Enzimlerin Genel Özellikleri, Sınıflandırılması ve Fonksiyonları Yrd. Doç. Dr. Bekir Engin Eser Zirve Üniversitesi EBN Tıp Fakültesi Tıbbi Biyokimya A.B.D. Proteinlerin Enzim Olarak Görevleri •  Proteinlerin en önemli fonksiyonlarından biri biyokimyasal reaksiyonlarda katalizör görevi görmeleridir •  Bu proteinler enzim olarak adlandırılırlar •  Protein haricinde bazı RNA yapıları da katalizör görevi görür ve enzimlerin içinde yer alır hOp://cnx.org/contents/585c4d6a-­‐0aca-­‐465c-­‐97d0-­[email protected]:15 Introduc_on to Anatomy & Physiology Stelios Kolomvounis Enzimler: Biyolojik Katalizörler •  Katali_k ak_viteye sahip biyolojik moleküllerdir •  Birçoğu protein olmakla beraber bazıları RNA yapısındadır •  Reaksiyon hızlarını 107 kata kadar hızlandırabilirler •  Belirli moleküllere (substratlar) karşı spesifiklikleri vardır •  Normalde aşırı koşullarda meydana gelecek reaksiyonların, vücut koşullarında (daha yumuşak koşullar) olmasını sağlarlar •  Reaksiyon esnasında değişikliğe uğrasalar da reaksiyon sonunda ilk hallerine dönerler •  Birçok enzim metal kofaktörleri ve koenzimleri kullanır hOp://en.wikipedia.org/wiki/File:GLO1_Homo_sapiens_small_fast.gif Free Energy Ac1va1on energy Reactants Products Progress of the reac1on Enzimler •  Biyolojik katalizördürler Hız sabi_ ürün enzim (&kofaktör) substrat Enzim-­‐substrat kompleksi ü  Enzimler substrat molekülleri üzerine etki ederek onlar üzerindeki transformasyonların vücut koşullarında ve gereken çabuklukta olmasını sağlarlar ü  Enzimler seçicidirler, ancak belirli bir molekül yapısında bulunan substratlar üzerinde verimli şekilde çalışırlar Enzimlerin Genel Özellikleri •  1) Katali1k Etki: Reaksiyonlarda 107 kata kadar hız arlşı sağlar •  Genelde enzimler 2-­‐1000 s-­‐1 aralığında dönüşüm sayısına sahip_rler (turnover number). •  “Turnover number” bir enzim molekülünün belirli bir zaman diliminde ürüne çevirdiği substrat molekülü sayısıdır 1) Lock and key model (anahtar kilit modeli) •  2) Ak1f Bölge (merkez): Enzim molekülü, genelde iç kısmında özel bir cep içerir (ac_ve site) •  Bu kısım amino asitlerin substrat molekülünün bağlanmasına uyacak biçimde şekil almasıyla oluşmuştur •  Enzime spesifik özelliğini kazandıran ak_f bölgenin sadece belirli bir substral etkin şekilde bağlamasıdır Esnek olmayan “rigid” ak_f bölge 2) Induced Fit (indüklenmiş uyma) modeli Esnek ak_f bölge hOp://wps.pearsoned.com.au/sf2_2/134/34366/8797829.cw/content/index.html hOp://biochemistryques_ons.wordpress.com/2008/07/15/induced-­‐fit-­‐model-­‐of-­‐enzyme-­‐substrate-­‐interac_on/ •  3) Spesifik olmaları: •  Her enzimin spesifik olduğu substratlar bulunur •  Enzim ak_f bölgesi sadece bir veya birkaç substrat molekülünün reaksiyonunu katalizler •  Bu seçicilik özelliği enzimlerin ih_yaç dışı reaksiyon katalizlemelerini de engeller •  Spesifiklik 1) ak_f bölgeye bağlanma düzeyinde veya 2) reaksiyona girme düzeyinde olabilir (inhibitör) hOp://droualb.faculty.mjc.edu/Course%20Materials/Physiology%20101/Chapter%20Notes/Fall%202011/chapter_3%20Fall%202011.htm •  4) Kofaktör ve koenzime ih1yaç duymaları: •  Birçok enzim ak_viteleri için protein yapıda olmayan maddelere ih_yaç duyarlar •  Kofaktörler: metal iyonlarıdır (demir, bakır, çinko). Genelde ak_f bölgeye sıkıca bağlıdırlar •  Koenzimler: Genelde kompleks yapıdaki organik moleküllerdir, vitaminler ve vitamin türevleri bu gruptandır. •  Bazıları ak_f bölgeye sıkıca veya kovalent olarak bağlı (proste_k grup) iken bazıları ise sadece kataliz esnasında bağlanıp ayrılırlar Apo enzim – kofaktör/koenzim bağlanmamış durum Holo enzim – kofaktör/koenzim bağlı durum hOps://adapaproject.org/bbk/_ki-­‐index.php?page=Leaf%3A+How+do+proteins+and+RNAs+control+cellular+chemical+reac_ons%3F •  5) Regülasyonları: (Ak_vite düzenlenmesi): Enzim ak_viteleri regüle edilebilir •  Enzimin regülasyonu değişik şekillerde olabilir: •  1) ak_f bölge haricindeki diğer kısımlara bağlanan küçük moleküllerle (allosterik kontrol), geri dönüşümlüdür •  2) substrat yerine bağlanan inhibitörler aracılığıyla da olabilir (feedback inhibi_on) •  3) Enzim üzerindeki bir kısım aminoasitler üzerinde yapılan değişikliklerle (fosforilasyon gibi) •  4) Ayrıca enzim üre_mi gen ekspresyonu seviyesinde de regüle edilebilir Enzimlerin Çalışma Şekli Enzimler reaksiyonun ak_vasyon enerjisini düşürerek kataliz (hızlandırma) gerçekleş_rirler hOp://classes.midlandstech.edu/carterp/courses/bio225/chap05/lecture2.htm Enzimler genelde tepkimeleri birçok ara ürün üzerinden çok basamaklı hale ge_rerek katalizlerler hOp://en.wikipedia.org/wiki/Catalysis ENZİMLERİN KATALİZ HIZINA ETKİ EDEN FAKTÖRLER
Kataliz Hızı, birim zamanda oluşan ürün ya da kaybolan
substrat miktarıdır (turnover number)
Enzimle katalizlenen reaksiyonların hızını etkileyen
faktörler:
1.Enzim Konsantrasyonu
2.Substrat Konsantrasyonu
3.Sıcaklık – organizmalara göre farklılık gösterir
4.pH – her enzimin optimum çalışma pH’ı vardır
1) Enzim Konsantrasyonu •  Enzim konsantrasyonu arttıkça reaksiyon hızı
artar – substrat konsantrasyonunun yüksek
olduğu durumlarda
2.SUBSTRAT KONSANTRASYONU
- Enzimle katalizlenen bir reaksiyonun hızı (V), ortamda enzim
konsantrasyonunun sabit olması şartıyla, substrat
konsantrasyonu ile [S] birlikte hızla artar – Vmax değerinde artış
durur
VMAX V VO [S] Çünkü bütün enzim molekülleri substrat molekülleri ile bağlanmış
(doymuş) haldedir.
3.SICAKLIK
- Enzimle katalizlenen bir reaksiyonda sıcaklığın yükselmesi
reaksiyon hızının artışını sağlar
-Ancak enzimler protein yapısında maddeler olduklarından, belirli bir
ısı derecesinden itibaren (40-45ºC) enzimin denatürasyonu (bozunması) meydana
gelir
(reaksiyon hızında da bir azalma olur)
Optimum Sıcaklık:
§  Enzimin katakiz hızının en yüksek olduğu sıcaklıktır (turnover number)
§  Bu ısı derecesi, reaksiyon hızını maksimuma çıkarırken, daha
ilerisinde enzimin denatürasyonuna yol açar
Genellikle, başlangıçta sıcaklığın her 10 ºC artışı, reaksiyon hızının iki
katına çıkmasını sağlamaktadır.
