ENZİMLER ve BİYOTEKNOLOJİDE KULLANIM ALANLARI. Dr. Ali Osman ADIGÜZEL

(1)

ENZİMLER ve BİYOTEKNOLOJİDE KULLANIM ALANLARI

Dr. Ali Osman ADIGÜZEL

(2)

AMAÇ ve HEDEFLER

• Enzimin tanımı

• Enzimlerle ilgili araştırmaların kısa tarihçesi

• Enzimlerin özellikleri ve biyoteknolojik uygulamalar için önemi

• Biyoteknolojik önemi olan enzimler

• Enzim kaynakları

• Mikrobiyal enzim üretimi

OMÜ I Moleküler Biyoloji ve Genetik Bölümü 1

(3)

Makromoleküller

KARBONHİDRATLAR

NÜKLEİK ASİTLER

PROTEİNLER

YAĞLAR

(4)

TARİHÇE

1700-1800 Mide salgılarıyla etin sindirimi

1800’lerin başı Tükürük ve mide özütleriyle nişastanın şekere dönüşümü

1850’ler Şekerin fermentasyonu ve ^« ferment ^» (Luis Pasteur)

1897 Fermentasyonda rol oynayan maddenin hücrenin kendisi ortada olmaksızın da işlev gördüğünü (Eduard Bucher)

1800’lerin sonu Bu maddelerin ^« enzimler ^» olarak adlandırılması (Frederic W. Kühne)

(5)

TARİHÇE

1926 Üreazın kristallendirilmesi (James Sumner)

1930-1935 Enzim-substrat arasındaki zayıf bağlar

(J.B.S. Haldane)

(6)

ENZİMLER NASIL ÇALIŞIR

Katalizörler tepkime hızını aktivasyon

enerjisinin

düşürülmesiyle arttırırlar

S

Ü

Geçiş Drurumu

E

_akt

E

_akt

Substrat (S) Ürün (Ü)

Tepkime Yönü

OMÜ I Moleküler Biyoloji ve Genetik Bölümü

Enzim

Serbes t Enerji (G )

ΔG

⁰

Zemin Durumu

Tepe Drurumu

5

(7)

ENZİMLER

Kimyasal ve biyolojik

reaksiyonları hızlandıran

protein yapısında biyolojik

katalizörlerdir.

Bir enzimin etki ettiği maddeye substrat denir.

Enzim üzerinde

substratların bağlanıp

kimyasal reaksiyona girdiği yere aktif bölge denir.

Enzim

Ürün

(8)

ENZİMLER

Katalitik RNA moleküllerinin küçük bir bölümü hariç bütün

enzimler protein yapıdadır.

(9)

ENZİMLER

Bazı enzimler aktivite için Fe ⁺² , Mn ⁺² , Mg ⁺² ve Zn ⁺² gibi kofaktör olarak adlandırılan inorganik iyona ya da koenzim olarak adlandırılan organik ve metaloorganik moleküllere gereksinim duyar.

Enzim proteinine bağlanan bir koenzim veya metal iyonu prostetik grup olarak adlandırılır. Enzimin protein kısmına ise apoenzim denir. Prostetik grup ve apoenzim birlikte holoenzimi meydana getirir.

(10)

ENZİM SUBSTRAT BAĞLANMASI

İndüklenmiş uyum, enzim üzerindeki özgül işlevsel grupların tepkimeyi katalizlemek için tercih edilen pozisyona

getirilmesini sağlar

(11)

Enzimler 3 tip seçiciliğe sahiptir

Bağıl Grup Seçiciliği

Mutlak Grup Seçiciliği

Stereoseçicilik

(12)

Enzimlerin Sınıflandırılması

Enzim Sınıfı Katalizlenen tepkime tipi Oksidoredüktaz Elektronların transferi

Transferaz Fonksiyonel grupların bir molekülden diğerine transferini katalize ederler

Hidrolazlar Su katılması suretiyle bağların

parçalandığı hidroliz reaksiyonlarını katalize ederler.

Liyazlar Çift bağlara grupların ilavesi veya grupların yer değiştirmesiyle çift bağların oluşumu

İzomerazlar İzomerik formları oluşturmak üzere molekül içindeki değişiklikleri kataliz eder

Ligazlar İki molekülün birbirine bağlanmasını katalize eder

(13)

• Enzimler reaksiyon hızını diğer kimyasal katalizörlere göre çok daha fazla oranda (10 ⁶ -10 ¹² ) arttırır.

• Katalitik RNA moleküllerinin küçük bir grubu hariç bütün enzimler proteindir.

• Aktivite için en önemli faktör 3 boyutlu yapısıdır.

