Enzim Nedir? Enzimlerin Çalışmasına Etki Eden Faktörler ve Kullanım Alanları Nelerdir?

Enerji, evrenin doğumundan günümüze kadar her fiziksel ve kimyasal tepkimede gözlemlediğimiz, bu tepkimeleri mümkün kılan olgu olarak karşımıza çıkmaktadır. Öyle ki bu enerji, mikrokosmosdaki bir atomun titreşiminden makrokosmosdaki bir yıldızın patlamasına kadar uç skalalarda varlığını gösterir; fakat enerjinin belki de en iyi bir şekilde gözlemlendiği yer, canlı vücududur.

Canlı, homeostazını (vücut dengesini) koruyabilmek, bir diğer tabir ile canlılığını sürdürebilmek adına çeşitli biyokimyasal reaksiyonlar gerçekleştirerek hayatta kalmaya çalışır. Bu reaksiyonların tümüne metabolizma denir ve vücut içerisinde gerçekleşen tüm yapım ve yıkım olaylarını kapsar. Homeostazı koruyabilmek adına gerçekleştirdiği metabolik aktivitenin büyük bir bölümünde enerjiye ihtiyaç duyar. Bu ihtiyacı, şimdiye kadar tespit edilmiş temelde 4 farklı yöntem ile karşılar:

• fotofosforilasyon,
• oksidatif fosforilasyon,
• substrat düzeyinde fosforilasyon,
• kemofosforilasyon.

Her ne kadar birbirinden farklı yöntemler ile enerji üretseler de bu yöntemlerin çalışabilmesi için gereken ortak bir nokta vardır: enzimler!

Wikipedia

Enzim Nedir? Katalizör ile Farkları Nelerdir?

Enzimler, doğada halihazırda gerçekleşmekte olan tepkimeleri çok daha düşük enerji gereksinimi ile çok daha kısa sürede gerçekleştiren, ağırlıklı olarak protein yapıdan oluşan, fonksiyonel bir biyokatalizördür. Katalizör ise "hızlandırıcı" anlamına gelir ve enzimler, düşük enerji ile tepkimeyi başlatması nedeniyle bu şekilde isimlendirilir.

Her ne kadar çoğu zaman eş anlamlı olarak kullanılsalar da, aslında aynı şeyi ifade etmezler: Her enzim bir katalizördür; ancak her katalizör bir enzim olmak zorunda değildir; yani "katalizör" daha genel bir tabir, "enzim" ise daha dar bir tabirdir.

Enzimler ve Katalizörler Arasındaki Farklar

Enzimler:

• Organik biyokatalistlerdir.
• Yüksek moleküler globüler protein içerirler; dolayısıyla moleküler ağırlıkları yüksektir.
• Bütün bilinen enzimler katalisttir.
• Enzim reaksiyon oranları daha yüksektir.
• Kimyasal reaksiyon oranını artırır ve substratı ürüne dönüştürür.
• Fazlasıyla özelleşmiştir ve bol miktarda kaliteli artıklar çıkarırlar.
• Karbon-karbon (C-C) ve karbon-hidrojen (C-H) bağları içerir.
• İki yaygın enzim türü aktivasyon ve inhibisyon enzimleridir.
• Örnek olarak lipaz ve amilaz enzimleri verilebilir.

Katalizörler:

• İnorganik yapılıdır.
• Düşük moleküler ağırlığa sahiplerdir.
• Tüm katalistler enzim değildir.
• Katalist reaksiyon hızları tipik olarak daha yavaştır.
• Bir kimyasal tepkimenin hızını artırabilir veya azaltabilirler.
• Karbon-karbon (C-C) ve karbon-hidrojen (C-H) bağları içermezler.
• Özelleşmiş değillerdir ve hatalı/bozuk artıklar üretebilirler.
• İki yaygın katalizör türü pozitif ve negatif katalizörlerdir.
• Bir örnek olarak vanadyum oksit verilebilir.

Enzimlerin bir diğer önemli özelliği ise, gerçekleştirilen tepkimenin ardından yeniden kullanılabilir olmalarıdır. Böylesine bir özellik, moleküler skalada hücrenin evrim ekonomisine yönelik örneklerinden biri olarak tanımlanabilir.

Doğada maddeler, sahip oldukları kimyasal kimliklerinin bir getirisi olarak, herhangi bir aracıya ihtiyaç duymaksızın birbirleriyle tepkimeye girebilirler; fakat bu tepkimenin başlayabilmesi için belli bir miktarda minimum enerjiye ihtiyaç duyulur. Bu enerjiye aktivasyon enerjisi adı verilir. Aktivasyon enerjisi sağlansa dahi enzimlerin yokluğunda gerçekleşecek bir tepkimenin tamamlanması çok uzun sürebilir. Hatta vücudumuzda her saniye gerçekleşen biyokimyasal reaksiyonların çoğu, enzimlerin yokluğunda o kadar yavaş ilerler ki, yaşam ile bağdaşan ılımlı sıcaklık ve basınç koşullarında bile gerçekleşmeleri neredeyse olanaksızdır. Bu nedenle yaşamın başlangıcındaki erken moleküllerin bir kısmının katalizörler ve enzimler olduğu düşünülmektedir; hatta DNA ve RNA gibi genetik malzemenin evrimsel atası olarak görülen ribozim enzimi, nükleik asit yapılı bir enzimdir!

Bilgioloji

Yapısal Açıdan Enzim Türleri ve Kısımları

Enzimler, "basit" ve "birleşik" olmak üzere yapısal açıdan iki gruba ayrılmaktadır.

