Enzimler, yaşam kimyasında seçici katalitik moleküllerdir. Biyolojik reaksiyonların termodinamiğinde en sık bahsedilen katalizör, çoğunlukla bir enzimdir. Serbest enerji açığa çıkaran bir kimyasal reaksiyon kendiliğinden meydana gelebilir. Gerekli aktivasyon enerjisi çok yüksek olduğu için biyokimyasal reaksiyonlar bir katalizör eklenmeden çok yavaş ilerler. Katalizörler, enzimler dahil, reaksiyon için denge sabitini veya serbest enerjideki net değişimi etkilemezler. Kendi başlarına reaktiviteyi artıramazlar, ancak bazı nihai reaksiyonların daha hızlı gerçekleşmesini sağlayabilirler.
Enzimler, inorganik, C-aktif katalizörlerin aksine yüksek özgüllüğe sahiptir. Belirli bir enzim, substrat adı verilen yalnızca bir veya bir çift reaktan ile reaksiyona girer. Örneğin, trombin enzimi, spesifik proteinler ve spesifik aktif merkezler üzerinde hareket eder. Arginin ve glisin arasındaki bağı “tanır” ve onu parçalar (kanın pıhtılaşmasında önemli bir adım). Diğer tüm katalizörler gibi, reaksiyon için gerekli olan aktivasyon enerjisini azaltarak birçok substrat molekülünün kinetik enerjisinin reaksiyonun meydana gelebileceği bir seviyeye ulaşmasını sağlar. Sonuç olarak, enzimler katalizledikleri reaksiyonu o kadar hızlandırırlar ki, tek bir enzim molekülü her saniye binlerce hatta yüzbinlerce reaktant molekülünün bir araya gelerek bir ürün oluşturmasını sağlar.
Enzimler, etkinlikleri ve özgüllükleri sayesinde yalnızca belirli substratların belirli metabolik yollara katılmasına izin vermekle kalmaz, aynı zamanda diğer metabolik yollara girmelerini de engelleyerek yaşam kimyasının büyük bir hassasiyetle yönetilmesini sağlar. Biyokimyacılar, bu benzersizliğin anahtarının yüzey etkinliği olduğunu uzun zamandır biliyorlar.
Enzimler, karmaşık 3 boyutlu görünümlere ve farklı yüzey geometrilerine sahip çok karmaşık moleküller olan küresel proteinlerdir. Bununla birlikte, belirli bir enzim, moleküler şekli kendisine karşılık gelen substratlarla – yüklü grupların yapısı ve konumu – etkileşime girebilir. Yani, enzimin özgüllüğü onun 3 boyutlu şekline bağlıdır.
Proteinlerin denatüre olduklarında yani üç boyutlu yapıları bozulduğunda biyolojik ve enzimatik aktivitelerini yitirdiklerinin gözlemlenmesi, enzimlerin steroidlerin üç boyutlu yapılarına bağlı olduğunu ortaya koymuştur. Ayrıca birçok enzimin pH değişikliklerine karşı oldukça duyarlı olması ve sadece çok sınırlı pH aralıklarında aktif olması bu bulguyu desteklemektedir. pH’daki değişiklikler, proteinlerin oluşumunu stabilize eden zayıf bağların kırılmasına ve ayrıca proteinin şeklinde değişikliklere neden olan yeni bağların oluşumuna yol açıyor gibi görünmektedir.
İçindekiler
substrat enzimleri
Enzim-substrat sinerjisi, bir anahtar kilidi veya yapbozun bir parçası olarak düşünülebilir. Ve eğer birleşeceklerse neredeyse tamamlayıcı olmaları gerektiği de bir gerçektir. Platin oksijen-hidrojen bağında olduğu gibi, substrat molekülünün reaktif kısmı ve enzimin aktif merkez olarak bilinen bir alanı, geçici bir bağ oluşturmak için yeterince uygun olmalıdır. Bu şekilde alt enzim kompleksi adı verilen bir ara form oluştururlar. Bununla birlikte, enzimler ve substratları, ES kompleksi oluşturmak için her zaman birbirleriyle uyumlu olmak zorunda değildir.
Mekansal uyumluluk, enzim-substrat ilişkisinin ön koşullarından yalnızca biridir. Bir diğeri, E ve S’nin kimyasal olarak da mevcut olması ve birbirleriyle birçok zayıf ama önemli bağ oluşturabilmesidir. Enzim ve substrat molekülleri bazen kovalent bağlarla bir arada tutulsa da, bir proteinin şeklini stabilize eden zayıf bağlar çoğunlukla iyonik, hidrojen ve van der duvarlarında bulunur. Bu bağlar, termal hareket nedeniyle rastgele çarpışmaların bir sonucu olarak normal sıcaklıklarda hızla oluşabilir ve kırılabilir.
