Enzimler Nasıl Çalışır

Enzim Kinetiği

Dr. Gülçin Dr. Gülçin EskandariEskandari

Sağlık Slaytları http://hastaneciyiz.blogspot.com

Enzimler nasıl çalışırlar? Oldukça etkili katalizörlerOldukça etkili katalizörler Reaksiyon hızını Reaksiyon hızını Enzimlerin oldukça büyük yapılarına Enzimlerin oldukça büyük yapılarına

karşın, kataliz işleminin gerçekleştiği karşın, kataliz işleminin gerçekleştiği yer aktif bölgeyer aktif bölge

Enzimlerin aktif bölgesi substrat Enzimlerin aktif bölgesi substrat özgünlüğü de gösterirözgünlüğü de gösterir

Enzimler nasıl çalışırlar? Substrat özgünlüğü, substrat bağlama Substrat özgünlüğü, substrat bağlama

bölgesindeki amino asidlerin yapısı, bölgesindeki amino asidlerin yapısı, yükleri, polarite ya da hidrofobisiteleriyle yükleri, polarite ya da hidrofobisiteleriyle belirlenirbelirlenir

Enzimin substrat bağlaması hidrojen bağı, Enzimin substrat bağlaması hidrojen bağı, hidrofobik ya da iyonik etkileşim gibi zayıf hidrofobik ya da iyonik etkileşim gibi zayıf bağlarla olur bağlarla olur

Bazı enzimler tek bir substrata özgünlük Bazı enzimler tek bir substrata özgünlük gösterirken, bazıları daha geniş bir gösterirken, bazıları daha geniş bir spektrumu katalizlerlerspektrumu katalizlerler

Enzimler nasıl çalışırlar?

A + B C + D

Enzimler aktivasyon enerjisini düşürürler.

Enzimler nasıl çalışırlar? Bir reaksiyonun hızı geçiş aşamasına Bir reaksiyonun hızı geçiş aşamasına

(transition state) birim zamanda geçen (transition state) birim zamanda geçen substrat konsantrasyonu ile orantılısubstrat konsantrasyonu ile orantılı

Aktivasyon enerjisinin yüksek olması hızı Aktivasyon enerjisinin yüksek olması hızı düşürürdüşürür

Hızı arttırmak, ya ısıyı arttırarak Hızı arttırmak, ya ısıyı arttırarak reaksiyona girecek substratların enerjisini reaksiyona girecek substratların enerjisini arttırmakla (collision theory) ya da arttırmakla (collision theory) ya da aktivasyon enerjisini düşürmekle mümkünaktivasyon enerjisini düşürmekle mümkün

Canlı organizmalarda bu işlem aktivasyon Canlı organizmalarda bu işlem aktivasyon enerjisinin düşürülmesi, yani reaksiyonları enerjisinin düşürülmesi, yani reaksiyonları enzimlerin katalizlemesiyle gerçekleşirenzimlerin katalizlemesiyle gerçekleşir

Enzimler nasıl çalışırlar?

Enzimle katalizlenen reaksiyonların Enzimle katalizlenen reaksiyonların hızı artarken hızı artarken G ya da Keq G ya da Keq değerlerinde herhangi bir değişiklik değerlerinde herhangi bir değişiklik olmazolmaz

Reaksiyonun hızı reaksiyona giren Reaksiyonun hızı reaksiyona giren moleküllerin konsantrasyonu ile moleküllerin konsantrasyonu ile doğru orantılı doğru orantılı

nA + mB AnBmk1

k-1

Hız1 = k1 An Bm

Hız-1 = k-1 AnBm

Denge durumunda ise Hız1 = Hız-1 olacaktır.

K1 An Bm = k-1 AnBm

k1 AnBmKeq = =

k-1 An Bm

•Keq 1 ise reaksiyon spontan olarak gelişecektir.•Keq 1 ise reaksiyonun oluşabilmesi için dışardan enerji alması gerekecektir.

Reaksiyon hızı

BBir internasyonel ünite enzim ir internasyonel ünite enzim miktarının, belirlenen şartlar miktarının, belirlenen şartlar altında bir altında bir mol ürünü bir dakikada mol ürünü bir dakikada oluşturması oluşturması

Reaksiyon hızını etkileyen faktörler

IsıIsı pHpH Enzim konsantrasyonuEnzim konsantrasyonu Substrat konsantrasyonuSubstrat konsantrasyonu İnhibitör varlığıİnhibitör varlığı

Isı

pH

Substrat ve enzim konsantrasyonu

Enzim kinetiği

1.1. V Varsayım: E + P oluştuktan sonra geri arsayım: E + P oluştuktan sonra geri dönüş reaksiyonunu ihmal ediyoruzdönüş reaksiyonunu ihmal ediyoruz2. 2. Varsayım: ES hem oluşuyor, hem de Varsayım: ES hem oluşuyor, hem de yıkılıyor, ancak bu iki işlem dengede ve yıkılıyor, ancak bu iki işlem dengede ve ES konsantrasyonu değişmiyorES konsantrasyonu değişmiyorBu durum ‘steady state’ kararlı denge Bu durum ‘steady state’ kararlı denge durumu durumu