• Basit Enzimler: Yapısında sadece protein bulunduran ve apoenzim adı verilen kısımdan oluşur. Enzim, aktif olarak çalışabilmek için yardımcı bir kısma ihtiyaç duymaz.
• Birleşik Enzimler (Haloenzim): Yapısında apoenzim bulundururken, basit enzimlerden farklı olarak organik veya inorganik yapılı yardımcı kısım da barındırır. Benzer şekilde enzimin çalışabilmesi için yardımcı kısma ihtiyaç duyulur.

Fikirgen

Özellikle birleşik enzimlerin çalışabilmesi adına yardımcı kısım adı verilen bölgesinde yer alacak bazı maddelere ihtiyaç duyar. Bu maddelerin inorganik ya da organik olmasına bağlı olarak "koenzim" ve "kofaktör" denir: Yardımcı bölge inorganik (örneğin Fe²⁺ , Mn²⁺, Mg²⁺, Zn²⁺ vb.) maddelerden oluşuyor ise kofaktör, organik maddelerden oluşuyor ise koenzim adı verilir. Örneğin vitaminler, koenzim grubu içerisinde yer almaktadır.

Burada ufak bir püf nokta yer alır: Bir apoenzim yalnızca bir çeşit koenzim veya kofaktörle çalışabiliyorken, bir koenzim veya kofaktör farklı apoenzimlerle çalışabilmektedir.

Kimyasal Tepkime Ne Zaman Sonlanır?

Kimyasal tepkimeler, tepkimenin gerçekleşmesi için kullanılan ham maddenin (ya da ürünün) bittiği anda sonlanabileceği gibi, tepkimenin gerçekleşmesinde görev alan enzimin, enerjinin vd. parametrelerin ortamda bulunmayı sonlandırdığı noktada da sonlanabilirler (örneğin yangınlarda karşımıza çıkan ateş/yangın üçgeni bu yüzden önemlidir). Elbette bunlar, bir tepkimenin bitmesine neden olacak bariz nedenlerdir. Peki bir tepkimenin sürmesini sağlayacak tüm unsurlara o an içerisinde sahip olan bir tepkime ne zaman biter?

Bir tepkimenin ne zaman sonlanacağını, tepkimenin hızını hesaplayarak öğrenmek mümkündür. Tepkime sırasındaki değişimi birim zaman içinde ifade etmek, o değişimin hızını tespit etmemize imkan tanır. Tepkime (reaksiyon) bir değişimdir ve çeşitli yöntemler ile birim zamandaki değişimi ölçülebilir; dolayısıyla hızı da hesaplanabilir. Kimyadaki tepkime hızı terimi bu düşünceyi ifade etmektedir ve bir tepken veya ürün derişiminin zaman içindeki değişimini ifade eder.

Örneğin elimizde Fe⁺³ ve Sn⁺² iyonları olsun ve bu iyonları aynı anda suya koyalım ve ikisini tepkimeye tabi tutalım. Şu şekilde bir tepkime yaşanacaktır:

$2{\text{Fe}}_{\text{(aq)}}^{+3}+{\text{Sn}}_{\text{(aq)}}^{+2}\to {\text{Fe}}_{\text{(aq)}}^{+2}+{\text{Sn}}_{\text{(aq)}}^{+4}$

Tepkime başladıktan 38.5 saniye sonra ${\text{Fe}}^{+2}$ derişiminin (ki bu derişimi $[{\text{Fe}}^{+2}]$ olarak gösteririz) 0.001 Molar (1 litre çözeltideki 1 mol çözünen madde varsa derişim 1 molardır) olduğunu düşünelim. Bu sürede, ${\text{Fe}}^{+2}$'nin ortalama oluşma hızı, ${\text{Fe}}^{+2}$ derişimindeki değişimin geçen süreye bölünmesiyle bulunur.

$\Delta [{\text{Fe}}^{+2}]=0.001-0=0.001$

${\text{Fe}}^{+2}\text{’nin Oluşum Hızı}=\frac{\Delta {\text{Fe}}^{+2}}{\Delta t}=\frac{0.001M}{38.5s}=2.6\times 10^{-5}M{s}^{-1}$

Haliyle böyle bir çözelti içerisinde 0,001M ${\text{Fe}}^{+2}$ derişimi 2,6×10^-5 M s^-1 bir hızla oluşmaktadır. Bunu istenilen Molar doğrultusunda oranlayarak siz de hesaplarınızı gerçekleştirebilirsiniz; fakat burada unutulmaması gereken bir nokta vardır: Bahsettiğimiz reaksiyonun gerçekleşebilmesi için sadece uygun maddelerin bulunması yetmez; ayrıca yeterli miktarda enerji de gerekir.

Kimyasal Tepkimelerde Enerji Kavramı

Enerji, bir değişikliğe neden olabilme kapasitesidir. Burada bahsedilen değişiklik, madde topluluklarında gerçekleşen değişimdir. Bu değişikliğe enerjinin farklı formları sebep olabilir: kinetik, potansiyel, ısı vd. Temelde etki edilmesini istediğiniz sisteme değişim için gerekli olan enerjiyi sağladığınız taktirde değişim kaçınılmaz olacaktır.

Farklı formlarda yer alan enerji, formlar arası geçiş yapabilir; buna kabaca enerji dönüşümü adı verilir. Bu enerji dönüşümündeki temel olay enerjinin asla kaybolmamasından sadece form değiştirmesinden kaynaklıdır. Hâl böyle olunca, bir enerji dönüşümünden bahsediyorsak ve de bu değişimi inceliyorsak, termodinamik yasaları ile haşır neşir olacağız demektir. Burada bütün detaylarına girmeyeceğiz; ancak temel kavramları bilmenizde fayda olduğunu düşünüyoruz.