4. pH
Enzimatik reaksiyonların kataliz hızı ortamın H+ iyonu
konsantrasyonundan etkilenir
§  Enzim etkinliğinin en yüksek olduğu pH , optimum pH’dır.
enzima1k ak1vite b a pH 4 5 6 7 8 9 10 a) Dar sınırlar içinde etkiyi gösteren çan eğrisi
b) Geniş sınırlar içinde etkiyi gösteren plato eğrisi
Genelde enzimlerin optimum pH’ı 5-8 arasında değişmektedir.
Op1mum etki Enzima1k ak1vite Op1mum etki 4 6 8 10 12 TRİPSİN pH 2 3 4 5 6 7
PEPSİN pH pH değişikliklerinin enzimatik aktivite üzerindeki çeşitli etkileri
- Ortamın çok yüksek ve çok düşük pH düzeyleri, enzimin
denatürasyonuna
yol açarak, yapısında geri dönüşümsüz değişiklikler yapar.
- 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.
- pH değişikliklerinden substratın da iyonizasyon durumu da
etkilenebilir.
ENZİM KİNETİĞİ Reaksiyon Hızı (v):
Enzim etkisiyle birim zamanda kaybolan substrat miktarı veya
oluşan ürün miktarı ile ölçülür.
Dönüşüm sayısı (Turnover number)
Optimum reaksiyon şartlarında, 1 molekül enzim tarafından birim
zamanda (saniye veya dakika) ürüne dönüşen substrat miktarıdır.
Spesifik Enzim Aktivitesi:
mg protein başına düşen enzim aktivitesidir
Enzim kinetiği
E+S
k1
k-1
ES
kcat
E + P ES hem oluşuyor, hem de yıkılıyor, ancak bu
iki işlem dengede ve ES konsantrasyonu
değişmiyor
‘steady state’ kararlı denge durumu
Michaelis-­‐Menten Denklemi Michealis – Menten Denklemi
• 
Km, Vmax’ın yarısı hıza karşılık gelen substrat
konsantrasyonu ve enzimin substratına olan afinitesini
belirtir
• 
Km değeri düştükçe enzimin substratına olan afinitesi
artar
• 
Km büyüdükçe enzimin substratına olan affinitesi azalır
• 
Vmax / Km değeri bir enzimin verimliliğini belirtir (enzyme
efficiency or catalytic efficiency) – bu değerin büyüklüğü
enzim verimliliğinin de yüksek olduğunu gösterir
• 
Genelde enzimler veya substratlar karşılaştırılırken
Vmax / Km değeri kullanılır
Michealis – Menten Grafiği hOp://commons.wikimedia.org/wiki/File:Michaelis-­‐Menten_satura_on_curve_of_an_enzyme_reac_on.svg Lineweaver-­‐Burk Grafiği •  Hiperbolik bir eğri veren Michaelis-­‐Menten eşitliği her iki tarazn tersi alınarak doğrusal bir şekle dönüştürülebilir (Double-­‐reciprocal plot) •  Özellikle inhibisyon çeşitlerinin belirlenmesinde kullanılır Michaelis-­‐Menten Denklemi Enzim Ak_vitesinin İnhibisyonu •  Enzima_k bir tepkimenin hızının inhibitörler tarazndan azalllması veya tamamen durdurulmasıdır •  İnhibitörler genellikle substrat büyüklüğündeki moleküllerdir hOp://www.elmhurst.edu/~chm/vchembook/573inhibit.html uncompe__ve 1) Kompete_f (Yarışmalı) İnhibisyon (Compe__ve Inhibi_on): •  İnhibitör (I) molekülünün enzim ak_f merkezine bağlanmak için substrat ile yarışlğı inhibisyon çeşididir •  İnhibitör yapısal olarak substrat ile benzerlik gösterir •  İnhibitörün enzim ak_f merkezine bağlanması tersinir (reversible) olarak gerçekleşir •  Km büyür, Vmax değişmez •  Örnek: Süksinat dehidrogenaz enzimi Substrat: HOOC-­‐CH2-­‐CH2-­‐COOH (Süksinik asit) Kompete_f İnhibitör: HOOC-­‐CH2-­‐
