BİYOKİMYA II ( ) FİNAL SINAVI EK NOT (ENZİMLER)

(1)

BİYOKİMYA II (2018-2019) FİNAL SINAVI EK NOT (ENZİMLER)

Giriş

• Kimyasal bir tepkimenin hızını arttıran ancak tepkime sırasında reaksiyona girmeyen (harcanmayan) maddelere katalizör adı verilir.

• Biyokimyasal reaksiyonların çoğu enzim adı verilen biyoorganik moleküller tarafından katalize edilir.

• Klasik kimyasal katalizörlere kıyasla sahip oldukları olağanüstü katalitik güç, özgünlük ve düzenlenebilirlik özelliklerinden dolayı daha avantajlı moleküllerdir.

• Enzimler, canlı organizmalarda gerçekleşen tüm reaksyionların ılımlı koşullarda hızlı bir şekilde gerçekleşmesini sağlayan ve bu reaksiyonları koordine eden özgül biyokatalizörlerdir.

• Tüm canlı organizmalarda bulunan, kendileri bir değişikliğe uğramadan, hücre içinde gerçekleşen reaksiyonların hızını arttırırlar.

• Enzimler, metabolizmada anabolik ve katabolik reaksiyonlarda, hidroliz reaksiyonlarında, elektron aktarımında görev alarak hemen hemen tüm biyokimyasal süreçlerin can damarını oluştururlar.

• Enzimlerin ana yapısı proteindir.

• Bununla birlikte canlılarda bazı RNA’ların da katalitik/enzimatik aktivitesi olduğu bilinmektedir (ör: ribozimler).

• Ancak hücresel metabolik olaylardan sorumlu olan enzimlerin temelde protein yapısında olduğu söylenebilir.

• Uygun koşulların sağlanması durumunda enzimler in vitro olarak da katalitik etki gösterebildikleri için pek çok alanda kullanılabilmektedir.

• Enzimoloji, enzimlere ait tüm özellikleri bir bütün olarak inceleyen bilim dalıdır.

• Başta biyokimya ve moleküler biyoloji olmak üzere fizikokimya, mikrobiyoloji, genetik, botanik, tarım, farmakoloji, toksikoloji, tıp, mühendislik, biyoteknoloji ve çeşitli endüstriyel alanlarda çok önemlidir.

(2)

Metabolizma

• Hücreler çevrelerinden enerji ve indirgeyici gücü nasıl elde ederler?

• Hücreler kendi makromoleküllerinin yapı taşlarını nasıl sentezlerler?

• Bu iki sorunun cevabını oluşturan olaylar son derece karmaşık bir kimyasal reaksiyon ağı tarafından gerçekleştirilir. Bu anlamda canlı hücreyi minyatür bir kimya fabrikası olarak tanımlamak mümkündür. Bu fabrikada mikro seviyede sürekli olarak binlerce tepkime gerçekleşir.

• Bu ağda yer alan reaksiyonlar tümüne birden metabolizma adı verilir.

(3)

Enzim Grupları

• Enzimlerin keşfi ve enzimolojinin gelişmesiyle birlikte enzimlerden birçok alanda yararlanma imkanı ortaya çıkmıştır. Enzimler bu kullanım amaçlarına göre 3 grupta toplanabilir:

• (1) Üretime yönelik çeşitli reaksiyonların katalizinde kullanılan saflık dereceleri düşük olan endüstriyel enzimler,

• (2) Bilimsel araştırma ve analitik amaçlarla kullanılan saflık dereceleri yüksek analitik enzimler,

• (3) Çeşitli hastalıkların tedavisinde kullanılan saflık derecesi oldukça yüksek klinik enzimler.

• Enzimoloji alanında yapılan çalışmalar, enzimlerin önemi nedeniyle günümüzde de yoğun bir şekilde devam etmektedir.

Enzimlerin Yapısı

• Enzimler protein ana yapıdaki moleküllerdir. Fakat bazı enzimlerde, proteine protein olmayan daha küçük organik veya anorganik moleküllerin bağlanmasıyla oluşmuş proteid yapısı da söz konusudur.

• Enzimlerin protein kısmının yapısı, diğer tüm proteinlerin genel yapı özellikleriyle aynıdır.