• Enzimler özgündür.

• Aktivite göstermeleri için hücre içinde bulunmaları gerekmez.

• Tersinir yani çift yönlü özellik gösterir.

ENZİM

Kimyasal ve biyolojik

reaksiyonları hızlandıran

protein yapısında biyolojik

katalizörlerdir.

(14)

Enzimler Üzerine Etki Eden Faktörler

SICAKLIK

R eak siy on Hız ı

Sıcaklık (°C)

(15)

Enzimler Üzerine Etki Eden Faktörler

pH

R ea ksiy on H ız ı

pH Bazik

Nötral

Asidik

(16)

Enzimler Üzerine Etki Eden Faktörler

Enzim

Konsantrasyonu

R eak siy on Hız ı

Enzim konsantrasyonu

Katalaz: 0U 1U 10 U 100 U 1000 U

(17)

Enzimler Üzerine Etki Eden Faktörler

Substrat

Konsantrasyonu

Substrat

konsantrasyonu

%2,5 %5 %10 %20 %40 %80 Ürüne dönüştürülen

substrat molekülü sayısı

1 2 4 8 8 8

(18)

Enzimler Üzerine Etki Eden Faktörler

Substrat

Konsantrasyonu

Substrat ne kadar

arttırılırsa arttırılsın ulaşılan en son hıza maksimal hız denir ve Vmax ile gösterilir.

Reaksiyon hızı maksimum iken enzim moleküllerinin yarısına bağlı substrat konsantrasyonuna Michealis-Menten

sabitesi adı verilir ve Km ile gösterilir.

Bir enzimin Km değeri onun substratına olan ilgisini gösterir. Km küçükse enzimin substrata olan ilgisi

fazla, büyük ise azdır.

(19)

Enzim İnhibisyonu

Enzim aktivitesini kısmen ya da tamamen ortadan kaldıran maddelere

inhibitör, herhangi bir maddenin enzim

aktivitesini azaltmasına ise inhibisyon denir.

Yarışmalı inhibitör

Yarışmalı olmayan inhibitör

(20)

Enzimlerin Biyoteknolojide Kullanımı

Selülazlar 15%

Hemiselülazl ar

10%

Lipazlar 5%

Proteolitik enzimler

35%

Amilazlar 20%

Diğer 15%

(21)

AMİLAZLAR

Nişastayı hidrolize ederek glikoz, maltoz, maltotrioz ve limit dekstrinler gibi moleküllerin açığa çıkmasını sağlayan

enzimlerdir

α-Amilaz

Pullulanaz β-Amilaz

Amiloglukozidaz / α-Glukozidazlar

(22)

AMİLAZLAR

Fırıncılık Alkollü içecek

Deterjan

Tekstil

Şeker

Kağıt

(23)

Amilazların ekmek yapımında kullanımı

Taze ekmek Bayat ekmek

Kristalleşmiş amilopektin

Jelleşmiş amilopektin Gluten

Lipid

(24)

Amilazların etanol ve tekstil endüstrisinde kullanımı

(25)

SELÜLAZLAR

Gıda endüstrisinde

İçecek ve Şarap Endüstrisinde Hayvan Yemi Endüstrisinde Tekstil Endüstrisinde

Deterjan Endüstrisinde Biyoyakıt Endüstrisinde

(26)

Selülazların gıda ve içecek endüstrisinde kullanımı

• Tohumlardan yağ ve meyve suyu özütlenmesinde verimin artması

• Meyve sularının berraklaştırılması

• Meyve suyu üretim sürecinde filtrasyonun kolaylaştırılması

• Fermente soya gıdaların üretiminde soyanın dış zarının uzaklaştırılması

• Gıda katkı maddesi olarak kullanılan lignoselülozik materyalin parçalanması

• Şarap üretiminde aromanın arttırılmasında

• Düşük kalite arpada bulunan glukanların hidrolizi

(27)

Selülazların yem endüstrisinde kullanımı

Sindirilebilirliğin arttırılması

(28)

Selülazların tekstil endüstrisinde kullanımı

(29)

Selülazların biyoetanol endüstrisinde kullanımı

(30)

HEMİSELÜLAZLAR

β-Ksilozidaz

Endoksilanaz

Arabinofuranozidaz D-KSİLOZ L-ARABİNOZ

4-METİL-D-

GALAKTRONİK ASİT

FERULİK ASİT D-GALAKTOZ ASETİL GRUBU Kağıt ve kağıt hamuru endüstrisi

Hayvan besleme (Yem endüstrisi) Gıda endüstrisi

Biyoyakıt endüstrisi

(31)

