonu ile başlangıç hızı (VO)
arasında hiperbolik bir eğri çizerler (A).
 Buna karşılık allosterik enzimlerde, bu eğri sigmoidal özellik
taşımaktadır (B).
VMA
X
A
B
VO
[S]
3.SICAKLIK
 Kimyasal reaksiyonlarda ısının artması moleküllerin hareketini
arttırarak reaksiyon hızının da artmasına yol açar.
 Reaksiyon hızının sıcaklık ile artışı, belli bir enerji düzeyini aşabilecek
molekül sayısı ile ilgilidir.
 Bu durum, enzimlerle katalizlenen reaksiyonlar için de geçerlidir.
“Enzimle katalizlenen bir reaksiyonda sıcaklığın yükselmesi
reaksiyon hızını arttırmaktadır.”
Ancak enzimler protein yapısında maddeler olduklarından, belirli bir
ısı derecesinden itibaren (genelde 45ºC) enzimin denatürasyonu söz
konusu olacağından, reaksiyon hızında da bir azalma meydana
gelecektir.
Optimum Temperatür:
 Enzimin en iyi etkilediği ısı derecesidir.
 Bu ısı derecesi, reaksiyon hızını maksimal arttırırken, daha
ilerisinde enzimin denatürasyonuna yol açar.
“Enzim etkinliği düşük ısıda az, tepe noktasında en fazla, sıcaklık
arttığında ise hızla düşer.”
Genellikle, başlangıçta sıcaklığın her 10 ºC artışı, reaksiyon hızının iki
katına çıkmasını sağlamaktadır.
reaksiyon hızı (v)
50
O
20
30 40 50
60
sıcaklık (ºC)
O
denatüre olmamış
protein yüzdesi
100
Enzim aktivitesinde,optimum temperatür 2 faktörle belirlenmektedir
(Kırmızı eğri).
 Reaksiyon hızı, gerek spontan gerekse katalizör varlığında,
sürekli olarak artar (mavi eğri).
 Belirli bir ısı derecesinden sonra, enzim proteini denatüre olur
(siyah eğri).
Termik İnaktivasyon:
Enzim çözeltisi hazırlandıktan sonra enzim aktivitesi ölçülür (Eo). Daha
sonra çözelti termostata konarak her 2-3 dakikada bir ısı derecesi arttırılır
ve çözeltiden bir kısım alınarak aktivite ölçülür (E). Isıtma süresi arttıkça
aktivitede giderek azalma gözlenir. İnaktivasyon, zamanın logaritmik
fonksiyonudur.
Log E
Eo
30ºC
45ºC
55ºC
60ºC
zaman(dak)
4.pH
Enzimatik reaksiyonlar ortamın H+ iyonu konsantrasyonundan
kolaylıkla etkilenirler.
 Enzim etkinliğinin en yüksek olduğu pH , optimum pH’dır.
 Her enzimin etki ettiği pH farklıdır.
enzimatik aktivite
b
a
pH
4
5
6 7
8
9 10
Enzimler pH değişikliklerine bağlı olarak başlıca 2 tip aktivite eğrisi
gösterirler:
a) Dar sınırlar içinde etkiyi gösteren çan eğri
b) Geniş sınırlar içinde etkiyi gösteren plato eğri
Çoğunlukla enzimlerin optimum pH’ı 5-8 arasında değişmektedir.
Optimum etki
Optimum
etki
Enzimatik aktivite
Maksimum aktiviteyi
pH= 2’de gösterir. Nötral
pH’da çalışan enzimler
asidik ortamda denatüre
olurlar.
4 6
8 10 12
pH
TRİPSİN
Alkali ortamda en iyi etkiyi gösterir.
2 3 4 5 67
pH
PEPSİN
pH değişikliklerinin enzimatik aktivite üzerindeki etkileri aşağıdaki
faktörler tarafından belirlenmektedir.