Kaynak: http://enzimler.gen.tr

• Enzimler için kofaktör olarak görev yapan bazı inorganik elementler:

• Cu²⁺, Fe²⁺, Fe³⁺, K+, Mg2+, Mn2+, Ni2+, Zn2+

• Özgün atom veya fonksiyonel grupların transferinde görev yapan bazı koenzimler:

• Biositin, koenzim A, FAD, lipoik asit, NAD, tetrahidrofolat

(4)

İzoenzimler (İzozimler)

• Enzimin protein ana yapısındaki alt birimlerinin varyasyonu ile izoenzimler türer.

• Aynı reaksiyonu katalizleyen, farklı birincil yapıya sahip, aynı organizmada oluşan iki ya da daha fazla enzimdir.

• İzoenzimler genellikle dizilim olarak birbirine çok benzeyen genler tarafından kodlanırlar.

• İzozim ve allozim bazen birbirinin yerine kullanılır ancak tam olarak aynı şey değildir.

• Allozim (Alloenzim): Aynı genin farklı allelleri tarafından kodlanan farklı enzimler (yine aynı reaksiyonu katalizler).

• İzozimler metabolik olaylarda hassas ayarlama sağlarlar, çünkü kinetikleri farklılık gösterir.

• Belirli dokularda belirli izoenzimler bulunabilir.

Substrat

• Enzimlerin dönüşüme uğrattıkları moleküllere substrat adı verilir.

• Birçok proteinin işlevi diğer moleküllere tersinir olarak bağlanmayı gerektirir. Enzimler de bu şekildedir, substratlarına bağlanmaları gerekir.

• Bir substrat, başka bir protein veya kısa peptit olabileceği gibi herhangi başka bir molekül de olabilir.

• Enzim-substrat etkileşimlerinin geçici olma özelliği yaşam için çok önemlidir. Bu özellik, bir organizmanın değişen çevresel ve metabolik koşullara hızlı ve tersinir olarak yanıt vermesini sağlar.

(5)

Kaynak: https://www.khanacademy.org

• Bir substrat, enzim üzerinde bulunan ve substratın büyüklüğüne, şekline, yüküne ve hidrofobik veya hidrofilik özelliğine göre tamamlayıcı olan bir bölgeye bağlanır.

• Bu bölgeye enzimin aktif bölgesi denir.

• Aktif merkez içerisinde genellikle substratın enzime bağlandığı/tutunduğu bir bölge (bağlanma bölgesi) ve katalitik dönüşümün gerçekleştiği katalitik bölge bulunur.

• Ayrıca bu etkileşim çoğu zaman özgüldür. Yani bir enzim çevresinde binlerce farklı molekülü ayırarak seçici bir şekilde sadece bir veya birkaçına bağlanabilir.

• Bir enzim birden fazla substrat için ayrı bağlanma yerlerine de sahip olabilir.

• Bir enzim ve substratının bağlanması, genellikle enzimdeki bağlanma bölgesini substrata daha uygun hale getiren ve daha sıkı bağlanmasını sağlayan yapısal değişikliklerle birlikte

gerçekleşir.

• Enzim ve substrat arasındaki bu yapısal uyuma uyarılmış uyum adı verilir (induced fit).

• Sadece enzimlerde değil, aslında tüm proteinlerde protein-ligand etkileşimlerinde karşımıza çıkan bir modeldir.

• Çok alt birimli bir enzimde, bir alt birimdeki konformasyonel değişim, sıklıkla diğer alt birimleri de etkiler.

(6)

Multienzim Kompleksi

• Çok sayıda reaksiyon basamağı üzerinden yürüyen reaksiyon serisini katalizleyen ve çok sayıda enzimden oluşmuş sistemlere multienzim kompleksi veya enzim sistemi adı verilir.

• Bu komplekslerde her bir enzimatik reaksiyon ürünü bir sonraki reaksiyonu katalizleyen enzim için substrat olarak iş görür.

Enzimlerin Biyosentezi

• Transkripsiyon-Protein sentezi

• Enzimler de, diğer proteinlerde olduğu gibi bir yıkım-sentez dengesine sahip olmalıdır.