Enerji değişimini incelediğimiz maddeye sistem, sistem dışında kalan her şeye ise çevre deriz. Bir sistem, çevresi ile enerji alışverişi yapmayabilir (izole sistem) veya yapabilir (açık sistem). Canlı bir organizma, "açık bir sistem" olarak çevresinden enerji alabilir (örneğin ışık enerjisi) ve çevresine enerji aktarabilir (örneğin ısı enerjisi). Alınan ve verilen enerjiler, metabolik reaksiyonları başlatabilir veya reaksiyonların bir sonucu olabilir.

Termodinamiğin birinci yasası, evrenin enerjisinin sabit olduğunu söyler ve dolayısıyla sistemlerde enerji korunduğunu dile getirir. Bir enerji formunun diğer enerji formuna dönüşümünün mümkün olduğunu, fakat sistemin çevresi ile alışverişi sırasında enerjinin toplamında bir kaybın olmayacağını ifade eder. Bir bitki hücresi çevresinden ışık enerjisini alır, bir dizi reaksiyon sırasında bu enerjiyi kimyasal enerji olarak görürüz. Fotonlardan ne kadar enerji elde edilmiş ise, aynı değerde kimyasal enerji olmalıdır. Fotosentez yapan bir organizma, bir enerji üreticisi değil, dönüştürücüsüdür. Aynı yasa, benzer bir mekanizmayla vücudumuza aldığımız besinlerdeki organik kimyasal enerjinin hareketimizin kinetik ve ısı enerjisine dönüştürülmesini sağlar. Bu bakımdan bizler de birer enerji dönüştürücüsüyüz!

Bir Tepkimenin Kendiliğinden Gerçekleşip Gerçekleşmediğini Nasıl Anlarız?

Bir tepkimenin kendiliğinden gerçekleşip gerçekleşmeyeceği hakkında yorum yapabilmemiz için, tepkimenin serbest enerji değişimini bilmemiz gerekir. Örneğin bir tepkime gerçekleşirken, enerjinin bir kısmının ısı olarak kaybedildiğinden söz etmiştik. Isı ile kaybedilmeyen enerji ise, tepkimenin ilerlemesi için kullanılır. İşte bu enerji, bir sistemin serbest enerjisidir (Gibbs serbest enerjisi olarak da karşımıza çıkabilir). Bir sistem değişikliğe uğradığında, örneğin bir kimyasal tepkime sırasında gerçekleşen serbest enerji değişikliğini hesaplayarak, tepkime için yorumda bulunulabilir.

Bir kimyasal tepkime için $\Delta G$ (serbest enerji değişimi):

$\Delta G=\Delta H-T\Delta S$

Bu denklemde $\Delta H$, entalpi değişimidir. Entalpi; bir maddede depolanan enerjinin tamamıdır. $T$, Kelvin biriminden sıcaklık, $\Delta S$ ise entropi değişimidir. Görüldüğü gibi serbest enerji değişimi, sadece sistem özellikleri kullanılarak hesaplanır.

Tepkimenin kendiliğinden gerçekleşiyor olup olmadığını, serbest enerji değişimi ile anlayabileceğimizi söylemiştik. Yapılan deneyler sonucunda sadece negatif $\Delta G$'ye sahip süreçlerin kendiliğinden gerçekleştiği görülmüştür. Yani ya sistemin entalpisi azalmaktadır ($\Delta H<0$) ya entropisi artmaktadır ($T\Delta S>0$) ya da her ikisi birden gerçekleşmektedir. Bundan yola çıkarak, tam tersi şekilde, $\Delta G$ değeri pozitif olan veya 0 olan olayların kendiliğinden gerçekleşmediğini söyleyebiliriz. Çünkü pozitif bir durum için sistemin ya entalpisi artıyor ya da entropisi azalıyor olmak zorundadır.

$\Delta G$ değerinin negatif olması, sistemin enerji kaybettiği anlamına gelir. Bu durumda daha kararlı bir yapıya ulaştığını ve değişim durumuna daha az yatkın olduğunu söyleyebiliriz. Termodinamiğin ikinci yasası gereği sistemler, daha kararlı olan durumlara ilerleme eğilimi gösterirler. Bu noktada, kimyasal tepkimeleri serbest enerji değişimlerini dikkate alarak sınıflandırabiliriz: Endergonik tepkimeler ve ekzergonik tepkimeler.

Bir ekzergonik tepkime, reaksiyon sırasında çevreye enerji salınımı yapan tepkimedir. Yani olay sırasında enerji kaybeder; $\Delta G$ değeri negatiftir. Solunum denklemini örnek olarak verebiliriz:

$C_6{H}_{12}{O}_6+6O_6\to 6C{O}_2+6H_{2}O$

$\Delta G=-686\text{kcal/mol}$

Endergonik tepkime ise, çevreden enerji alan tepkimedir. Reaksiyonun başlaması ve devam etmesi için enerjiye ihtiyaç duyar. $\Delta G$ değeri pozitiftir ve bu ihtiyacı temsil eder.

Bir tepkime ekzergonik olarak ilerliyor ise, tersinir tepkimesi endergonik olmalıdır. Solunum tepkimesi sonucunda oluşan karbondioksit ve su moleküllerinin, yeni bir tepkime ile (endergonik) glikoz ve oksijene dönüştürülmesi +686 kcal/mol enerjiye ihtiyaç duyar ve kendiliğinden oluşmaz.