E + S ES E + Pk1k-1

kcat

ES oluşumu = k1 E S ES yıkımı = kcat ES + k-1 ES

E + S ES E + Pk1

k-1

kcat

Oluşum = Yıkım k1 E S = kcat ES + k-1 ES

k1 E S = ES (kcat+ k-1)

k1 ES = E S

(kcat+ k-1)

1/Km

Km . ES = E S E = ET – ES

Km . ES = (ET - ES) . S Km . ES = ET S - ES . S

Km . ES + ES . S = ET S

ES (Km + S) = ET S

ET S ES =

Km + S

E + S ES E + Pk1

k-1

kcat

V = kcat . ES ise Vmax = kcat . ET

ET S ES =

Km + S

V ET S = kcat Km + S

ET S V = kcat

Km + S

Vmax . S V =

Km + S

Michealis – Menten Denklemi

Vmax . S V =

Km + S

Michealis – Menten Denklemi

Km, Vmax’ın yarısı hıza karşılık gelen substrat konsantrasyonu ve enzimin substratına olan ilgisini belirler

Km değeri düştükçe enzimin substratına olan affinitesi artar

Km büyüdükçe enzimin substratına olan affinitesi azalır

Michealis – Menten Grafiği

Eğer S Km ise hız substrat konsantrasyonu ile doğru orantılı

Vmax . S V =

Km + S

Vmax . S V =

Km V S

Birinci derece kinetiği

Eğer S Km ise hız Vmax’ta

Vmax . S V =

Km + S V = Vmax

Sıfır derece kinetiği

Km değerinin, genelleme yapılamasa da, intrasellüler S kons.unu yansıttığı söylenirAncak gerçek olan bu değerin ya çok düşük ya da çok yüksek olduğuBöylece enzimin hızı ya S kons.u ile doğru orantılı ya da maksimum hızda çalışıyor

Km değeri enzimin değişmeyen bir parametresi In vitro deneylerde gerekli olan S miktarı Km değerine göre ayarlanabilirUnutulmaması gereken bir nokta da çok yüksek S kons.larında ES = ET olduğu

Substrat konsantrasyonuna karşı çizilen hız eğrisinden Vmax ve Km hesaplaması her zaman mümkün olmamakta

Bu durumda Michealis-Menten grafiğini lineer hale getirmek gerekir Bu işlem de 1/S’e karşılık 1/V transformasyonu ile yapılabilir

Vmax . S V =

Km + S

1 Km S = +

V Vmax . S Vmax . S

1 Km + S = V Vmax . S

1 Km 1 1= . +

V Vmax S Vmax

y = a x + b

Lineweaver Burk Grafiği

Birden fazla substratı olan Birden fazla substratı olan enzimlerin katalizlediği enzimlerin katalizlediği reaksiyonlarda substrat reaksiyonlarda substrat bağlanması farklılık gösterebilirbağlanması farklılık gösterebilir

Düzenli (ordered) mekanizmaDüzenli (ordered) mekanizma Rastgele (random) mekanizma ile Rastgele (random) mekanizma ile

bağlanma gerçekleşebilirbağlanma gerçekleşebilir

Düzenli mekanizmayla bağlanma

Örnek: Laktat Dehidrogenaz

Rasgele mekanizmayla bağlanma

Örnek: Hekzokinaz

Düzenli ya da rastgele mekanizmaların her ikisinde de ping-pong mekanizmasıyla

bağlanma olabilir.

a s p a r t a t e - k e t o g l u t a r a t e o x a l o a c e t a t e g l u t a m a t e A m i n o t r a n s f e r a s e ( T r a n s a m i n a s e )

C O O

C H 2

C H 2

C

C O O

O

C O O

C H 2

HC

C O O

N H 3+

C O O

C H 2

C H 2

HC

C O O

N H 3+

C O O

C H 2

C

C O O

O + +

Birden fazla substratı olan enzimler için Lineweaver

Burk grafiği denklemi

ENZİM İNHİBİSYONLARI Enzim inhibitörleri bilinen en iyi farmasötik ajanlarÖrneğin aspirin prostaglandin sentezinde ilk basamağı inhibe ederek etkisini gösterir İki tip inhibisyon vardır; 1. Reversible (geri dönüşümlü)

inhibisyonlar 2. İrreversible (geri dönüşümsüz) inhibisyon

Kompetetif (yarışmalı) İnhibisyon

Kompetetif inhibitör madde aktif bölgeye bağlanmak için substratla yarışır

Kompetetif inhibitörler yapıca substrata benzeyen moleküllerdir ve enzimle birleşerek EI kompleksini oluştururlar

Süksinat dehidrogenaz

Kompetetif (yarışmalı) İnhibisyon

Kompetetif (yarışmalı) İnhibisyon

İnhibitör enzime geri dönüşümlü bağlandığı için S kons.u arttırılarak inhibisyon engellenebilir

İnhibitör varlığında kinetik açıdan değişecek olan Km değeri, çünkü enzim aktif bölgesine inhibitör de bağladığından, substrata olan ilgisi azalır