• Enzimlerin proteid yapısından dolayı sentez sonrası bazı modifikasyonlar gerçekleşir.

• Proteolitik enzimlerin biyosentezinde proenzim veya zimojen denilen inaktif ön-form oluşur (Örnek…).

Enzimlerin Lokasyonu

• Enzimler, hücre içinde sentezlenirler ve çoğu da hücre içinde kullanılır.

• Ancak sindirim sisteminde yer alan pepsin, kimotripsin gibi enzimler sindirime yardımcı olmak amacıyla hücre dışına salınırlar.

• Yine bazı enzimler de kan serumunda yer alarak hücre dışı faaliyetlerde bulunabilirler.

• Yani enzimler hücre içinde kullanılabileceği gibi, hücre dışına salgılanan enzimler de mevcuttur.

Enzimlerin Adlandırılması ve Sınıflandırılması

• İlk yıllarda substratlarının yanına –az eki getirilmiş (ör: üreaz).

• Daha sonra, Uluslararası Biyokimya Derneği (IUB), 1956 yılında Uluslararası Enzim Komisyonunu kurmuştur.

• İlk rapor 1961 yılında yayınlanmıştır.

• Komisyon enzimlerin adlandırılmasında 3 temel ilke belirlemiştir:

• Enzim isimleri sonunda –az eki alır.

(7)

• Enzimler katalizledikleri reaksiyona göre adlandırılırlar veya sınıflandırılırlar ve sınıflandırılırlar. Farklı kaynaklardan elde edilen enzimler aynı fonksiyonu gösteriyorsa genellikle aynı ismi alır.

• Birbirinden farklı tipte birden fazla reaksiyon adımını katalizleyen enzimler adlandırılırken katalizlediği ilk reaksiyon adımı esas alınır.

• Enzimlerin biri sistematik diğeri de önerilen (geleneksel) olmak üzere iki ismi bulunur.

• Sistematik isimlendirme: substrat adı + katalizlenen reaksiyon tipi + az

• 1961 komisyon raporuna göre enzimler 6 ana sınıfa ayrılmıştır ve bu sınıflarda yer alan her enzim 4 rakamdan oluşan bir enzim kod numarası (EC No) ile ifade edilmiştir.

• Enzimlerin 6 ana sınıfı:

• 1. Oksidoredüktazlar: Redoks reaksiyonlarını katalizler

• 2. Transferazlar: Bir molekülerden diğerine grup transferleri

• 3. Hidrolazlar: Kimyasal bağın hidrolizi

• 4. Liyazlar: Hidrolitik olmayan yoldan çifte bağ oluşumu

• 5. İzomerazlar: İzomerleşme

• 6. Ligazlar: Sentez reaksiyonları

(8)

• Oksidazlar: Oksijeni elektron akseptörü olarak kullanan oksidoredüktazlar

• Oksijenazlar: Bir moleküle oksijen katılmasını katalizleyen oksidoredüktazlar.

• Liyazlar için sentaz ismi de kullanılmaktadır.

• Ligazlar için sentetaz ismi de kullanılmaktadır.

• İntraselüler enzim

• Ekstraselüler enzim

• Ekdoenzimler

• Ekzoenzimler

• Endoenzimler

• Yaygın isimler karıştırılabilir. Bu nedenle enzimlerin EC koduna ulaşarak kesin bilgiye ulaşmak en doğrusudur.

Enzimoloji için faydalı internet siteleri

• http://www.sbcs.qmul.ac.uk/iubmb

• http://enzyme.expasy.org

• https://www.brenda-enzymes.org

(9)

Biyokatalizör olarak enzimler

• Biyokatalizörler = enzimler

• Enzimatik bir reaksiyon 4 temel adımda gerçekleşir:

• 1. Enzim-substrat kompleksi oluşumu

• 2. Geçiş hali

• 3. Enzim-ürün kompleksinin oluşumu

• 4. Ürünün oluşumu

• Bunlar tersinir bağlanmalardır.

• Enzimler katalizör olarak davrandıklarından reaksiyona katılmazlar ve reaksiyon sonrasında değişmeden kalırlar (ilk şekillerine dönerler).