1. Ortamın çok yüksek ve çok düşük pH düzeyleri, enzimin denatürasyonuna
yol açarak, yapısında geri dönüşümsüz değişiklikler yapar.
2. Apoenzim ile koenzim arasındaki bağlar etkilenir.
3. Bir protein olan enzimin yapısındaki amino ve karboksil gruplarının
iyonizasyon durumu, ortamın pH değerine bağlı olarak değişir.
Aktif bölgedeki iyonizasyon değişikleri, enzim-substrat reaksiyonunu ve
buna bağlı olarak katalizi bozar.
Örnek:
Katalitik aktivite için ortamdan H+ iyonu kazanılması gerekiyor ise,
moleküldeki amino gruplarının protonlaşması gibi:
- NH2
H+
-NH3+
Alkali pH ‘da proton kaybı olacağından, verilen örnekte enzimatik
aktivite hızı düşer.
4. Büyük çoğunlukla pH değişikliklerinden substratın da iyonizasyon
durumu etkilenir.
VI.ENZİM KİNETİĞİ
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
ürüne dönüşen substrat miktarıdır.
Spesifik Enzim Aktivitesi:
mg protein başına düşen enzim ünite sayısıdır.
Enzim Ünitesi:
Optimal şartlarda, 1 dakikada 1 mikromol (μmol) substratı ürüne
dönüştüren enzim miktarıdır.
Enzimlerin katalizledikleri reaksiyonlarda genel kimyasal reaksiyon
kinetikleri geçerlidir.
Michaelis ve Menten isimli araştırmacılar, enzimlerle gerçekleşen
reaksiyonlar için basit bir tanımlama yapmışlardır.
Enzim kinetiklerinin kantitatif analizleri için geliştirilen bu model, tek
substratlı reaksiyonlar için geçerlidir.
E +S
k1
ES
k3
E +Ü
k2
k1, k2 ve k3 : reaksiyonların hız sabitleri
 Tersinir olarak sabit bir hızla (k1) substratla [S] birleşen enzim [E],
önce enzim-substrat [ES] kompleksini oluşturur.
[ES] kompleksi daha sonra başlıca 2 akıbete uğrayabilir:
1. Sabit bir hızla (k2) yeniden E ve S’a dönüşür.
2. Yahut k3 sabit hızıyla ürün [Ü] oluşurken enzim de serbestleşerek ilk
yapısını kazanır.
ES oluşum hızı = k1[E] [S]
ES yıkılım hızı = (k2 +k3) [ES]
Reaksiyon hızı ile substrat konsantrasyonu arasındaki ilişkiyi tanımlayan
Michaelis-Menten denklemi kurulurken aşağıdaki varsayımlar gözönüne
alınmıştır:
1. Substrat konsantrasyonu [S], enzim konsantrasyonun [E]’dan çok
daha fazladır. Böylece belirli bir zamanda enzime bağlı olan substrat
miktarı ihmal edilebilir.
2. Reaksiyonun denge durumunda ES kompleksinin oluşum ve
yıkılım hızları biribirine eşittir.
Reaksiyonun denge durumunda :
k1 [E] [S] = [k2 + k3] [ES]
[ES] =
Km
[E] [S]
k2 + k3
k1
k2 + k3
k1
(1)
(2)
Michaelis-Menten denklemi hiperbolik bir eğrinin denklemidir.
V
VMAX
VMAX
2
0
[S] (mol/L)
Km
VMAX :
• Katalizin ulaşabileceği en yüksek hız değeridir.
• Enzim bölgeleri substrat ile tam doygunluğa geçince VMAX’a
ulaşılır.
Km : (Michaelis-Menten Sabiti)
• En yüksek hız (VMAX) değerinin yarısına ulaşmak için gerekli substrat
miktarıdır.
• Ortamda bulunan tüm enzim moleküllerinin aktif bölgelerinin yarısını
dolduran substrat miktarıdır.
• Km değerini tam olarak bulabilmek için farklı konsantrasyonlarda
substrat kullanılmalıdır.