HEMİSELÜLAZLAR

Kağıt hamuru üretiminde zararlı bileşiklerin kullanımının

azaltılması

Hamurun sağlamlığının arttırılması

Hamur ve ekmeğin hacminin artması

Lifli yapının artması Tazeliğin uzun sürmesi

(32)

LİPOLİTİK ENZİMLER

LİPAZLAR

Yağ molekülü Yağ asitleri ve gliserol

KÜTİNAZLAR

(33)

Lipolitik Enzimlerin Tekstil Endüstrisinde Kullanımı

Liflerin işlenmesi Pamuk

Polietilen terefitalat Akrilik

Hammadde

İpliklerin üretimi

Ön terbiye işlemleri Dokuma

Boyama Bitim

Doğal PET kumaş Kütinaz ile

modifiye edilmiş PET

kumaş

Liflerin etrafındaki kütiküler tabakayı uzaklaştırarak ıslanabilirlikleri ve sertlikleri geliştirilir

(34)

LİPPOLİTİK ENZİMLER

Koku ve aroma sanayisinde, karboksilik asit ve çeşitli alkol testlerinde, bazı sentetik farmosötikler ile sabun gibi çeşitli bakım ürünlerinin üretiminde kullanılması amacıyla esterlerin üretilmesi

Meyvelerin dehidratasyonu

Yağlı moleküllerin temizliği

(35)

Lipolitik Enzimlerin Detoksifikasyon Amaçlı Kullanımı

OMÜ I Moleküler Biyoloji ve Genetik Bölümü 5 33

(36)

PROTEOLİTİK ENZİMLER

EKZOPEPTİDAZLAR

ENDOPEPTİDAZLAR

(37)

PROTEOLİTİK ENZİMLER

Protein Hidrolizatı

Tampon Deterjan Proteaz Prot + Det

(38)

ENZİMLERİN ÜRETİMİ

Enzim

Kaynakları

(39)

ENZİMLERİN ÜRETİMİ

Enzim

Üretiminde Mikroorganiz- maların Tercih Edilmelerinin Sebepleri

(40)

ENZİMLERİN ÜRETİMİ

DERİN KÜLTÜR FERMANTASYONU

KATI-SUBSTRAT FERMANTASYONU

(41)

Bir Sonraki Derste Göreceklerimiz

Üretim Ortamı

İnokülüm

hazırlığı Ferme n tas yon Hücr e a yır ma

Hasatlanan hücre

Kullanılan ortam

Hücre

parçalama Santrifüj

Hücre içermeyen sıvı

Yoğunlaştırma

Ürün saflaştırma

(diyaliz, kromatografik yön…vb

Sonlandırma

(liyofilizasyon, kristalizasyon…vb)

(42)

HÜCRE AYIRMA

(43)

HÜCRE PARÇALAMA

Lizozim Pierce Universal

Nuclease for Cell Lysis

(44)

ENZİMLERİN YOĞUNLAŞTIRILMASI

(45)

ENZİMLERİN SAFLAŞTIRILMASI

(46)

ÜRÜN SONLANDIRMA

(47)

KAYNAKLAR

1- Waites MJ, Morgan NL, Rockey JS, Higton G. Endüstriyel Mikrobiylojiye Giriş, Çeviri Editörü İrfan Turhan, Palme Yayınları, 2015.

2- Thieman WJ, Palladino MA. Bitoteknolojiye Giriş, Çeviri Editörü Mücella Tekeoglu, Palme Yayınları, 2015.

3- McKelvey SM, Murphy RA. Biotechnological use of fungal enzymes, 2017.

4- Shahid M, Zhou Y, Tang R C, Chen G. Enzymatic Washing of Denim: Greener Route for Modern Fashion. In Textiles and Clothing Sustainability, Springer 2017.

5- Blamey J M, Fischer F, Meyer HP, Sarmiento F, Zinn M. Enzymatic biocatalysis in chemical transformations: A promising and emerging field in green chemistry practice. In Biotechnology of Microbial Enzymes, 2017.

6- Fernandes P, Carvalho F. Microbial Enzymes for the Food Industry. In Biotechno-

logy of Microbial Enzymes 2017.

