Enzimlerin Genel Özellikleri, Sınıflandırılması, Fonksiyonları, Kine8ği ve Regülasyonu Zirve Üniversitesi Yrd. Doç. Dr. Bekir Engin Eser 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 hQp://cnx.org/contents/585c4d6a-­‐0aca-­‐465c-­‐97d0-­[email protected]:15 Introduc8on to Anatomy & Physiology Stelios Kolomvounis Enzimler: Biyolojik Katalizörler •  Katali8k ak8viteye 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 hQp://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 sabi8 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 arkşı sağlar •  Genelde enzimler 2-­‐1000 s-­‐1 aralığında dönüşüm sayısına sahip8rler (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 (ac8ve site) •  Bu kısım amino asitlerin substrat molekülünün bağlanmasına uyacak biçimde şekil almasıyla oluşmuştur •  Enzime spesifik özelliğini kazandıran ak8f bölgenin sadece belirli bir substrak etkin şekilde bağlamasıdır Esnek olmayan “rigid” ak8f bölge 2) Induced Fit (indüklenmiş uyma) modeli Esnek ak8f bölge hQp://wps.pearsoned.com.au/sf2_2/134/34366/8797829.cw/content/index.html hQp://biochemistryques8ons.wordpress.com/2008/07/15/induced-­‐fit-­‐model-­‐of-­‐enzyme-­‐substrate-­‐interac8on/ •  3) Spesifik olmaları: •  Her enzimin spesifik olduğu substratlar bulunur •  Enzim ak8f bölgesi sadece bir veya birkaç substrat molekülünün reaksiyonunu katalizler •  Bu seçicilik özelliği enzimlerin ih8yaç dışı reaksiyon katalizlemelerini de engeller •  Spesifiklik 1) ak8f bölgeye bağlanma düzeyinde veya 2) reaksiyona girme düzeyinde olabilir (inhibitör) hQp://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 ak8viteleri için protein yapıda olmayan maddelere ih8yaç duyarlar •  Kofaktörler: metal iyonlarıdır (demir, bakır, çinko). Genelde ak8f bölgeye sıkıca bağlıdırlar •  Koenzimler: Genelde kompleks yapıdaki organik moleküllerdir, vitaminler ve vitamin türevleri bu gruptandır. •  Bazıları ak8f bölgeye sıkıca veya kovalent olarak bağlı (proste8k grup) iken bazıları ise sadece kataliz esnasında bağlanıp ayrılırlar Apo enzim – kofaktör/koenzim bağlanmamış durum Holo enzim – kofaktör/koenzim bağlı durum hQps://adapaproject.org/bbk/8ki-­‐index.php?page=Leaf%3A+How+do+proteins+and+RNAs+control+cellular+chemical+reac8ons%3F Kofaktörler: Fe2+, Fe3+, Mg2+, Zn2+ , heme grubu (demir + organik grup) Koenzimler: Flavin mononükleo8d (FMN), Niko8n adenin dinükleo8d (NAD), 8yamin (vitamin B1),
Pridoksal fosfat (Vitamin B6’in ak8f hali), heme grubu hQp://lecturer.ukdw.ac.id/dhira/Metabolism/Enzymes.html •  5) Regülasyonları: (Ak8vite düzenlenmesi): Enzim ak8viteleri regüle edilebilir •  Enzimin regülasyonu değişik şekillerde olabilir: •  1) ak8f bölge haricindeki diğer kısımlara bağlanan küçük moleküllerle (allosterik kontrol), geri dönüşümlüdür •  2) substrat yerine bağlanan inhibitörler aracılığıyla da olabilir (feedback inhibi8on) •  3) Enzim üzerindeki bir kısım aminoasitler üzerinde yapılan değişikliklerle (fosforilasyon gibi) •  4) Ayrıca enzim üre8mi gen ekspresyonu seviyesinde de regüle edilebilir Enzimlerin Sınıflandırılması • 
• 
• 
• 
• 
• 
1) Oksido-­‐Redüktazlar (redoks) 2) Transferazlar 3) Hidrolazlar 4) Liyazlar 5) İzomerazlar 6) Ligazlar ve Sentetazlar 1) Oksido-­‐Redüktazlar (redoks enzimleri) tepkimelerini katalizlerler Oksidasyon ve redüksiyon • 