Bir organizma kimyasal olarak bir dengeye ulaşmaz; kimyasal denge, iki yönlü bir tepkimede ürünlerin meydana geliş hızının, ürünlerden tekrar tepkimeye girenlerin meydana geliş hızına eşit olduğu durumdur. Hücre içine ve dışına doğru sürekli olarak madde akışı metabolik yolların dengeye ulaşmasını engeller ve böylece hücre canlı olduğu süre boyunca iş yapar. Hücrelerin enerji kaynaklarını bu işleri yapmak için kullanmalarını mümkün kılan en önemli özellik, enerji eşleşmesi olarak da belirtilen, ekzergonik bir süreci yürütmek için endergonik bir süreci kullanmalarıdır.

Buraya kadar anlattıklarımız; organizmanın metabolik faaliyetleri olan biyokimyasal tepkimelerin hangi yasalar dahilinde, nasıl gerçekleştiğine dair fikir sahibi olmamıza yardımcı olacaktır. Fakat bütün bunlar bir organizma içerisinde biraz yardım olmadan devamlı bir düzen içerisinde gerçekleşmemektedir. Bu yardımı, organizma için önem arz eden enzim adlı biyolojik katalizörler yapar.

Burada şunu vurgulamakta fayda vardır: Serbest enerji değişimi kısmında bahsedilen yasalar bir tepkimenin hızı hakkında bir şey söylemez. Bir ekzergonik tepkime kendiliğinden gerçekleşebilir pekâlâ; ama tepkime hızı fark edilemeyecek kadar yavaş da olabilir. Örneğin sükrozun (çay şekeri) hidrolizi ekzergonik bir tepkimedir, serbest enerji salınımı ile gerçekleşir. ($\Delta G$ = -7kcal/mol) Fakat steril bir suda oda sıcaklığında yıllarca kalabilir. Bu çözeltiye az miktarda uygun enzim (sükraz) eklenirse birkaç saniye içinde hidroliz tepkimesinin gerçekleştiğini görürüz.

Enzime İhtiyaç Duyulmasının Sebebi Nedir?

Moleküller, doğaları gereği bulundukları ortamda birbirleri ile çarpışarak etkileşir. Bu çarpışmalar sonucunda belli enerjiler açığa çıkar. Açığa çıkan enerji, bir tepkimenin gerçekleşmesine yetecek kadar olmayabilir; bu nedenle yeni bağların oluşumu veya yıkımı gerçekleşemez. Enzimlerin, tepkimenin gerçekleşmesi için gereken bu enerjiyi azalttığından bahsetmiştik. Bu, bizi şu sonuca götürür: Bir tepkimenin eşik enerjisi (tepkimenin gerçekleşmesi için gereken enerji) ne kadar büyükse, ürün verecek olan çarpışma sayısı enerjinin büyüklüğüyle ters orantılı olacak şekilde az miktarda, buna bağlı olarak tepkime de o kadar yavaş olacaktır.

Bir tepkimenin ekzergonik olduğu halde yavaş gerçekleşebileceğinden bahsetmiştik. Bu bize, tepkimenin aktivasyon enerji hakkında bilgi verir: enerji değeri yüksektir. Moleküller, bu enerji değerlerine çevrelerinden ısı enerjisi soğurarak ulaşırlar: yavaş veya hızlı. Enerji soğurdukça daha sık ve güçlü çarpışmaya başlarlar ve bağlarını kırmaya daha müsait bir hal olan kararsız hale bürünürler. Kararsızlaştıkça da daha kararlı bir hal alma eğiliminde olurlar; yeni bağlar kurmak isterler. İşte bu durumdaki tepken maddelere transmisyon durumunda denir.

Bu bilgiden yola çıkarak şunu düşünebilirsiniz: "Eğer tepkimenin gerçekleştiği ortamın sıcaklığı artırılırsa, tepkenler eşik değerlerini aşar böylece tepkime hızlandırılabilir." Bu doğru bir düşünce olabilir. Laboratuvarda böyle bir uygulama ile tepkime hızını artırabilirsiniz; ancak canlı bir hücre için bu iki sebepten ötürü geçerli olmayacaktır:

• Biyomoleküllerin serbest enerji miktarı fazladır, kendiliğinden bozulma eğilimi gösterirler. Termodinamik yasaları da yıkılmalarını destekler; fakat bu belirli sıcaklıklardan sonra gerçekleşir. Belirli sıcaklıkların üstüne çıkmak moleküler kararlılıklarını değiştirerek, yapılarının bozulmasını sağlar. Bu duruma moleküler denatürasyon denir.
• Sıcaklığı artırmak, spesifik tepkimeler için hız artımını sağlamayacaktır. O an için ortamda bulunan ve tepken olma potansiyeli taşıyan her molekül için eşit miktarda çalışacaktır.

Bu temel iki sebep bakımından bir organizma, sıcaklık artışını değil katalizörleri, özellikle de enzimleri kullanır.

Enzimler, bir tepkimenin eşik enerjisini düşürdüğünde, normal sıcaklıklarda tepkimenin hızlanmasını sağlar; fakat bunu yaparken bir tepkimenin serbest-enerjisini değiştirmez. Bir diğer ifadeyle enzimler, endergonik bir tepkimenin ekzergonik olmasını sağlayamaz; sadece gerçekleşme oranını hızlandırır. Dinamik bir metabolizma sağlayarak, metabolik yollardaki trafiği azaltır. Etki edeceği maddeye -ki bu maddelere substrat denir- karşı çok seçici olduklarından, yani kimyasal evrim sürecinde fazlasıyla özelleşmiş olduklarından, hangi kimyasal süreçlerin o an için gerçekleşeceğini denetlemiş olurlar.