Belirli bir enzim molekülüne hangi tür substratın bağlanabileceği, hangi amino asitlerin enzimin aktif merkezini oluşturduğuna, özellikle bu amino asitler üzerindeki R gruplarına ve bu grupların birbirine göre uzamsal konumuna bağlıdır. Enzimin aktif merkezinin, substrat molekülünün reaktif kısmının sığabileceği kavisli bir oluk şeklinde olduğunu varsayalım. Ve bu oluktaki amino asitlerin çoğunun R gruplarının elektrik yüklü olduğunu varsayalım. Açıkçası, substrat molekülünün reaktif kısmı ya pozitif yüklü ya da polar olmalıdır; Elektriksel olarak nötr ve apolar bir substrat molekülü veya aktif merkezi ile aynı elektrik yüküne sahip bir substrat molekülü, tesadüfen çakışsa bile enzimin aktif merkezi ile etkileşime giremez. Tersine, yalnızca hidrofobik bir substrat, aktif merkezi büyük hidrofobik R grupları içeren veya elektrik yüklü veya polar moleküller böyle bir merkeze uygun olmayan bir enzimle etkileşime girebilir.
koenzim, kofaktör
Prostetik grupları olmayan bazı enzimler, katalize ettikleri reaksiyon sırasında kendilerine zayıf ve geçici olarak bağlanan kofaktörlere sahiptir. Kofaktörler, metal iyonları veya koenzim adı verilen protein olmayan organik moleküller olabilir. Koenzim molekülleri, protein moleküllerinden daha küçük ve daha az karmaşıktır. Enzimler gibi, onları aldıkları reaksiyonlarda tüketilmezler veya değiştirilmezler, bu nedenle tekrar tekrar kullanılabilirler.
Kofaktörler çok küçük miktarlarda yeterli olmakla birlikte, kaynak normalin altına düşerse organizmanın sağlığı ve yaşamı tehlikeye girer. Bu nedenle önemli koenzimlerin bir parçası olan vitaminler beslenmemizde çok önemlidir.
enzim aktivitesinin kontrolü
Enzimler canlı organizmalardaki birçok kimyasal reaksiyonu kontrol ettiğinden, aktivitelerini kontrol eden çeşitli mekanizmalara sahip olmaları şaşırtıcı değildir. Bu mekanizmalar yalnızca pH, sıcaklık ve enzim substrat konsantrasyonu gibi fiziksel parametrelere değil, aynı zamanda onları düzenlemeye yardımcı olan enzimlerin aktif bölgelerini maskeleyen, bloke eden veya değiştiren kimyasal faktörlere de bağlıdır.
Rekabetçi inhibisyon adı verilen yaygın bir enzim kontrolü biçimi, doğal bir substrat molekülüne çok benzeyen ve enzimin aktif bölgesine geri dönüşümlü olarak bağlanan inhibitörleri içerir. Bu maddeler, reaksiyon sırasında kimyasal değişikliklere uğramamaları bakımından substrattan farklıdır. Örneğin, bir substrat molekülündeki normalde kopmuş bir bağ, inhibitörde kırılmak için çok güçlü olabilir veya yakın bağlarla iyice çevrelenmiş olabilir. İnhibitör aktif bölgeye bağlanır, onu maskeler ve normal bir substrat molekülünün aktif bölgeye giden yolunu bulmasını engeller. Bu şekilde enzim + inhibitör = “EI” reaksiyonu, her ikisi de aynı enzimle etki eden ve az miktarda meydana gelen enzim + substrat = ES reaksiyonu – E + P reaksiyonu ile rekabet eder. İki reaksiyondan hangisinin üstün geldiği, bunların bağıl enerjilerine ve daha çok I ve S’nin göreli konsantrasyonlarına bağlıdır. Çok fazla inhibitör ve az sayıda substrat molekülü varsa, enzimin çoğu yüksek oranda EI olarak bağlanır ve bu nedenle tükenir. Tersine, fazla miktarda S ve yalnızca az miktarda I varsa, enzim moleküllerinin çoğu, ürünü oluşturmak için substrat molekülleri ile reaksiyonu katalize etmekte serbest olacaktır.
Karbon monoksit zehirlenmesi, rekabetçi inhibisyona bir örnektir. Karbon monoksit, oksijeni vücut hücrelerine taşımaktan sorumlu enzim benzeri bir molekül olan hemoglobinin aktif merkezine bağlanmak için omurgalıların kanındaki oksijenle rekabet eder. Karbon monoksit, aktif merkeze o kadar güçlü bir şekilde bağlanır ki oksijeni tamamen uzaklaştırır. Ayrıca, bu engelleme büyük ölçüde geri döndürülemez; Bağlandıktan sonra, karbon monoksit yerini tutar.
