Enzimler

Enzimler, substratlarına bağlanarak reaksiyonları katalizler. Bir enzim molekülünde, aktif bölge olarak adlandırılan ve substratlarına spesifik olarak bağlanan üç boyutlu belli bir bölge ya da cep vardır (Şekil 1.1.24.). Bu bağlanma sonucunda enzim-substrat kompleksi oluşur. Daha sonra bu kompleks ürünler ve

değişime uğramamış enzimi vermek üzere dekompoze olur. Kullanılan enzim yeni substrat moleküllerine bağlanabilir ve başka bir kataliz reaksiyonunu başlatabilir.

Şekil 1.1.24. Enzim substrat kompleksinin oluşum modeli

Enzimler substratı bağlamak için aktif bölgelere sahiptir. Enzimler kiral L- amino asitlerden meydana gelir ve bundan dolayı enzimlerin aktif bölgeleri simetrik değildir yani kiraldır. Aktif bölgeler substratlarını tanımada oldukça seçicidirler. Enzimin aktif bölgesi ve substrat arasındaki ilişkiyi anlamak için geliştirilen pek çok teori ve mantık arasında organik kimyacılar tarafından en çok örnek gösterilen model “anahtar ve kilit” modeli ve “sonradan uyumluluk” mekanizmasıdır. Anahtar-kilit modeli 1894 yılında ünlü kimyacı Emil Fischer tarafından ortaya atılmış ve enzimin yapısını sabit olarak kabul etmiştir. Bu model günümüzde de hala geçerliliğini korumaktadır. Anahtar-kilit modeli enzimin stereospesifikliğini çok iyi açıklamaktadır. Bu modele göre substratın enzime bağlanabilmesi için üç boyutlu aktif bölgeye uygun yapıya sahip olması gerekir (Şekil 1.1.25.).

Zayıf bağ kuvvetleri enzimin üç boyutlu yapısını kararlı hale getirir. Bu kuvvetler, alifatik zincirin Van Der Waals etkileşimi, aromatik birimlerin π- π etkileşimi, moleküllerin yüklü parçaları arasındaki tuz köprüleri, kovalent –S-S-

disülfit köprüleri ve yapısal su olarak adlandırılan enzimin yüzeyini kaplayan su tabakasıdır. Bu özellikler üç boyutlu enzim yapısını devam ettirmek için temel özelliklerdir. Organik kimyacının biyodönüşüm basamağı ile gerçekleştirdiği sentetik dönüşümünü anlamak için enzimin yapısını etkileyen çeşitli faktörler, katalitik aktivite ve spesifiklik incelenmelidir.

Şekil 1.1.25. Enzim substrat ilişkisinin açıklanmasında kullanılan modeller

Son 40 yılda yapılan deneysel çalışmalar; bağlanma prosesinde, enzim ve substratın bağlanmayı daha güçlü hale getiren bazı konformasyonel değişikliklere uğradığını göstermektedir. Sonradan uyumluluk modeli ise 1960 yılında Koshland tarafından geliştirilmiştir. Modele göre enzimin aktif bölgeleri sabit değildir. Substratın enzim ile etkileşmesinden sonra enzimin aktif bölgesi değişikliğe uğrayarak substrata uygun bir yapı kazanmaktadır (Şekil 1.1.25.).

Bazı enzimler, tam anlamıyla aktif olabilmek için, kofaktör olarak adlandırılan küçük organik moleküllerin varlığına gereksinim duyarlar. Kofaktörler, enzime geçici ya da kalıcı olarak bağlanabilir. Geçici olarak bağlandığında koenzim adını alırlar. B grubu vitaminler, hayati proseslerin gerçekleşmesi için gerekli olan önemli koenzimlerdir. Yükseltgenme ve indirgenme proseslerinde yer alan ve oksidoredüktazlar olarak adlandırılan enzimlerin çoğu işlevlerini yerine getirebilmek için koenzimlere ihtiyaç duyarlar. Bilinen en yaygın iki koenzim nikotinamid adenin dinükleotid (NAD+) ve nikotinamid adenin fosfat dinükleotid (NADP+)’dır.

1.1.14.1. Enzimlerin Organik Sentezde Kullanılması

Enzimlerin organik sentezde kullanılmasına ilişkin iki önemli yöntem vardır. Bunlar; saf kimyasallar olarak ya da tüm organizmaların bir parçası olarak kullanmaktır. Saf enzimlerin kullanımı, nispeten yüksek verimlerle izole edilip, saflaştırılabilen enzimlerle sınırlıdır. Yeni gelişen teknolojiler, enzimlerin izolasyonunu ve saflaştırılmasını olanaklı kıldığından, saf enzimlerin kullanımı endüstride olduğu gibi akademik anlamda da önem kazanmaktadır.