Substrat-enzim ilişkisi yüksek özgüllük gösterir. Her enzimin etki edeceği substrat bellidir. Aralarındaki ilişkinin anlaşılması için kullanılan benzetme gayet yerinde ve açıkayıcıdır: Anahtar-kilit uyumu. Bu özellikleri sayesinde kendi substratına çok benzeyen maddeleri bile ayırt edebilir ve özgül tepkimeleri başlatabilir.

Ders Sarayı

Enzim, Substratını Nasıl Tanır?

Bir enzimin kendi substratını tanımasında en etkin şey enzimin yapısal özellikleridir. Bir enzimin protein temelli bir molekül olduğundan bahsetmiştik. Proteinler ise, amino asitlerden sentezlenmiş polimerlerdir. Her amino asidin merkezinde bir karbon atomu (C) ve buna bağlı olan; bir karboksil grubu (COO^-), bir amino grubu (NH₃⁺), H atomu ve kendine özgü bir yan grubu (R grupları) bulunur. Bir amino asidi diğerinden ayıran, işte bu yan gruplarıdır. Amino asitlerin yan gruplarının kendine has kimyasal özellikleri, proteinin yapı ve işlevindeki rolünü belirler. Yan gruplar hidrofobik (su ile etkileşmeyen) yapılar olup, proteinlerin su ile temas etmeyen iç bölgelerinden yer alırlar.

Bir protein zinciri, amino asitlerin birbirleri ile bağlanmaları sayesinde oluşur. Bir amino asidin amino grubu ile bir diğerinin karboksil grubu arasında peptid bağlarının kurulmasıyla amino asitler, amino ucundan karboksil ucuna doğru dizilir. Bunun sonucunda bir polipeptid zincirinde yüzlerce hatta binlerce amino asit bulunabilir. Bir proteinin amino asit dizilimi, işlevi için önemli olan unsurlardır biridir ama işlevleri için kritik olan asıl şey üç-boyutlu yapılarıdır.

Proteinin yapısal ilk aşaması, birincil yapı da denen, amino asit dizilimleridir. İkincil yapısı ise dizilimdeki amino asitlerin belirli lokasyonlarda etkileşmeleri ile kıvrımlı bir şekil almasıdır. Üçüncü yapısı ise zincirde bulunan yan grupların birbirleri ile rastgele etkileşmeleri ile oluşur. Bunun sonucunda zincirde katlanmalar meydana gelir. Bu yapı oluşurken hidrofobik moleküller proteinin iç bölümlerinde, hidrofilik (su ile etkileşebilir) moleküller ise su ile temas eden yüzey bölgelerine yerleşir. Son aşamadaki yapıya kuarterner yapı denir ve birden fazla polipeptid zincirinin etkileşimi ile meydana gelir. Tüm dizilimler ve katlanmaların ardından fonksiyonel özellik kazanan proteinler enzim olarak hücre içerisinde görevine başlar.

Biyoteknolojik İlaçlar

Substratın, enzim ile etkileştiği bölgeye aktif bölge denir ve birkaç amino asit diziliminden oluşur. Bu dizilim, substratı ile arasındaki özgüllüğü belirler. Enzimin bu spesifik bölgesi dışında kalan kısımlar tepkimede rol almak yerine, enzimin yapısını destekleyen bir iskelet gibi iş görür. Enzimin aktif bölgesi substratı ile etkileşirken katı bir molekül gibi davranmaz; belli bir esnekliğe sahiptir, dizilimlerini değiştirebilir. Aktif bölgedeki amino asit dizilimlerindeki ufak farklılık serbest enerjideki bir farklılığa denk gelir.

Fikir

Substrata en uygun biçim, en düşük enerjili yapı olmak zorunda değildir. Bu yüzden enzim substratına uygun olacak biçimi çok kısa sürede oluşturup, substratına bağlanabilir. Substrat, aktif bölgeye bağlanınca amino asitlerin yan zincirleri ile substrat arasındaki etkileşimler enzimin biçimini hafifçe değiştirir; böylece enzim substratını da daha iyi sarar. Bu duruma indüklenmiş uyum adı verilir ve kataliz yeteneğini artırır.

Aktif bölgeyi oluşturan amino asitlerin R grupları, substratın ürüne dönüşümünü sağlar ve ürün aktif bölgeden ayrılır. Bu süreç o kadar hızlı ilerler ki, tek bir enzim, saniyeler içinde binlerce substrat ile etkileşebilir ve bu tepkimeden moleküler yapılarını koruyarak ayrılırlar. Bir tek enzimin varlığı bile metabolik yolların düzeni ve dinamikliği için çok büyük etki yaratır.

Enzimlerin aktif olarak yer aldığı bu sahnede, tepkimeler çift yönlü de çalışabilir. Bir ürün, her zaman bir tepkimeden kompleks bir molekül olarak ayrılmak zorunda değildir. Proteini amino asitlerine parçalayabildiğimiz gibi, amino asitler ile yeni proteinler de oluşturabiliriz. Bunu belirleyecek olan, tepkimenin serbest-enerjisidir. Enzimler, serbest-enerjinin değerine (pozitif veya negatif olabilir) göre tepkime yönünü belirler, eşik değerine göre de hızlandırır. Moleküler yapısı hakkında bir şeyler biliyor olduğumuz enzimlerin, bu yapılar ile eşik enerjisini nasıl düzenlediği ve tepkimeyi nasıl hızlandırdığını kataliz mekanizmaları sayesinde anlayabiliriz.