•  Bu enzimler genelde elektron, hidrojen ve oksijen transferi yaparak substratlarını indirger ya da yüksel8rler •  Genelde NAD, FAD, FMN gibi koenzimler bu enzimlerin reaksiyonlarında kullanılır hQp://quizlet.com/16563961/biochem-­‐enzymes-­‐l1-­‐proper8es-­‐flash-­‐cards/ 2) Transferazlar •  İşlevsel bir grubu bir donörden bir akseptöre taşırlar: hQp://quizlet.com/16563961/biochem-­‐enzymes-­‐l1-­‐proper8es-­‐flash-­‐cards/ 3) Hidrolazlar •  Bu enzimler çeştli bağların suyla reaksiyona girerek kopmasını kataliz ederler: 4) Liyazlar •  C-­‐C, C-­‐O, C-­‐N veya C-­‐S arasındaki bağları hidroliz veya oksidasyon yollarından farklı bir şekilde kıran enzimlerdir 5) İzomerazlar •  Bir molekülün atom içeriğini bozmadan molekül içi geometrik ve yapısal değişiklik yapan enzimlerdir İzomerler Stereoizomerler Enan8yomer Yapısal İzomerler Diastereomer 6) Ligazlar ve Sentetazlar •  C-­‐O, C-­‐S, C-­‐N ve C-­‐C arasında bağ oluşumunu sağlarlar •  Kondensasyon reaksiyonlarıdır •  Bu işlem sırasında genelde ATP molekülünün yıkımından açığa çıkan enerjiyi kullanırlar Enzimlerin Çalışma Şekli Enzimler reaksiyonun ak8vasyon enerjisini düşürerek kataliz (hızlandırma) gerçekleş8rirler hQp://classes.midlandstech.edu/carterp/courses/bio225/chap05/lecture2.htm Enzimler genelde tepkimeleri birçok ara ürün üzerinden çok basamaklı hale ge8rerek katalizlerler hQp://en.wikipedia.org/wiki/Catalysis Enzimlerin Kristal Yapısı Homo-­‐octamer •  Two adjacent protomers form a complete ac8ve site Örnek Enzimler ve Reaksiyonları •  Fenilalanin hidroksilaz: •  Fenilalanin amino asidinin 8rozin amino asidine dönüşümünü katalizler •  Oksido-­‐redüktazlar grubundandır ve bir karaciğer enzimidir •  Kofaktör olarak Fe2+ , koenzim olarak ise biopterin kullanır •  Eksikliğinde fenilketonüri hastalığı görülür Fe2+ hQp://openwetware.org/wiki/IGEM:IMPERIAL/2009/Encapsula8on/PKU Süperoksit dismutaz • 
• 
• 
• 
• 
• 
An8oksidan işlevi gören bir enzimdir Süperoksidin oksijen ve hidrojen perokside dismutasyonunu sağlar Oksido-­‐redüktazlar grubundandır Cu/Zn, Fe, Mn veya Ni kofaktörleri bağlayan değişik çeşitleri vardır Yaşlanmayla ilişkilendirilen bir enzimdir Dengeli beslenme bu enzimin fonsiyonunun sağlıklı devam etmesi için önemlidir hQp://textbooko~acteriology.net/nutgro_4.html Tripsin •  Protein sindirimde görevli bir enzimdir, pankreasta üre8lir •  Polipep8d zincirlerini lisin veya arginin amino asidinden sonra (amino tara•ndan) ikiye böler •  Hidrolazlar grubundan bir enzimdir (serin proteaz) •  Herhangi bir kofaktöre ih8yaç duymaz ancak başka bir enzim tara•ndan (enterokinaz) ak8ve edilmesi gerekir hQp://www.liv.ac.uk/~agmclen/Medpracs/prac8cal_3/theory_3.html 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 hQp://commons.wikimedia.org/wiki/File:Michaelis-­‐Menten_satura8on_curve_of_an_enzyme_reac8on.svg Enzim Ak8vitesinin İnhibisyonu •  Enzima8k bir tepkimenin hızının inhibitörler tara•ndan azalklması veya tamamen durdurulmasıdır •  İnhibitörler genellikle substrat büyüklüğndeki moleküllerdir hQp://www.elmhurst.edu/~chm/vchembook/573inhibit.html uncompe88ve 1) Kompete8f (Yarışmalı) İnhibisyon (Compe88ve Inhibi8on): •  İnhibitör (I) molekülünün enzim ak8f merkezine bağlanmak için substrat ile yarışkğı inhibisyon çeşididir •  İnhibitör yapısal olarak substrat ile benzerlik gösterir •  İnhibitörün enzim ak8f merkezine bağlanması tersinir (reversible) olarak gerçekleşir •  Örnek: Süksinat dehidrogenaz enzimi Substrat: HOOC-­‐CH2-­‐CH2-­‐COOH (Süksinik asit) Kompete8f İnhibitör: HOOC-­‐CH2-­‐COOH (Malonik asit) Alkol dehidrogenaz enzimi Substrat: CH3-­‐CH2-­‐OH (ethanol) Kompete8f İnhibitör: CH2(OH)-­‐CH2(OH) (ethylene glycol) hQp://elte.prompt.hu/sites/default/files/tananyagok/prac8cal_biochemistry/images/1cf9e9bb.jpg 2) Non-­‐Kompete8f (Yarışmasız) İnhibisyon (Non-­‐compe88ve): •  İnhibitör, substrakn bağlandığı ak8f 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 hQp://images.tutorvista.com/content/cellular-­‐macromolecules/noncompe88ve-­‐inhibi8on-­‐process.jpeg 3) Ankompete8f (Uncompe88ve) İnhibisyon: •  İnhibitör serbest enzim (E) yerine sadece ES kompleksine bağlanabilmektedir •  İnhibitör ak8f merkezden farklı bir yere bağlanmaktadır •  İnhibisyon sonucu hem Vmax hem de Km değeri azalmaktadır hQp://elte.prompt.hu/sites/default/files/tananyagok/prac8cal_biochemistry/ch09s04.html İrreversible (Geri dönüşümsüz) İnhibitörler •  Enzim ile kuvvetli kovalent bağ oluşturan inhibitörlerdir •  Oluşan kovalent bağın etkisi substrat eklenmesiyle tersine döndürülemez •  Bu bağ ak8f merkezde veya ak8f merkezden uzakta olabilir •  Eğer substrat benzeri bir molekül (substrat analoğu) ak8f merkeze bağlanacak olursa bu durumdaki irreversible inhibisyona “in8har (suicide) inhibisyonu” (mekanizmaya dayalı inhibisyon) denir hQp://nptel.ac.in/courses/104103018/module3/lec2/images/15.png İrreversible İnhibisyon Substrat analoğu Geri-­‐dönüşümsüz bir şekilde inak8ve olmuş enzim ak8f merkezi “dead-­‐end complex” hQp://chemwiki.ucdavis.edu/Organic_Chemistry/Organic_Chemistry_With_a_Biological_Emphasis/Chapter_06%3A_Introduc8on_to_organic_reac8vity_and_catalysis /Sec8on_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 hQp://chemwiki.ucdavis.edu/Organic_Chemistry/Organic_Chemistry_With_a_Biological_Emphasis/Chapter_12%3A_Acyl_subs8tu8on_reac8ons/ Çoklu-­‐substrat (Mul8-­‐substrate) Enzimlerin Kine8ği • 
• 
• 
• 
Birden fazla substrat kullanan enzimlerdir İki substrat genelde en sık görülen çeşididir Bu substratlardan bir kısmı koenzim de olabilir (vitamin koenzimler) Genelde proteine sıkı bir şekilde bağlı olarak bulunan kofaktörler (metal kofaktörleri gibi) substrat olarak sayılmazlar Fenilalanin hidroksilaz 2 substrat ve bir koenzim kullanır Enzim Regülasyonu (Düzenlenmesi) • 
• 
• 
• 
• 
Allestorik Enzimler Protein/Protein Etkileşimleri Kaskat Sistemler/Kovalent Modifikasyon Enzim Sentezinin İndüksiyonu ve Represyonu Proenzimler Allosterik Enzimler •  Allestorik enzimler, ak8f bölge dışında bağlanma merkezleri içeren enzimlerdir •  Bu bağlanma merkezlerine bağlanan maddelere efektör (modülatör) denir •  Allosterik enzimlerde düzenleyici alt birimler bulunabilir (regulatory subunit) •  Pozi8f efektör – enzim ak8vitesini arkran efektörler •  Nega8f efektör – enzim ak8vitesini azaltan efektörler (bir çeşit non-­‐