• Km , bir enzime ve substratına özgüldür.
• Enzimin substratına ilgisini (affinitesi) ni yansıtır.
• Km , enzim-substrat ilişkisinde bir ölçüdür.
• Km’i düşük olan bir enzim, substratına yüksek ilgi (affinite) gösterir.
•
•
•
•
Enzim, aşağı substrat konsantrasyonunda doyar.
Tersine büyük KM , enzimin substratına düşük ilgisini tanımlamaktadır.
Km = mol/L olarak ifade edilir.
Bir çok enzim için bu değer 10-3 – 10-5 mol/L arasında değişir.
k2 + k3
Km =
k1
(mol/L)
Reaksiyon hızı
V
a
VMAX
b
VMAX
2
[S]
Kma Kmb
 Enzim a’nın küçük Km ‘i, enzimin substrata ilgisinin yüksek olduğunu
yansıtır.
 Enzim b’nin büyük Km’i, enzimin substrata olan ilgisinin az olduğunu
yansıtır.
Yüksek substrat
konsantrasyonlarında
[S] > Km reaksiyon hızı
sıfırıncı basamaktır-yani,
substrat
konsantrasyonundan
bağımsız ve sabittir.
vmax
Vmax
Düşük substrat
konsantrasyonunda
[S] < Km, ,
reaksiyon hızı
birinci basmaktıryani, substrat
konsantrasyonuyla
orantılıdır.
2
o
Km
[S]
[S]= Km : Substrat Kmdeğerine eşitse, başlangıç hızı,
maksimal hızın yarısına eşittir. Vi = Vmax
2
Belirli bir andaki kataliz hızı:
Vo =
VMAX [S]
[S] + Km
Michaelis-Menten Eşitliği
 Michaelis-Menten denklemi hiperbolik bir eğrinin denklemidir.
 Bu denklem tersine çevrildiğinde düz eğri elde edilir.
 Düz eğrinin (doğru) çizilmesi ile Km ve VMAX değerlerinin duyarlı
bir biçimde belirlenmesi kolaylaşmaktadır.
 Bu doğru ayrıca enzim inhibitörlerinin etki mekanizmalarının
saptanmasında da kullanılır.
1V
o
Km + [S]
VMAX [S]
1
Vo
1
Vo
Km
[S]
VMAX [S] + VMAX [S]
Km
VMAX
X
Lineweaver-Burk eğrisi
denklemi
(Çift-resiprok eğrisi)
1
1
+
[S]
VMAX
Doğru denklemi y = ax +b
1 ,
1
1
arasında
bir
grafik
çizilirse,
doğrunun
y
eksenini
ile
[S]
VMAX
Vo
x eksenini ise - 1 değerinde kestiği görülür.
Km
Lineweaver-Burk çift-resiprok Eğrisi
1
V0
Km
VMAX
.
.
1
Km
Eğim
1
VMAX
1
[S]
Km Değerinin Bilinmesinin Önemi




Enzimlerin Saflaştırılması
Dokularda enzim aktivitesinin saptanması
İlaç imalatında
Enzim inhibitörlerinin belirlenmesi
VII.ENZİM AKTİVİTESİNİN İNHİBİSYONU


Enzimle katalizlenen bir reaksiyonun hızını azaltan ya da
engelleyen maddeye inhibitör adı verilir.
İnhibitör, bir molekül yada iyon olabilir.
Enzim katalizinin engellenmesi olayına ise inhibisyon denir.
Enzim Katalizinin İnhibisyonu (engellenmesi)
1. Enzimlerin yapısal özelliklerinin ve katalitik aktivitelerinin
incelenmesinde önemli rol oynar.
2. Hücre içindeki metabolik yolların belirlenmesinde yol gösterir.
3. Biyolojik sistemlerin temel kontrol mekanizmasını oluşturur.
4. Pek çok ilaç ve zehirli bileşik tarafından ortaya çıkabilir.
Enzimlerin inhibisyonu;
 reversibl (tersinir, geriye dönüşümlü) veya
 irreversibl (tersinmez, geriye dönüşümsüz) olarak iki grupta incelenir.