COOH (Malonik asit) hOp://elte.prompt.hu/sites/default/files/tananyagok/prac_cal_biochemistry/images/1cf9e9bb.jpg 2) Non-­‐Kompete_f (Yarışmasız) İnhibisyon (Non-­‐compe__ve): •  İnhibitör, substraln bağlandığı ak_f merkezden daha farklı bir bölgeye tersinir olarak bağlanır •  Bundan dolayı substrat ile inhibitör arasında aynı bölgeye bağlanmak için bir yarış olmamaktadır •  Substrat ve inhibitör yapısal olarak benzerlik göstermemektedir •  Km değişmez, Vmax azalır hOp://images.tutorvista.com/content/cellular-­‐macromolecules/noncompe__ve-­‐inhibi_on-­‐process.jpeg 3) Ankompete_f (Uncompe__ve) İnhibisyon: •  İnhibitör serbest enzim (E) yerine sadece ES kompleksine bağlanabilmektedir •  İnhibitör ak_f merkezden farklı bir yere bağlanmaktadır •  İnhibisyon sonucu hem Vmax hem de Km değeri azalmaktadır hOp://elte.prompt.hu/sites/default/files/tananyagok/prac_cal_biochemistry/ch09s04.html İrreversible (Geri dönüşümsüz) İnhibitörler •  Enzim ile kuvvetli kovalent bağ oluşturan inhibitörlerdir •  Oluşan kovalent bağın etkisi substrat eklenmesiyle tersine döndürülemez •  Bu bağ ak_f merkezde veya ak_f merkezden uzakta olabilir •  Eğer substrat benzeri bir molekül (substrat analoğu) ak_f merkeze bağlanacak olursa bu durumdaki irreversible inhibisyona “in_har (suicide) inhibisyonu” (mekanizmaya dayalı inhibisyon) denir hOp://nptel.ac.in/courses/104103018/module3/lec2/images/15.png İrreversible İnhibisyon Substrat analoğu Geri-­‐dönüşümsüz bir şekilde inak_ve olmuş enzim ak_f merkezi “dead-­‐end complex” hOp://chemwiki.ucdavis.edu/Organic_Chemistry/Organic_Chemistry_With_a_Biological_Emphasis/Chapter_06%3A_Introduc_on_to_organic_reac_vity_and_catalysis /Sec_on_6.5%3A_How_enzymes_work •  Birçok ilaç irreversible inhibitör grubuna dahildir(aspirin, penisilin) •  Örneğin penisilin, bakteri hücre duvarını sentezleyen enzimi irreversible olarak inhibe eder hOp://chemwiki.ucdavis.edu/Organic_Chemistry/Organic_Chemistry_With_a_Biological_Emphasis/Chapter_12%3A_Acyl_subs_tu_on_reac_ons/ Enzim Regülasyonu (Düzenlenmesi) • 
• 
• 
• 
Allestorik Enzimler Kaskat Sistemler/Kovalent Modifikasyon Enzim Sentezinin İndüksiyonu ve Represyonu Proenzimler Allosterik Enzimler •  Allestorik enzimler, ak_f bölge dışında bağlanma merkezleri içeren enzimlerdir •  Bu bağlanma merkezlerine bağlanan maddelere efektör (modülatör) denir •  Allosterik enzimlerde düzenleyici alt birimler bulunabilir (regulatory subunit) •  Pozi_f efektör – enzim ak_vitesini arlran efektörler •  Nega_f efektör – enzim ak_vitesini azaltan efektörler (bir çeşit non-­‐