kompete8f inhibitör) hQp://images.tutorvista.com/content/cellular-­‐macromolecules/allosteric-­‐inhibi8on-­‐process.jpeg Allosterik Enzimler Nega1f Efektör -­‐inhibisyon Pozi1f Efektör -­‐ak1vasyon 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 gerçekleş8ren son ürün nega8f efektördür •  Bu tür allosterik inhibisyon aynı zamanda heteretropik nega8f koopera8viteye örnek8r hQp://www.uic.edu/classes/bios/bios100/lectures/09_11_feedback_inhibi8on-­‐L.jpg Protein/Protein Etkileşimleri •  Bazı proteinlerde regülatör ve katali8k alt birim (subunit) olmak üzere iki çeşit alt birim bulunur •  Regülatör alt birimi, kendisine bağlanan efektörler veya fosforilasyon gibi kovalent değişiklikler ne8cesinde katali8k alt birim ile etkileşerek ak8vasyon sağlanır •  Örneğin sıkı bir şekilde bağlı olan alt birimlerin gevşeyerek ak8f merkezin substrat kabul edecek şekilde açığa çıkması Kaskat Sistemler/Kovalent Modifikasyon •  Enzimlerin diğer bir grup enzimler tara•ndan (konvert enzimler) kovalent şekilde modifiye edilerek ak8ve veya inak8ve edilmeleridir •  Fosforilasyon, adenilasyon, ADP-­‐ribozilasyon ve me8lasyon gibi modifikasyonlar bu tür kovalent bağlanmalara örnek8r •  Kinazlar – enzimlere fosforil grubu ekler; •  Fosfatazlar – eklenen fosforil grubunu ayırır Enzim Sentezinin İndüksiyonu ve Represyonu •  Enzimin sentez hızının kontrol edilerek enzim ak8vesinin 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 inak8f olarak sentezlenir •  Bu enzimler sadece ak8vite göstermeleri gereken lokasyona ulaşkklarında ak8ve edilirler •  Bu ak8vasyon genelde proteoliz (protein hidrolizi) vasıtasıyla gerçekleşir (proteinin bir kısmının kesilmesiyle) •  Sindirim sisteminde bulunan proteoli8k enzimler bu grup içerisinde yer alır •  Örneğin; pepsinojenin pepsine çevrilerek ak8ve edilmesi (midedeki asit ve pepsin yardımıyla) •  Trpsinojen -­‐ tripsin Enzimlerin Klinik Önemi •  Hastalıkların tanılarının yapılmasında ve hastalığın izlenmesinde enzima8k ölçümlerin yapılması önemlidir – (Klinik Enzimoloji) •  Enzim ölçümleri sonucu hücresel hasarın lokasyonu, 8pi ve miktarı tespit edilebilir •  Özellikle serumda mevcut enzimlerin ak8vitesine bakılarak birçok hastalığın tanısı yapılabilir Enzimlerin Klinik Önemi •  Klinik tanıda kullanılan enzimler: 1) Hücresel Enzimler: LDH,AST,ALT,ALP gibi (genelde hücre hasarı ne8cesi hücre dışına çıkar) 2) Salgılanan Enzimler: Bir dokuda sentezlenir ve bir kanal yolu ile lümene taşınır (örnek: Pankreas enzimleri) 3) Plazmaya özgü enzimler :Dokuda inak8ƒir,salgılandıktan sonra ak8fleşir. enzim temel kaynağı Klinik Uygulaması ACP (asit fosfataz) prostat, eritrosit Prostat kanseri ALT (Alanin aminotransferaz) K.ciğer, iskelet kası, k.ciğer parankimal kalp hast. ALD (Aldolaz) iskelet kası, kalp ALP (Alkalen fosfataz) K.c., kemik, barsak, hepatobilier, kemik böbrek, plasenta hast. Amilaz Tükrük bezleri, pankreas AST (aspartat aminotransferaz) K.ciğer, iskelet kası, k.ciğer parankimal kalp, böbrek, hast., kas hast., eritrosit M.Infarktüs CK (Krea8n Kinaz) iskelet kası, beyin, kalp GGT (Gamaglutamil K.ciğer, böbrek transferaz) LDH (Laktat dehidrogenaz) kas hastalıkları pankreas hast. kas hast., M.Infarktüs hapatobilier, alkolik hast. Kalp, k.ciğer, iskelet hemoliz, k.ciğer kası, eritrosit parankimal hast., M.Infarktüs 
Download

2 - Zirve Üniversitesi