Diğer yaklaşım olan, mikroorganizmaların kullanımı ise, ucuz bir alternatif sağlar; çünkü enzimlerin izolasyonu gerekli değildir. Spesifik dönüşümleri gerçekleştirmede kullanılan birçok bakteri ve fungi türü arasında “hamur mayası” (baker’s yeast) en yaygın biçimde kullanılanıdır. Hamur mayasının kullanılmasının birkaç nedeni vardır. Hamur mayası ucuzdur, rahatlıkla bulunabilir, kolaylıkla yetiştirilebilir ve birçok reaksiyonunun gerçekleştirilmesinde kullanılabilir. İndirgenme reaksiyonları hamur mayası ile gerçekleştirilen reaksiyonlar arasında en önemli olanlarından biridir. Ketonlar, β-ketoesterler, çift bağlar ve nitro grupları hamur mayası kullanılarak indirgenebilir.

1998’de Kawai ve ark. sekonder alkil grubu bulunduran β-keto-esterin (19) hamur mayasından elde edilen NADPH-bağlı redüktaz enzimi ile indirgendiğini göstermişlerdir. Yeni oluşan β-keto-ester (20) harika stereoseçicilikte ard arda gelen üç kiral merkez içermektedir (Şekil 1.1.26.).

CO₂Me CO₂Me O CO₂Me CO₂Me OH Hamur mayası NADPH Glukoz-6-fosfat (19) (20)

Şekil 1.1.26. Hamur mayası kullanılarak gerçekleştirilen stereoseçici indirgenme reaksiyonu

Bazı enzim ve mikroorganizmaların çok küçük miktarda suyun varlığında hekzan ya da toluen gibi nonpolar organik çözücülerde fonksiyonel oldukları bilinmektedir. Bu durum yeni gelişmelere ışık tutmaktadır. Çünkü nonpolar substratlar, suda çözünmeyen fakat nonpolar organik çözücülerde iyi çözünen maddeler, enzim ve mikroorganizmaların yardımıyla ürüne dönüştürülebilir.

Biyoteknolojik metotlar çoğu kimyasal katalizörlerle yapılan asimetrik metotlara göre çok daha avantajlıdır. Enzimler kimyasal katalizörlere göre aktivasyon enerjisini daha fazla düşürdüklerinden etkili ve seçicidirler. Genel asimetrik sentez metotlarıyla çok daha zor koşullarda hatta bazen iki veya daha fazla basamakta sentezlenen bir kiral bileşik biyoteknolojik metotlarla normal koşullarda (normal pH değeri, oda sıcaklığında, 1 atm’de v.b.) yüksek e.e. değerinde sentezlenebilir.

Enzimlerin diğer bir kullanımı da rasemik karışımların kinetik yarılmasıdır. Enzimler substratın bağlanmasıyla oluşturdukları E-S geçiş kompleksiyle reaksiyonun aktivasyon enerjisini düşürürler (Şekil 1.1.27.). Enzimlerin spesifikliği, E-S kompleksi oluşumundaki aktivasyon enerjisiyle doğrudan ilgilidir. Enantiyomerik karışımlar için E-S kompleksi aktivasyon enerjisi faklıdır ve bu fark arttıkça seçicilik de artmaktadır. Rasemik karışımların ayrılmasında enzimlerin bu özelliklerinden yararlanılır.

S-enantiyomer + R-enantiyomer Enzim P* + Reaksiyona girmemiş enantiyomer Rasemleşme

E= enzim, A ve B=enantiyomer çifti, P ve Q= enantiyomerik ürünler, [EA] ve [EB]= enzim-substrat kompleksi, ∆∆G= aktivasyon enerjileri farkı

Şekil 1.1.27. Enzimatik kinetik yarılma enerji diyagramı

Bu yolla tüm başlangıç maddeleri optikçe saf ürünlere dönüştürülebilir. Bilindiği üzere rasemleşme yalnızca sigma bağının kırılması sonucu olur. Stereojenik merkezin (sp3 hibritleşmesi) kiral olmayan düzlemsel üçgen merkeze (sp2 hibritleşmesi) dönüşmesiyle oluşur.