1-Geriye dönüşümlü (reversibl) inhibisyonlar:
Bu tip inhibisyonlarda substrat konsantrasyonunun ya da inhibitöre oranla
enzim konsantrasyonunun arttırılması ile enzim inhibitör ilişkisi tersine
çevrilebilmektedir.
a)Yarışmalı (kompetitif) inhibisyon:
b)Yarışmasız (nonkompetitif) İnhibisyon:
c)Yarışmasız (unkompetitif) inhibisyon:
a)Yarışmalı (kompetitif) inhibisyon:
 İnhibitör (İ) enzimin aktif bölgesine substratla (S) yarışarak
bağlanmaktadır.
 İnhibitör molekülünün yapısı substratınkine benzediğinden dolayı
enzim ile inhibitör kolaylıkla bağlanırlar, ancak ürün
oluşamamaktadır. Bu tip inhibitörler, enzime asıl substratın
bağlanmasını engelleyen maddelerdir.
 Bu tür inhibisyonda Vmax’a ulaşmak için daha fazla substrat gereklidir.
 Ortamda substrat moleküllerinin arttırılmasıyla enzimin inhibitöre
olan ilgisi azalmakta ve inhibisyon ortadan kalkmaktadır.
Kompetitif İnhibisyon
(Vmax değişmez, Km artar).
İnhibitörsüz
VMAX
Yarışmalı
İnhibitör ile
Reaksiyon
hızı (Vo)
VMAX
2
Km
[S]
Km
1
Vo
Yarışmalı
inhibitör ile
1
VMAX
1
Km
1
Km
inhibitörsüz
1
[S]
 İnhibitör varlığında VMAX değişmez, buna karşılık Km
değişir.
 İnhibitör varlığında Km değeri büyür, enzimin substrata olan ilgisi
azalmıştır.
 Km büyümüştür. Çünkü
1
Km
eğimi) büyümüştür.
küçülmüştür ve Km
VMAX
(eğrinin
Bir molekülün, belirli bir enzimin inhibitörü olup olmadığı,yahut
inhibisyonun tipi, kinetik analizlerle ortaya konulur!
• Metanol zehirlenmesinin tedavisinde yarışmalı inhibisyondan faydalanılır.
• Metanol, alkol dehidrogenaz etkisiyle FORMALDEHİD’e dönüşür.
• Formaldehid körlüğe ve müdahale edilmez ise ölüme yol açar.
• Metanol zehirlenmesinde damar-içi etanol uygulanır.
• Etanol, alkol dehidrogenaza bağlanmada metanol ile yarışır.Enzim Etanolü
daha çok toksik olmayan asetaldehide dönüştürür.
Böylece toksik formaldehid oluşumu yarışmalı olarak engellenir.
b)Yarışmasız (nonkompetitif) İnhibisyon:
 Substratla yapısal benzerliği olmayan inhibitör, substratla aynı
bölgeye bağlanmaz.
 Yarışmasız inhibitör, ya serbest enzime ya da ES kompleksine
bağlanarak reaksiyonu yavaşlatır.
 Substrat konsantrasyonu arttırılarak inhibisyon ortadan kaldırılamaz.
E +S
+İ
Eİ + S
ES
E +Ü
+İ
EİS
Ü
VMAX
Km DEĞİŞMEZ
Non kompetitif İnhibisyon
(Vmax azalır,Km değişmez)
İnhibitörsüz
VMAX
VMAX
2
VMAX
Yarışmasız
İnhibitör
2
[S]
Km
1
Vo
Yarışmasız
inhibitör
1
VMAX
1
Km
1
VMAX
inhibitörsüz
1
[S]
c)Yarışmasız (unkompetitif) inhibisyon:
 İnhibitör, ES kompleksine bağlanır.
