13.12: Enzimler

Canlı organizmalarda enzimler, hücresel metabolizmada yer alan birçok biyokimyasal reaksiyon için katalizör görevi görür. Enzimlerin rolü, substratları ile kompleksler oluşturarak biyokimyasal reaksiyonların aktivasyon enerjilerini azaltmaktır. Aktivasyon enerjilerinin düşürülmesi, biyokimyasal reaksiyon hızlarında bir artışa katkıda bulunur.

Enzim eksiklikleri genellikle hayatı tehdit eden hastalıklara dönüşebilir. Örneğin, G6PD enziminin (glukoz-6-fosfat dehidrojenaz) eksikliğine yol açan genetik bir anormallik, NADPH'yı hücrelere besleyen metabolik yolu olumsuz yönde etkiler.

Bu metabolik yoldaki bir bozulma, kırmızı kan hücrelerinde glutatyonu azaltabilir ve hemoglobin gibi diğer enzimlere ve proteinlere zarar verebilir. Hemoglobinin aşırı metabolize edilmesi, bilirubin birikimine ve bu da sarılığa yol açar ve ciddi hale gelebilir. Bu nedenle, G6PD eksikliğinden muzdarip insanlar, glutatyon eksikliği olan kırmızı kan hücrelerine zarar verebilecek kimyasallar içeren bazı yiyecek ve ilaçlardan kaçınmalıdır.

Enzim Fonksiyonu ve Yapısı

Enzimler, gerçekleştirdikleri belirli işleve bağlı olarak farklı sınıflarda gruplandırılır. Örneğin, oksidoredüktazlar redoks reaksiyonlarında yer alırken, transferazlar fonksiyonel grupların transferini katalize eder. ATP hidrolizi ile bağ oluşumu ligaz gerektirirken, hidroliz reaksiyonları ve çift bağ oluşumu sırasıyla hidrolazlar ve liyazlar tarafından katalize edilir. İzomeraz enzimleri genellikle izomerizasyon reaksiyonlarını katalize eder.

Enzimler genellikle aktif bölgelere sahiptir. Bunlar, bir enzim-substrat kompleksi veya reaksiyon ara maddesi oluşturmak için enzimin belirli bir substrata (bir reaktif molekül) bağlanmasını destekleyen bir konformasyona sahip molekül üzerindeki spesifik bölgelerdir.

İki model —kilit ve anahtar modeli ve indüklenmiş uyum modeli— aktif bir bölgenin çalışmasını açıklamaya çalışır (Şekil 1). En basit kilit ve anahtar hipotezi, aktif bölgenin ve substratın moleküler şeklinin tamamlayıcı olduğunu —bir kilitteki bir anahtar gibi birbirine uyduğunu— göstermektedir (Şekil 1a). Öte yandan, indüklenmiş uyum hipotezi, enzim molekülünün esnek olduğunu ve substrat ile bir bağı barındıracak şekilde şekil değiştirdiğini göstermektedir (Şekil 1b).

Bununla birlikte, hem kilit-anahtar modeli hem de indüklenmiş uyum modeli, enzimlerin sadece belirli substratlarla bağlanabileceği ve sadece belirli bir reaksiyonu katalize edebileceği gerçeğini hesaba katar.

Şekil 1 (a) Kilit ve anahtar modeline göre, bir enzimin aktif bölgesinin şekli substrat için mükemmel bir uyum sağlar. (b) İndüklenmiş uyum modeline göre, aktif bölge biraz esnektir ve substrat ile yapışmak için şekli değiştirebilir.

Enzim İnhibitörleri

Enzimlerin aktivitesi, enzim inhibisyonu süreci ile de kesilebilir. Birkaç yaygın enzim inhibisyon türü vardır.

Kompetitif inhibisyon sırasında, substrat dışındaki bir molekül (doğal veya sentetik) doğrudan enzimin aktif bölgesine bağlanır. İnhibitörün substrat ile yapısal ve kimyasal benzerliği, aktif bölgeye bağlanmasını kolaylaştırır. Bu nedenle, bu tür kompetitif inhibitörler, substratlarla rekabet ederek enzime bağlanmalarını önler. Çoğu zaman, substrat konsantrasyonunun arttırılması, kompetitif inhibisyonun etkilerini baskılayabilir.

Nonkompetitif inhibisyonda, bir molekül (doğal veya sentetik), aktif bölgesinden farklı olarak enzimin allosterik (diğer) bir bölgesine bağlanır. İnhibitör bağlanması, enzimin aktif bölgesinde konformasyonel bir değişikliğe neden olur ve enzimin reaksiyonu katalize etme kabiliyetinde bir azalmaya neden olur. Kompetitif inhibisyonun aksine, substrat konsantrasyonundaki bir artış, nonkompetitif inhibisyonun inhibitör etkilerini hafifletmez.

Bu metnin bir kısmı bu kaynaktan uyarlanmıştır: Openstax, Chemistry 2e, Section 12.7: Catalysis.

Enzimler, biyokimyasal reaksiyonların hızını artıran biyolojik katalizörlerdir. Çoğu enzim amino asitlerden oluşan proteindir;bazıları ribozimler olarak bilinen RNA molekülleridir. Enzimler, bir reaksiyonun aktivasyon enerjisini düşürerek, reaksiyon hızını artırarak etki eder.

Kimyasal bağların hem sentezini hem de bozulmasını katalize edebilirler, ancak reaksiyonun yönünü veya dengesini etkilemezler. Her enzim, substrat adı verilen belirli bir reaktana bağlanır ve belirli bir reaksiyonu katalize eder. Substrat, moleküller arası kuvvetler ve geçici kovalent bağlar gibi etkileşimler yoluyla aktif bölge adı verilen enzimin farklı bir katalitik bölgesine bağlanarak bir enzim-substrat kompleksiyle sonuçlanır.

Bu bağlanma, enzim ve substratı arasında gerekli olan yapısal tamamlayıcılık nedeniyle oldukça spesifiktir. Bu nedenle, belirli bir enzim, konformasyonuna bağlı olarak yalnızca belirli reaksiyonları katalize edebilir. Karmaşık oluşumu anlamanın basit bir yolu, substratın enzimin aktif bölgesine uyduğunu varsayan kilit ve anahtar modelidir ve buna karşılık gelen kilit"e uyan bir anahtar"a benzer.

Bununla birlikte, başka bir model olan indüklenmiş uyum modeli, kompleksin dinamik doğasını hesaba katar. Bu model, bir substrat bağlandığında, küçük konformasyonel değişikliklere neden olduğunu ve reaksiyonu destekleyen daha sıkı bir uyumla sonuçlandığını belirtir. Bir reaksiyon için aktivasyon enerjisi, çeşitli yöntemlerle düşürülebilir.

Yaygın mekanizmalar, bir bağın daha kolay kırılmasına izin veren veya iki substratın reaktif gruplarını birbirine yaklaştırarak, bağ oluşumunu teşvik eden substratta konformasyonel değişikliklerin indüklenmesini içerir. Enzim aktivitesi, inhibitör adı verilen doğal veya sentetik moleküller tarafından geçici veya kalıcı olarak bastırılabilir. Örneğin kompetitif bir inhibitör, enzimin aktif bölgesine bağlanmak için substrat ile rekabet eder, böylece substrat bağlanmasını önler.

Öte yandan, nonkompetitif bir inhibitör, enzim üzerinde başka bir konuma bağlanır ve bu, aktif bölgede konformasyonel bir değişikliğe neden olarak enzimin katalitik aktivitesini azaltır.