Enzimin birden fazla tepkene sahip bir tepkime için çalışmaya hazır olduğunu düşünelim. Bu tepkenlerin tepkimeye başlayabilmeleri için etkileşmeleri gerekir. Bu etkileşme durumu maddeler doğru konumlarda iken gerçekleşecektir. Moleküler seviyede, etkileşecek atomlar doğru konumlarda olmalıdırlar. Örneğin protein sentezi sırasında bir amino asit molekülünün karboksil grubu ile diğerinin amino grubu arasında bağlar kurulur; bir amino grubu ile bir R grubu arasında değil. Bu anlamda enzimler, tepkenlerin doğru konumlarda bulunmasını sağlarlar, onları bu anlamda saracak uygun bir kalıp görevi görmektedirler.

Biyoloji Dersim

Bir molekülün transmisyon durumundan bahsetmiştik; hatırlatmak adına, daha yüksek enerjili olan moleküller daha kararsız haldeydiler. Bu durumdaki bir madde yeni bağlar oluşturmaya müsait bir durumdadır. Enzimler de substrat moleküllerinin bu duruma ulaşmalarını kolaylaştırır. Aktif bölgelerinde sarılı durumda oldukları substratlarının tepkime sırasında kırılacak olan bağlarının üzerine baskı yapıp, esnetebilirler. Substratlarının bağlarını esneterek, moleküler biçimlerini değiştirir ve onları transmisyon durumlarına yaklaştırırlar. Bağı kırma güçlüğü arttıkça, eşik enerjisinin arttığını söylemiştik. Çünkü molekülün bu bağı kırması için çevreden enerji soğurması gerekir. Enzim bir katalizör olarak bu noktada, soğurulması gereken enerji miktarını da azaltır.

Enzimler tepkime için gerekli olan mikroçevreyi oluşturur. Bir enzimin aktif bölgesini oluşturan amino asitlerin asidik R gruplarına sahip olduklarını varsayalım. Bu bölge düşük pH değerine sahip bir cep oluşturur. Bu enzimin kullanıldığı bir tepkimede, katalizde önemli bir adım olan H⁺ aktarımını kolaylaştırabilir.

Enzimler Neden Tepkimeden Değişmeden Çıkar?

Enzimler, tepkime esnasında maddeler ile kalıcı kimyasal etkileşimler kurmazlar. Kurdukları olası bir senaryo için o tepkimenin serbest enerji miktarının değişmesi gerekir, ki bu özellik değişmezdir. Kısaca enzim ve substrat arasında geçici ilişkiler kurulur. Bu durumu şöyle düşünebiliriz:

Isınma ihtiyacınızı şömine ile karşıladığınızı düşünün. Şöminenin sizi ısıtabilmesi için yakılması gereken maddenin ateş ile buluşması gerekir. Bu madde sizin yardımınız olmadan, ateşe doğru hareket edip, yanmayacaktır. Sizin geçici bir etki rolüne bürünerek maddeyi tutmanız ve ateş ile buluşturmanız gerekir. Madde, ateşe ulaşması gereken yolu yardımınız ile kat etmiş olur, yanmaya başlar. Siz ise bu etkileşimden, etkileşme olmadanki haliniz ile ayrılmış olursunuz.

Enzim Aktivitesi Belirleyen Unsurlar

Enzimler, fizik ve kimya yasaları dahilinde çalışarak bir tepkimeyi etkiler ve biyolojik olayları düzenler. Aynı zamanda çevrelerinden yine bu yasalar dahilinde etkilenirler. Bir enzimin aktivitesini (ne kadar etkin çalıştığını), çevresinde onu etkiyebilecek koşulları yaratan faktörler belirler. Bir molekülün kararlı bir yapıda kalmasını sağlayan çevresel koşullar o molekül için optimum koşulları oluşturur.

Moleküller sahip oldukları kimyasal özelliklerini optimum koşullar sağlandığında stabil bir halde koruyabilmektedirler. Bir molekül için oda sıcaklığı optimum bir koşul iken, bir başkası için bir eşik değeri olabilir. Haliyle oda sıcaklığı eşit değeri molekül kararlı bir yapıda bulunmayacaktır.

Sıcaklık

Sıcaklığı artırarak bir tepkimenin eşik değerine kolayca ulaşmasını sağlayıp, tepkimeyi hızlandırabileceğimizden bahsetmiştik. Bu sıcaklığı ne kadar artırmak gerektiği, molekülle bağlıdır. Molekülü oluşturan atomlar veya moleküller arasındaki bağlar ne kadar kuvvetli ise, bozması da o kadar zor olur. Bir enzim için de bu geçerlidir. Bulunduğu ortamda enzimler, kendi kararlı yapılarını koruyacakları sıcaklıklarda çalışırlar; bunun için belirli bir aralıkları vardır.

Sıcaklığı artırmak, tepkimenin eşik değerini düşürüp, enzimin işini bir yere kadar kolaylaştırır. Fakat sıcaklığı artırmaya devam etmek, sadece substratı değil, enzimi oluşturan moleküller arasındaki bağları da etkiler; bu bağların sıcak arttırılmasına bağlı olarak zamanla kırılmaya başlamasını sağlar. Bu sebeple de enzimlerin çalışabildiği maksimum sıcaklıklar vardır.