 İnhibitör bağlandığında ürün oluşumu sonlanır.
E +S
ES
E+Ü
+
İ
EİS
VMAX
Km
Ü
Unkompetitif İnhibisyon
(Vmax ve Km Azalır)
VMAX
Unkompetitif
inhibitör
VMAX
2
½
VMAX
[S]
Km Km
1
Vo
İ
1
Km
1
VMAX
1
Km
1
VMAX
1
[S]
2- Geriye dönüşümsüz (tersinmez, irreversibl inhibisyon):
Bu tip inhibisyonlarda aktif bölgeye kovalent olarak bağlanan inhibitör,
enzim yapısını bozduğu için geriye dönüş olmamaktadır.
Sinir gazlarından DIPF (diizopropil fosfofluoridat) asetilkolin isimli
nörotransmittörü parçalayan asetilkolin esteraz’ ın tersinmez
inhibitörüdür.
Asetilkolin bir sinir hücresindeki uyarıyı diğer bir hücreye aktaran maddedir.
Bu etkisi sona erdikten sonra, asetilkolin esteraz tarafından hidrolize uğrar.
Asetilkolin esteraz’ın aktif bölgesinin DIPF tarafından tersinmez inhibe
edilmesi hidroliz olayını engeller ve bunun sonucunda felç meydana gelir.
 Tarımda kullanılan insektisidler (böcek öldürücüler) de asetilkolin
esterazın tersinmez engelleyicisidir.
 Birçok insektisidin bileşiminde bulunan fosforlu organik yapı aktif bölgesinde serin
amino asidini içeren enzimlerle geriye dönüşümsüz inhibisyon yapar.
Kurşun zehirlenmesi
 Kurşun, proteinlerin yapısında yer alan sistein isimli aminoasidin
sülfhidril grubuyla (-SH) kovalent bağlar oluşurur.
 Hemoglobin sentezinde, protoporfirin isimli maddeye Fe+2 girişini
katalizleyen ferrokelataz ve yine bu sentezde yer alan δ-aminolevülinat
dehidraz isimli enzimler kurşunun geri dönüşümsüz inhibisyonuna duyarlı enzimlerdir.
3-Bazı ilaçlar da enzim inhibitörü olarak etki ederler.
 Penisilin ve amoxicillin gibi yaygın olarak kullanılan antibiotikler,bakteri duvarı
sentezine ait enzimleri inhibe ederek etki gösterirler.
 ACE (angiotensin-konverting enzim) inhibitörleri (captopril, enapril gibi) kan
basıncını düşüren ilaçlardır.
 Bu etkilerini, angiotensin I’i vazokonstriktör (damar büzücü) etkili
angiotensin II’ye çeviren ACE’yi bloke ederek gösterirler.
ACE
Angiotensin I
(inhibitör etki
gösteren ilaçlar)
captopril, enapril
Angiotensin II
(Damar büzücü etkili)
VIII. ENZİM AKTİVİTESİNİ DÜZENLENMESİ
Bir metabolik yolun belli bir hızda ve yönde ilerleyebilmesi için
kontrol altında tutulması gerekir, bu da enzimlerin sayesinde olur.
Enzim aktivitesi 2 şekilde kontrol edilebilir:
1-Enzimin mutlak (absolü) miktarının değişimi
2-Enzimin katalitik etkinliğinin değişimi
1-ENZİMİN MUTLAK MİKTARININ DEĞİŞİMİ
 Organizma varolan enzim miktarını, enzim sentez hızlarını değiştirerek
düzenleyebilir.
 Enzim proteinin sentezi ihtiyaca göre artabilir (indüklenme)
ya da azalabilir (represyon, baskılanma).
 İndüksiyon ile enzim sentezi artar, represyon ile enzim sentezi azalır.
 Derepresyon ile enzim sentezi baskıdan kurtulup tekrardan artar.
Enzim sentezi indükleyici bir maddeye cevap olarak tetiklenebilir.