Oksijen kaybı sonucunda başta beyin dokusu olmak üzere canlı dokular, karbon monoksit miktarı nispeten düşük olsa bile zarar görebilir veya ölüme yol açabilir. Pek çok rekabetçi inhibitör, hedeflerine yalnızca kısa bir süre için bağlansa da, bu geri dönüşümlü inhibisyon, inhibitör ve substratın her zaman rekabet halinde olduğu ve herhangi birinin konsantrasyonundaki bir değişikliğin, enzim aktivitesinde bir değişiklik olarak hemen yansıtıldığı anlamına gelir.
Rekabetçi olmayan inhibisyon adı verilen başka bir tersinir inhibisyon türünde, aynı enzim molekülü üzerinde iki tip bağlanma bölgesi vardır: substratın bağlanacağı doğal olarak aktif bölge ve inhibitörlerin bağlanabileceği diğer bölgeler. En yaygın rekabetçi olmayan inhibisyon türü, allojenik inhibisyondur. Bir alloenzim, genellikle üçüncül yapıdaki farklılıkları yansıtan, iki farklı uzamsal formda görünebilen bir enzimdir. Çoğu zaman, molekülün bir yapısında enzim aktifken, diğer yapısında enzim inaktiftir (veya daha az aktiftir), çünkü substrat bağlama merkezi belirsizdir. Allosterik inhibisyonda inhibitörlerin bağlanması – genellikle negatif değiştirici veya negatif efektör enzimin aktif olmayan yapısını stabilize eder. Genellikle ürünün kendisi veya aynı biyokimyasal yolda, sonraki bir reaksiyonun ürünü modülatör rolünü üstlenir. Artık ihtiyaç duyulmayacak kadar yüksek konsantrasyonlara ulaştığında, sentezinden sorumlu olan süreci durdurur. Bu şekilde, ürünün kendini sınırlamasına “geri bildirim engelleme” denir. Diğer alloenzim türleri, enzim aktivitesini artıran ve konformasyonel değişikliklere neden olan pozitif değiştiriciler için bağlanma yerleri içerir.
Bazı allosterik enzimlerde, farklı tipte bağlanma bölgeleri yerine, aynı tipte iki veya daha fazla bölge vardır, bu nedenle substratı aynı anda iki veya daha fazla bölgede bağlar. Bir substratın aktif bir merkeze bağlanması, diğer merkezleri daha reaktif hale getiren konformasyonel değişikliklerle sonuçlanır. İşbirliği adı verilen bu fenomen, hemoglobin ile özetlenir. Tek bir hemoglobin molekülü dört oksijen molekülü taşıyabilir. İlk oksijen molekülünün bağlanması, hemoglobin molekülünün dörtlü yapısında, diğer üç bağlanma bölgesine oksijen için daha yüksek bir afinite verecek değişikliklerle sonuçlanır. Böylece, kovalent olarak bağlanan ilk substrat molekülü, bir adaptör görevi görür. Allosterik proteini mümkün olan en iyi şekilde tutar (hemoglobin durumunda, en reaktif yapı).
Rekabetçi inhibitörlerin, rekabetçi olmayan inhibitörlerin ve allosterik değiştiricilerin enzim aktif bölgeleri üzerindeki farklı etkilerinden dolayı, kimyagerler enzimlerin doğasını incelemede bunların çok değerli olduğunu bulmuşlardır. Örneğin, aktif bölge (fiziksel form ve R-reaktif gruplar) hakkında daha net bir fikir edinmek için, küçük farklılıklar içeren bir dizi rekabetçi inhibitör üretebilir ve her birinin aktif bölgeye bağlanma üzerindeki etkilerini inceleyebilirler. Enzim molekülünün farklı bölümlerinin rollerini keşfetmek için, katalitik reaksiyon için gerekli fonksiyonel gruplarla kalıcı kovalent bağlar oluşturarak enzim zehirleri gibi davranan kimyasallar olan geri dönüşümsüz inhibitörler kullanırlar. Modern moleküler biyoloji teknikleri, enzimdeki her peptitin seçici ikamesine ve silinmesine izin vermeye başlıyor. Böylece, herhangi bir protein amino asidinin işlevi deneysel olarak keşfedilebilir. Günümüzde biyokimyacılar, bu teknolojinin getirdiği bilgiler sayesinde sentetik bir enzimi planlayıp sentezleyebilmektedir. Bu “düzenleyici enzimler” doğada bilinmeyen aktivite ve özelliklerle hazırlanabilir. Bu enzimler, hastalıklarla mücadelede ve hatta çevre kirliliği sorunlarını çözmede sınırsız potansiyele sahip olabilir.
kaynak:
https://www.khanacademy.org
yazar: bronzlaştırıcı tonik
Diğer gönderilerimize göz at
[wpcin-random-posts]