Our Boox

Tüm bunlara ek olarak düşük sıcaklıklar da enzimlerin çalışmasını etkiler. Termodinamiğin üçüncü yasasını hatırlayın: Bir sistemi soğutmaya başlamak (sistem, bu durum için bir enzimdir) entropisini düşürmeye başlamak demektir. Sistemi soğuttukça mutlak sıfıra yaklaştırırsınız. Bu durumda da aktivitelerinin yavaşlayarak durma noktasına gelmesi söz konusu olur. Dolayısıyla enzimlerin de aktif oldukları bir minimum sıcaklık değeri vardır. Bu sıcaklığın altına her düştüğünde aktifliği de bir o kadar azalır.

Enzimin en aktif olduğu sıcaklıklar 35^o-40^o santigrat derece olarak kabul edilir. Ağırlıklı olarak çevremiz gözlemlediğimiz yaşam için uygun olan sıcaklıklar olduğunun farkına varmışsınızdır. Tabii bazı canlılar, örneğin termofilik bakteriler, bu duruma bir istisna olabilir.

pH (Power of Hydrogen)

Bir enzimin protein, proteinin de bir amino asit polimeri, bir amino asidinde merkezdeki karbon atomuna bağlı olan gruplarından oluştuğundan bahsetmiştik: hatırlatmak adına bir karboksil (COO^-), bir amino grubu (NH₃⁺), bir H atomu ve de bir R grubu. Bu gruplar görüldüğü gibi eksi ve artı işaretler ile gösterilir; bunlar iyonik yapılı olduklarının göstergesidir. Bu durum da amino asitlerin asidik veya bazik olma durumunu belirler.

Ortam pH değerinin değişmesi, amino asitlerin asidik ve bazik özelliklerini, aktif bölgedeki durumlarını etkiler. Bu bölge bir substratın bağlanması ve tepkimenin kaderini belirlemesi açısından önemlidir. Bu bölgedeki amino asitlerin pH'ı ortamın pH değerinden etkilenir, substarın bağlanmasını zorlaştırır.

Bunun dışında değerleri fazlaca arttırmak, sıcaklıkta olduğu gibi, sadece substrat ilişkisini değil enzimi de etkileyerek denatüre eder. Enzimlerin büyük çoğunluğu için bu aralık, pH skalasında 6-8 değerlerine denk gelir. Tabii bazı ortamlar için istisnalar yer almaktadır (örneğin midemizde aktif olan pepsin enzimi 2 pH değerinde çalışır).

Mineral, Tuzlar ve Diğer Maddeler

Birçok enzim katalitik aktiviteleri için protein yapısında olmayan yardımcılara ihtiyaç duyar. Bu yardımcılara kofaktör denir. Bir kofaktör, aktif bölgeye sıkıca bağlı olarak da bulunabilir, substratıyla zayıf-etkileşimli de bağlanabilir. Örneğin bazı enzimler, iyonik formadaki çinko, demir ve bakır kofaktörleri ile çalışır. Enzimin kofaktörü organik bir yapı ise koenzim olarak isimlendirilir; vitaminler de enzimlerin yapısında koenzim olarak görev almaktadır. Kofaktörlerin eksikliği bir enzimin çalışmasını etkileyecektir. Ne de olsa enzimlere katalitik aktivitelerde yardımcı olarak çalışırlar.

Protein yapıda olmayan maddeler her zaman katalitik aktivite için yararlı olmayabilir. Enzim inhibitörleri olarak adlandırılan maddeler, spesifik enzimlere bağlanarak çalışmalarını etkileyebilir. Birçok inhibitör, enzimlere zayıf bağlanarak, enzimin yapısını geri-dönüşümlü olarak etkiler. Bu özellikteki inhibitörlere kompetitif inhibitörler denir. Bağlanacağı enzimin substratına benzer ve aktif bölgeye bağlanır. Bu bölgeyi meşgul ederek substarın etkileşmesini engeller.

E-Okul Tv

Bir de geri-dönüşümlü olmayacak şekilde etki eden inhibitörler vardır ki kompetitif olmayan inhibitörler denir. Aktif bölge yerine enzimin başka kısımlarına bağlanarak, molekülün yapısını değiştirir. Toksinler, bu grup inhibitörler için çok iyi bir örnektir. Metabolik zehirler diyebileceğimiz inhibitörlerin anormal ve zararlı olduğu izlenimini edinmek doğaldır. Fakat metabolik düzenlenmede etkin rol oynayan ve hücrelerde bulunarak inhibitör görevi gören moleküller de vardır.

Bir hücrenin bütün metabolik olayları eşzamanlı çalışırsa kimyasal bir kaos ortamı yaratır, metabolik bir düzenden bahsedemeyiz. Hücre, bu yollarda aktif olan enzimlerin nerede ve ne zaman aktif olacağını kontrol edebilir. Bu moleküller enzim aktivitesini geri-dönüşümlü kompetitif olmayan inhibitör olarak denetler. Aktif olmayan bölgeye zayıf etkileşimli bağlanarak biçimi ve işlevi değiştirir. Bu durum allosterik regülasyon terimi ile ifade edilir. Hücrede bulunan moleküller enzimin regülatör bölgelerine bağlanır. Regülatör molekülün bağlanması proteinin yapısını ve şeklini değiştirir; bu da aktif bölgenin şeklini değiştirir ve enzimin katalitik aktivitesin etkiler.

Enzim ve Substrat Miktarı: Tepkime, Durması Gerektiğini Nereden Bilir?

Bu noktada tepkimeyi sürdüren substat ve enzimlerin varlığında bir tepkimenin substrat tükenmeden önce nasıl durabildiğini merak etmiş olabilirsiniz. Sonuçta vücudumuzdaki tepkimeler, substrat var olduğu sürece devam etmez, eğer öyle olsaydı, birkaç gün içinde bütün enerji kaynaklarımızı tüketir ve ölürdük.