 E. coli isimli mikroorganizma glukozun bulunduğu ortamda glukozu kullanır.
 Ancak bir disakkarid olan laktozu, β-galaktozidaz isimli enzimi
bulunmadığından dolayı galaktoz ve glukoza hidrolizleyemez.
 Ortamdan glukoz çıkarılıp yerine laktoz ilave edildiğinde,
mikroorganizma laktozu kullanır hale gelir.
 Laktoz (indüktör) protein yapısında olan β-galaktozidazın
sentezlenmesini indüklemiştir.
İndükleyici maddelerin çoğu, enzimlerin substratlarıdır.
Ancak substrata yapısal bakımdan benzeyen bileşikler de indükleyici
madde olabilirler fakat substrat olamazlar!
 Salmonella isimli mikroorganizma histidin bulunan ortamda, kendisi
histidin sentezleyemez ( represyon, baskı altına alma).
 Histidin korepresör’dür, yani kendi sentezi ile ilgili enzimlerin sentezini
engellemektedir.
 Histidin represyon etkisini bir proteine bağlanarak yapar.
 Bu proteine aporepresör denir.
 Aporepresör-korepresör, enzim sentezini kontrol altına alır.
 Ortamdan histidin çıkarılması yahut bu maddenin tükenmesi, enzim biosentezinin
tekrardan başlamasını sağlar (derepresyon, baskının ortadan kaldırılışı).
2-ENZİMİN KATALİTİK ETKİNLİĞİNİN DEĞİŞİMİ
1. Enzim molekülünün aktivasyon-inhibisyonu (Allosterik enzimler)
2. Kovalent Modifikasyon
3. Zimojen Aktivasyonu
1.ALLOSTERİK ENZİMLER
Allosterik “başka yere ait” anlamına gelir.
 Aktif bölgeleri dışında bir yere nonkovalent olarak bağlanan
efektör (modülatör) isimli moleküller tarafından düzenlenirler.
 Allosterik efektörün enzime bağlanması sonucunda, enzimin
substratına olan ilgisi değişir.
 Efektör, enzim aktivitesini inhibe ettiğinde negatif efektör,
aktiviteyi arttırdığında pozitif efektör denir.
 HIZ DÜZENLEYİCİ ENZİMLERİN ÇOĞU ALLOSTERİK ENZİMLERDİR.
 Birden fazla alt üniteden meydana gelmişlerdir (oligomerik enzimler).
 Çoğunlukla metabolik yolun ilk basamağına etki ederler.
 Enzim moleküllerinin üzerinde bir katalitik, bir de düzenleyici
bölge bulunur.
 Düzenleyici bölgeye efektör, nonkovalent olarak bağlanır.
SUBSTRAT
KATALİTİK
BÖLGE
II.
AKTİVATÖR
(pozitif efektör)
İNHİBİTÖR
I.
(negatif efektör)
DÜZENLEYİCİ BÖLGE
 İki alt birimli bir enzimin 1. alt ünitesine efektörün bağlanması
sonucunda, 2. alt birimin substrat bağlanması etkilenmektedir.
 Efektör, 2. alt birime substrat bağlanmasını hızlandırabilir ya da
yavaşlatabilir.
Bu olaya kooperativite adı verilir.
 Ortamda bulunan allosterik aktivatör enzimin etkinliğini arttırır,
allosterik inhibitör ise enzimin etkinliğini azaltır.
 Allosterik enzimlerde, substrat ile hız arasındaki hiperbolik eğri,
sigmoidal karakter kazanır.
 Bu grafik lineer olarak çizildiğinde ise kırık şekil alır.
 Böyle bir grafik enzimin 2 veya daha fazla alt üniteden meydana
geldiğini gösterir.
V
Sigmoidal eğri
S
1/V
kırık eğri
1/S
 Substratın kendisi aktivatör ya da inhibitör olarak davrandığında
homotropik etki denir.
 Bu olaya 4 altüniteden meydana gelmiş enzimlerde rastlanır.