kompete_f inhibitör) hOp://images.tutorvista.com/content/cellular-­‐macromolecules/allosteric-­‐inhibi_on-­‐process.jpeg Allosterik Enzimler Nega1f Efektör -­‐inhibisyon Pozi1f Efektör -­‐ak1vasyon Allosterik enzimlerin Tepkime hızı – Substrat Grafikleri Geri-­‐Beslemeli İnhibisyon •  Bir metabolik olay sonunda oluşan son ürünün metabolik olayın özellikle başlangıcında yer alan allosterik enzimlerden birine bağlanarak onu inhibe etmesidir •  Burada inhibisyonu gerçekleş_ren son ürün nega1f efektördür •  Bu tür allosterik inhibisyon aynı zamanda heteretropik nega_f koopera_viteye örnek_r hOp://www.uic.edu/classes/bios/bios100/lectures/09_11_feedback_inhibi_on-­‐L.jpg Kaskat Sistemler/Kovalent Modifikasyon •  Enzimlerin diğer bir grup enzimler tarazndan (konvert enzimler) kovalent şekilde modifiye edilerek ak_ve veya inak_ve edilmeleridir •  Fosforilasyon, adenilasyon, ADP-­‐ribozilasyon ve me_lasyon gibi modifikasyonlar bu tür kovalent bağlanmalara örnek_r •  Kinazlar – enzimlere fosforil grubu ekler; •  Fosfatazlar – eklenen fosforil grubunu ayırır Enzim Sentezinin İndüksiyonu ve Represyonu •  Enzimin sentez hızının kontrol edilerek enzim ak_vesinin düzenlenmesidir •  Transkripsiyon ve translasyon seviyesinde bir düzenlemedir (DNA’dan mRNA sentezi ve mRNA’ların okunarak protein sentezlenmesi) •  Mesela glukoz metabolizmasındaki enzimlerin sentezi kandaki glukoz miktarı yükseldiğinde artar Proenzimler •  Bazı enzimler inak_f olarak sentezlenir •  Bu enzimler sadece ak_vite göstermeleri gereken lokasyona ulaşlklarında ak_ve edilirler •  Bu ak_vasyon genelde proteoliz (protein hidrolizi) vasıtasıyla gerçekleşir (proteinin bir kısmının kesilmesiyle) •  Sindirim sisteminde bulunan proteoli_k enzimler bu grup içerisinde yer alır •  Örneğin; pepsinojenin pepsine çevrilerek ak_ve edilmesi (midedeki asit ve pepsin yardımıyla) •  Tripsinojen -­‐ tripsin CYP Enzimleri •  Sitokrom P450 enzimleri olarak da ifade edilen enzim grubudur •  İnsan vücudunda yaklaşık 60 adet farklı CYP enzim çeşidi bulunur •  Karaciğer hücreleri başta olmak üzere birçok hücre çeşidinde bulunur •  Vücudumuzda birçok molekülün sentezlenmesinde ve parçalanmasında (breakdown) görev alırlar CYP Enzimleri •  CYP enzimleri oksido-­‐
redüktazlar (redoks) grubundandır •  Hem grubu içerirler (Demir + porfirin) •  Elektron kaynağı olarak da değişik kofaktörler kullanırlar (NADPH başta olmak üzere) •  CYP enzimlerinin en yaygın ve bilinen reaksiyonu monooksijenaz reaksiyonudur RH + O2 + NADPH + H+ → ROH + H2O + NADP+ pubs.acs.org CYP Enzimlerinin Sentez Rolü •  CYP enzimlerinin bir kısmı steroid hormonlar, birtakım yağlar ve safra tuzları gibi moleküllerin sentezinde rol oynar •  Sentezde rol oynayan CYP enzimleri genelde mitokondrilerde bulunur CYP Enzimlerinin Katabolik Yönü •  CYP enzimlerinin bir kısmı vücuOa bulunan (internal) ve dışarıdan alınan (external) maddelerin parçalanıp metabolize edilmesinde rol oynar •  İç maddeleri