İşte hücrelerin içindeki tepkimeler, buraya kadar anlattığımız yöntemlere ek olarak geribesleme inhibisyonu denen bir yolla da enzim aktivitesini kontrol eder: Metabolik yolun ürünü kendisinin sentezinde rol alan enzimi inhibe eder.

Bunu şöyle düşünün: Bir metabolik yolda bir substrat molekülü olsun (A molekülü diyelim buna). Bir de metabolik yolun sonunda elde edeceğimiz bir molekül olsun (B molekülü). Yolun ilk basamağında A molekülüne özgül olan enzim, A'yı substratı olarak kabul eder ve etkir. Bir dizi reaksiyon sonunda son ürün olarak karşımıza B molekülü çıkar. B molekülünün sayısı bir hücre için yeterli ise, B, bir inhibitör olarak A molekülünün enziminin aktif olmayan bölgesiyle geri dönüşümlü olarak etkileşir ve daha fazla ürün oluşumu durdurulmuş olur. Böylece hücre daha sonra B molekülü ihtiyacını karşılayabileceği A moleküllerinin gereksiz kullanımını engellemiş olur diyebiliriz.

Su Miktarı

Enzimler belirli bir su miktarında aktiftirler. Su yoğunluğu %15'in üstüne çıktığında enzimler çalışmaya başlarlar. Su yoğunluğu belirli bir seviyeye ulaşıncaya kadar tepkimenin hızı da artmaktadır. Belirli bir noktadan sonra su seviyesinin artması enzimatik faaliyeti hızlandırmaz. Su yoğunluğu aşırı artarsa, tepkimenin hızı azalmaya başlar. Bahsini geçirdiğimiz su eksikliğinde enzim çalışmamasını, kurutulmuş bir meyve üzerinde mikroorganizmaların üreyememesine bakarak rahatlıkla anlayabilirsiniz.

Substrat Yüzeyi

Enzimler, substratların dış yüzeyinden etki etmeye başlarlar. Bu nedenle substrat yüzeyi arttırıldıkça tepkimenin hızı da artar. Besinlerin çiğnenerek yutulması sindirimi kolaylaştırdığı söylenir. Bu söylemin temelinde, besinler üzerinde etkili olan parçalayıcı enzimlerin hali hazırda çiğnenerek yüzey alanı arttırılmış substratlara daha hızlı bir şekilde etki edebilmesi gerçeği yatar.

Biyolojici

Enzimlerin Kullanım Alanları

Enzimler uzun yıllardan beri insanlar tarafından çok farklı şekillerde kullanılmışlardır. Özellikle günümüz endüstride kullanılan enzimler genellikle mikroorganizmalardan elde edilmektedir. Mikroorganizmalardan elde edilmelerinin temel sebebi çok kısa süre zarfı içerisinde çoğalabilmesi ve enzim sentezinin kolay kontrol edilebilmesidir.

Günümüzde enzimlerin kullanıldığı alanlar arasında tıp, eczacılık, tarım, hayvancılık, çevre, gıda, kağıt, tekstil, deterjan gibi çok sayıda alan bulunmaktadır. Gıda endüstrisi, enzimlerin ön planda yer aldığı alanlardan biridir. Enzimler, soframıza kadar gelen peynir ve ekmeğin yapımında; et ürünlerinin işlenmesinde; laktozsuz sütün üretilmesinde, bebekler için alerjiyi önleyen mamaların üretiminde, glikoz ve fruktoz şekeri içeren tatlandırıcılarda, alkollü içeceklerin üretimde ve meyve sularının berraklaşmasında sıklıkla kullanılmaktadır.

Fiyat Listesi

Enzimlerin bir diğer en çok kullanıldığı alanlardan birisi de deterjan endüstrisidir. Deterjanlar, kullanıldıkları alana göre yapısı değişen karmaşık karışımlardır. Her ne kadar karmaşık olsalar da deterjan üretimde özellikle sindirim enzimleri önemli bir yer tutar. Protein, yağ ve nişastalı artıkları parçalamak için bulaşık ve çamaşır deterjanlarına enzim eklenir. Bulaşık deterjanlarında kullanılan enzimlerin bu enzimlerin temel kaynağı bakteri ve mantarlardır. Bu örnekler fazlasıyla çoğaltılabilir.

Sonuç

Anlatımlarımız yer yer kafanızı karıştırmış olabilir; fakat hücreyi binlerce farklı enzim ve substratın gelişigüzel doluştuğu bir kimyasal bileşik çorbası olarak görmeyin! Hücre, belirli bölümlere ayrılmış, hücresel yapıları ile metabolik yolları düzenleyen bir organizmadır. Enzimleri de organizasyonlar içerisinde doğru yollar ile düzenlerler. Bir enzimin ürünü, bir başkasının substratı olabilir.

Bazı enzimler hücrenin belirli kısımlarına yerleşerek, belirli hücresel zarların yapısında bulunabilirler. Bazıları zarla çevrili ökaryotik organellerin içinde çözünmüş olarak bulunabilir. Örneğin, ökaryotik hücrelerin solunum enzimleri mitokondrilerde belirli kısımlara yerleşik halde bulunurlar.

Canlılar, canlılıklarının devamı için organizasyonlarını kimyasal olaylar ile belirli yasalara uyum içerisinde gerçekleştirmeli, bir metabolizmaya sahip olmalıdır. Metabolik yollarını düzenlemeli, bunun için de enzimlere ve katalitik özelliklerine ihtiyaçları vardır.