 Bir allosterik enzim kendi substratından başka bir efektör
tarafından aktive ya da inhibe edilmekte ise heterotropik etkiden
bahsedilir.
 Bir ara ürün veya son ürün de enzim etkinliğinin düzenlenmesinde
görev yapabilir.
 Bu ürün kullanılmıyor birikiyor ise, bu yolda görevli 1. veya 2. enzimi
“negatif feed back” başa tepki şeklinde inhibisyona uğratır.
A
E1
B
E2
C
E3
D
Hız düzenleyici enzim
Feed back İnhibisyon
D’nin konsantrasyonu, sentezlendiği kadar tüketilmediğinden dolayı
artacak olursa, metabolik yoldaki ilk enzim inhibe olur.
Düzenleyici enzimler sayesinde son ürünün birikimi engellenmiş olur!
2. KOVALENT MODİFİKASYONA UĞRAYAN SİSTEMLER
 Bazı enzimlerin katalitik etkileri kovalent modifikasyonlarla
değişebilir.
 Aktivitelerinde kovalent modifikasyona uğrayan enzimler biribirine
dönüşebilen enzimlerdir.
Bu enzimler iki aktivite halinde bulunurlar:
Yüksek ve düşük aktivite
 En sık rastlanan modifikasyon şekli, enzim molekülünün yapısındaki
belirli serin, treonin veya tirozin isimli aminoasidlere bir fosfat
grubunun eklenmesi veya bir fosfat grubunun çıkarılmasıdır.
 Bazı enzimlerde fosfoenzim, bazılarında ise defosfo enzim şekil
daha aktif olabilmektedir.
OH
serin
Fosforilasyon
Enzim
serin
O
O-P-O-
Enzim
O-
Defosforilasyon
Metabolik yolun gereksinimine uygun olarak, fosfor grubunun enzime ilavesi ya da
enzimden ayrılması sonucunda, enzim iki faklı şekilde çalışmaktadır.
Organizmanın glukoza gereksinimi olduğu esnada, glikojen sentataz fosforillenerek
aktivitesini kaybeder. Aynı esnada glikojen fosforilaz bir fosfat grubu bağlayarak
aktif şekle dönüşür. Bu sayede depo maddesi glikojenden glukoz sağlanmış olur.
Fosforilasyon ve defosforilasyon sırası ile protein kinaz ve protein fosfataz ismi
verilen enzimler tarafından gerçekleştirilmektedir. Buenzimler ise hormonal ve
sinirsel kontrol altında tutulmaktadır.
Kinaz ve Fosfataz isimli enzimler kovalent modifikasyonun reversibl
(geri dönüşebilir) oluşunu sağlayan enzimlerdir.
ADP
ATP
Mg+2
Kinaz
Enzim-Serin
Enzim-Serin
Fosfataz
Mg+2
Pi
H2O
ENZİMİN KOVALENT MODİFİKASYONU
O-PO3-2
3.ZİMOJEN AKTİVASYONU
 Hücre dışında görev yapan bazı enzimler, bulundukları yere
zarar vermemeleri için aktif olamayan öncül moleküller şeklinde
sentez edilirler. Bu moleküllere proenzim veya zimojen adı
verilmektedir.
 Zimojen aktivasyonu bir veya birkaç peptid bağının koparılması
(yarılması, kırılması) ile olur.
 Pankreasta sentezlenen tripsinojen (inaktif) etki gösterdiği
barsaklara salgılandığında peptid bağları kırılır ve aktif şekle
dönüşür.
Tripsinojen
(İnaktif)
Tripsin
(Aktif)
Kimotripsinojen
(İnaktif)
Tripsin
Kimotripsin
(Aktif)
Kan plazmasında:
Trombin
Fibrinojen
(İnaktif)
Fibrin
(Aktif)
Proteinlerdeki aromatik
aminoasidleri ayırır.
(Tirozin,fenilalanin,
triptofan)