• Enzimler aktivasyon enerjisini düşürerek reaksiyonun hızını arttırırlar, dengeye çabuk ulaşmasını sağlarlar fakat dengeyi değiştirmezler.

• Enzimler, bir reaksiyonun hızını, enzimlerin rol almadığı bir reaksiyona kıyasla yaklaşık 10³-10⁷ kat arttırabilirler.

• Bu reaksiyonların hızı, enzimin çeşidine ve sıcaklığa bağlı olarak farklılık gösterir.

• Enzimlerin reaksiyon hızını arttırmasındaki başlıca etmenler, reaksiyon ortaklarını birbirine yaklaştırması, substrat molekülünün deformasyonu ve enzim reaktif gruplarının ortak etkimesidir.

• Aktivasyon enerjisi: Kimyasal reaksiyonları başlatmak için sisteme verilmesi gereken enerji.

• Ara madde katalizi prensibi

• Denge değişmez, dengeye ulaşma hızlanır

(10)

Kaynak: https://socratic.org/biology/enzymes/enzymes-overview

Kaynak: https://courses.lumenlearning.com/boundless-biology/chapter/potential-kinetic-free-and-activation-energy/

Enzim Aktivitesi ve Aktivite Birimleri

• Bir enzimin aktivitesi, o enzimin katalizlediği reaksiyonun hızıdır. Diğer bir ifadeyle birim zamanda dönüştürülen substrat miktarıdır.

• Uluslararası enzim aktivite birimi: Ünite/Unit (U)

• U: Standart koşullar altında (sıcaklık 25 C olur) 1 dakikada 1 mikromol substratı dönüşüme uğratan enzim miktarı.

• Bunun dışında da bazı aktivite birimleri kullanılabilmektedir.

• Katal: Saniyede 1 mol substratı dönüşüme uğratan enzimin aktivitesi. (SI sistemine uyar)

(11)

• 1 Katal = 6 x 10⁷ U

• 1 Mikrokatal = 60 U

• Spektrofotometrik tayinler

Enzim Aktivitesini Etkileyen Faktörler

• Enzim reaksiyonlarının aktivitesi, reaksiyon hızını yansıtır.

• Aktivite,

• Sıcaklık

• pH

• Enzim konsantrasyonu

• Substrat konsantrasyonu

• İyon şiddeti

• Aktivatör varlığı (enzimatik reaksiyonun hızını arttırır)

• İnhibitör varlığı (enzimatik reaksiyonun hızını azaltır)

• Gibi etmenlerden etkilenir.

(12)

Enzim İnhibisyonu

• Enzim katalizli reaksiyonların hızını azaltan veya durduran maddelere inhibitör ve yarattıkları etkiye inhibisyon denir.

• Hücrede bir kontrol mekanziması olarak çalışır.

• İnhibisyon çalışmaları, aktif merkezin yapısı ve mekanizma hakkında bilgi verir.

• Tersinmez inhibitörler

• Tersinir inhibitörler (EI kompleksi ile denge oluşur, KI)

Enzim Aktivitesinin Düzenlenmesi

• Regülatör enzimler, metabolik yolların hızını belirler.

Genetik Kontrol:

• Enzim sentez ve yıkımının kontrolü.

• Transkripsiyonel ve translasyonel kontrol.

(13)

Proenzimlerle Kontrol:

Substrat düzeyinde kontrol:

Geribesleme ile kontrol:

(14)

Allosterik enzimlerle kontrol (Allosterik kontrol):

• Üzerinde çalıştığı metabolik yolun düzenli çalışmasını sağlayan ve metabolik yolla ilgili son ürün veya başka bir molekül tarafından aktivitesi kontrol edilebilen enzimlere allosterik enzimler denir.

• Bunlar genellikle çok alt birimli olup, substratlarına karşı yüksek ve düşük ilgili iki formu bulunur.

• Katalitik bölge ve allosterik bölge vardır.

• Allosterik aktivatör

• Allosterik inhibitör

Kaynak: https://forums.studentdoctor.net/threads/noncompetitive-vs-allosteric-inhibition-whats-the-difference.942798/

(15)

Modifikasyon ile kontrol:

• Kovalent modifikasyonlar