ENZİMLER ve BİYOTEKNOLOJİDE KULLANIM ALANLARI. Dr. Ali Osman ADIGÜZEL

ENZİMLER ve BİYOTEKNOLOJİDE KULLANIM ALANLARI

Dr. Ali Osman ADIGÜZEL

AMAÇ ve HEDEFLER

• Enzimin tanımı

• Enzimlerle ilgili araştırmaların kısa tarihçesi

• Enzimlerin özellikleri ve biyoteknolojik uygulamalar için önemi

• Biyoteknolojik önemi olan enzimler

• Enzim kaynakları

• Mikrobiyal enzim üretimi

Makromoleküller

KARBONHİDRATLAR

NÜKLEİK ASİTLER

PROTEİNLER

YAĞLAR

TARİHÇE

1700-1800 Mide salgılarıyla etin sindirimi

1800’lerin başı Tükürük ve mide özütleriyle nişastanın şekere dönüşümü

1850’ler Şekerin fermentasyonu ve « ferment » (Luis Pasteur)

1897 Fermentasyonda rol oynayan maddenin hücrenin kendisi ortada olmaksızın da işlev gördüğünü (Eduard Bucher)

1800’lerin sonu Bu maddelerin « enzimler » olarak adlandırılması (Frederic W. Kühne)

TARİHÇE

1926 Üreazın kristallendirilmesi (James Sumner)

1930-1935 Enzim-substrat arasındaki zayıf bağlar

(J.B.S. Haldane)

ENZİMLER NASIL ÇALIŞIR

Katalizörler tepkime hızını aktivasyon

enerjisinin

düşürülmesiyle arttırırlar

S

Ü

E

E

Substrat (S) Ürün (Ü)

Tepkime Yönü

Enzim

Serbes t Enerji (G )

ΔG

ENZİMLER

Kimyasal ve biyolojik

reaksiyonları hızlandıran

protein yapısında biyolojik

katalizörlerdir.

Bir enzimin etki ettiği maddeye substrat denir.

Enzim üzerinde

substratların bağlanıp

kimyasal reaksiyona girdiği yere aktif bölge denir.

Enzim

Ürün

ENZİMLER

Katalitik RNA moleküllerinin küçük bir bölümü hariç bütün

enzimler protein yapıdadır.

ENZİMLER

Bazı enzimler aktivite için Fe +2 , Mn +2 , Mg +2 ve Zn +2 gibi kofaktör olarak adlandırılan inorganik iyona ya da koenzim olarak adlandırılan organik ve metaloorganik moleküllere gereksinim duyar.

Enzim proteinine bağlanan bir koenzim veya metal iyonu prostetik grup olarak adlandırılır. Enzimin protein kısmına ise apoenzim denir. Prostetik grup ve apoenzim birlikte holoenzimi meydana getirir.

ENZİM SUBSTRAT BAĞLANMASI

İndüklenmiş uyum, enzim üzerindeki özgül işlevsel grupların tepkimeyi katalizlemek için tercih edilen pozisyona

getirilmesini sağlar

Enzimler 3 tip seçiciliğe sahiptir

Bağıl Grup Seçiciliği

Mutlak Grup Seçiciliği

Stereoseçicilik

Enzimlerin Sınıflandırılması

Enzim Sınıfı Katalizlenen tepkime tipi Oksidoredüktaz Elektronların transferi

Transferaz Fonksiyonel grupların bir molekülden diğerine transferini katalize ederler

Hidrolazlar Su katılması suretiyle bağların

parçalandığı hidroliz reaksiyonlarını katalize ederler.

Liyazlar Çift bağlara grupların ilavesi veya grupların yer değiştirmesiyle çift bağların oluşumu

İzomerazlar İzomerik formları oluşturmak üzere molekül içindeki değişiklikleri kataliz eder

Ligazlar İki molekülün birbirine bağlanmasını katalize eder

• Enzimler reaksiyon hızını diğer kimyasal katalizörlere göre çok daha fazla oranda (10 6 -10 12 ) arttırır.

• Katalitik RNA moleküllerinin küçük bir grubu hariç bütün enzimler proteindir.

• Aktivite için en önemli faktör 3 boyutlu yapısıdır.

• Enzimler özgündür.

• Aktivite göstermeleri için hücre içinde bulunmaları gerekmez.

• Tersinir yani çift yönlü özellik gösterir.

ENZİM

Kimyasal ve biyolojik

reaksiyonları hızlandıran

protein yapısında biyolojik

1850’ler Şekerin fermentasyonu ve ^« ferment ^» (Luis Pasteur)

1800’lerin sonu Bu maddelerin ^« enzimler ^» olarak adlandırılması (Frederic W. Kühne)

Bazı enzimler aktivite için Fe ⁺² , Mn ⁺² , Mg ⁺² ve Zn ⁺² gibi kofaktör olarak adlandırılan inorganik iyona ya da koenzim olarak adlandırılan organik ve metaloorganik moleküllere gereksinim duyar.

• Enzimler reaksiyon hızını diğer kimyasal katalizörlere göre çok daha fazla oranda (10 ⁶ -10 ¹² ) arttırır.