parçalayan CYP enzimleri mitokondride, dış maddeleri parçalayan CYP enzimleri ise endoplazmik redikulumda bulunur •  Dış maddeler genelde ilaçları ve çevresel toksik maddeleri kapsar •  VücuOa ilaçları metabolize eden enzimlerin %70-­‐80’I sitokrom P450 (CYP) enzimleridir •  CYP Enzimleri hidroksilasyon gibi oksidasyon reaksiyonlarını katalizleyerek ilaçları metabolize ederler (genelde karaciğerde olur) CYP Enzimlerinin Katabolik Yönü Sitokrom P450 (CYP) Enzimleri Katabolik Rol (molekül yıkımı) İç moleküller (Mitokondride) Anabolik Rol (molekül sentezi-­‐
mitokondri) Dış Moleküller (Endop. Red.) CYP Enzimlerindeki Varyasyonlar (Polimorfizm) •  CYP enzim grubundaki varyasyonlar bu enzimlerin fonksiyonlarını etkiler •  Bu enzimlerin fonksiyonlarındaki farklılıkların en belirgin şekilde yansıdığı olay ilaçların metabolize edilme (yıkılma) olayıdır •  CYP genlerindeki varyasyonlara göre bir insanın ilaçları metabolize etme hızı yüksek veya düşük olabilir CYP Enzimlerindeki Varyasyonlar (Polimorfizm) •  Bir CYP enzimi herhangi bir ilacı düşük hızda metabolize ediyorsa, o ilacın vücuOa ak_f halde kalma süresi artar •  Tam tersine, bir CYP enziminin herhangi bir ilacı parçalama hızı yüksekse bu ilacın vücuOa ak_f kalma süresi azalır •  Bu durum ilaçların dozajının ayarlanmasında önemlidir CYP Enzimlerindeki Mutasyonlar •  Bu enzimlerdeki mutasyonlar CYP enzimlerinin fonksiyonlarını etkiler (enzim ak_vitesi, substrat seçiciliği, substrat afinitesi gibi özellikler etkilenir) •  Bunun sonucunda zararlı maddelerin vücuOan allmalarında problemler olabilir – zararlı madde birikimi •  Aynı zamanda faydalı birtakım moleküllerin sentezinde de problemler oluşur Gene1cs Home Reference includes these condi1ons related to genes in the CYP gene family: 21-­‐hydroxylase deficiency aromatase deficiency aromatase excess syndrome autoimmune Addison disease Bieƒ crystalline dystrophy cerebrotendinous xanthomatosis congenital adrenal hyperplasia due to 11-­‐beta-­‐hydroxylase deficiency cor_costerone methyloxidase deficiency early-­‐onset glaucoma familial hyperaldosteronism Ghosal hematodiaphyseal dysplasia mul_ple sclerosis Peters anomaly vitamin D-­‐dependent rickets hOp://ghr.nlm.nih.gov/geneFamily/cyp İlaçların Metabolize Edilmesi •  İlaçların metabolize edilmesindeki amaç ilaçları detoksifiye etmek ve onların vücuOan allmasını sağlamak-­‐suda çözünür veya yağda çözünür yaparak Faz I Faz 2 First-­‐Pass Metabolizması •  İlaçların sindirim sistemine geç_kten sonra karaciğere geldiklerinde ilk uğradıkları yıkım olayına verilen isimdir (CYP enzimleri tarazndan) •  İnce bağırsakta da birtakım CYP enzimleri olduğu için burada da kısmi “first-­‐pass” metabolizması görülür •  First-­‐pass metabolizmasından geç_kten sonra ilaçlar dolaşıma kallır 
Download

Enzimlerin Genel Özellikleri, Sınıflandırılması ve