Sonuçta Km değeri

Kompetetif (yarışmalı) İnhibisyon

Enzim Vmax’a nasıl ulaştırılır?S kons.u arttırılarak

Dolayısıyla Km’in artması ve Vmax’ın değişmemesi kompetetif inhibisyon için karakteristik

Yine inhibitör kons.unu artırmakla Km daha da artar

Kompetetif (yarışmalı) İnhibisyon

Kompetetif (yarışmalı) İnhibisyon

Kompetetif inhibisyonun terapatik amaçla tıpta kullanıldığı durumlar söz konusu Örneğin metanol zehirlenmesinde; metanol alkol dehidrogenaz enzimiyle fromaldehide çevrilir Formaldehid özellikle gözde olmak üzere, birçok dokuda hasara yol açarAlkol dehidrogenazın esas substratı olan etanol verildiğinde, enzime bağlanmak için etanolle metanol arasında yarışma başlarEtanol konsantrasyonu daha da artırıldığında metanolün toksik formaldehide çevrimi engellenmiş olurMetanol de idrarla atılır

Nonkompetetif İnhibisyon İnhibitör madde substratın bağlandığı bölge dışında bir yere bağlanır

İnhibitörün bağlanması substratın bağlanmasını etkilemezDolayısıyla aynı anda enzime hem substrat, hem de inhibitör bağlanabilir

İnhibitör bağlandığında enzim inaktive olmakta, enzime substratın da bağlı olması bunu etkilememekte

Nonkompetetif İnhibisyon

Nonkompetetif inhibisyon’da kinetik açıdan

değişen nedir?Vmaxİnhibitör effektif olarak aktif enzim konsantrasyonunu düşürür ve bu da Vmax’ın düşmesine neden olur

Diğer taraftan inhibitörün substrat bağlanma bölgesiyle etkileşimi olmadığından Km üzerine olan etki ya çok düşüktür ya da yoktur

Nonkompetetif İnhibisyon

Unkompetetif İnhibisyon

İnhibitör yine substartın bağlandığı bölgeden farklı bir yere bağlanırAncak unkompetetif inhibisyonda inhibitör madde ancak ES kompleksi oluştuktan sonra enzime bağlanabilirUnkompetetif inhibisyonda kinetik açıdan değişen nedir?

Hem Vmax, hem de Km azalır

Unkompetetif İnhibisyon

Unkompetetif İnhibisyon

(ALP / Fenilalanin)

İrreversible inhibisyonlar Enzim aktivitesi için gerekli olan, Enzim aktivitesi için gerekli olan,

enzimin fonksiyonel bir grubu ile enzimin fonksiyonel bir grubu ile birleşerek ya da bu fonksiyonel grubun birleşerek ya da bu fonksiyonel grubun yapısını bozarak etki gösterirleryapısını bozarak etki gösterirler

İrreversible inhibitör ile enzim arasında İrreversible inhibitör ile enzim arasında kovalent bir bağ oluşumu olabilir kovalent bir bağ oluşumu olabilir

İrreversible inhibisyonlar İodoasetamid aktif bölgesinde –SH grubu İodoasetamid aktif bölgesinde –SH grubu

içeren enzimlere bağlanarak alkil enzim içeren enzimlere bağlanarak alkil enzim türevi oluştururtürevi oluşturur

Diizopropil-florofosfat enzimin serin Diizopropil-florofosfat enzimin serin residuesunun –OH grbundan enzime residuesunun –OH grbundan enzime kovalent olarak bağlanarak, enzimin kovalent olarak bağlanarak, enzimin diizopropil-fosfat türevini oluştururdiizopropil-fosfat türevini oluşturur

KKimotripsin bir serin proteazimotripsin bir serin proteaz Aktif bölgesinde 195. pozisyonda serin Aktif bölgesinde 195. pozisyonda serin

amino asidi bulunuramino asidi bulunur

Enzim katalitiz mekanizmaları

Asit-baz kataliziAsit-baz katalizi Elektrostatik katalizElektrostatik kataliz Kovalent katalizKovalent kataliz Metal iyon kataliziMetal iyon katalizi Yakınlık etkisiYakınlık etkisi

Genel asid-baz katalizi Kimyasal bağlar elektronlar Kimyasal bağlar elektronlar

tarafından oluşturulurtarafından oluşturulur Bağların yeniden düzenlenmesi ya da Bağların yeniden düzenlenmesi ya da

kırılması elektronların hareketini kırılması elektronların hareketini gerektirirgerektirir

Reaktif kimyasal grupların elektrofil Reaktif kimyasal grupların elektrofil ya da nükleofil gibi fonksiyon gördüğü ya da nükleofil gibi fonksiyon gördüğü söylenebilirsöylenebilir

Genel asid-baz katalizi Elektrofiller, elektron açığı olan Elektrofiller, elektron açığı olan

maddeler olup, elektron fazlası maddeler olup, elektron fazlası olan maddelerle reaksiyona olan maddelerle reaksiyona girerlergirerler

Nükleofiller, elektron fazlası olan Nükleofiller, elektron fazlası olan maddeler olup, elektron açığı olan maddeler olup, elektron açığı olan maddelerle reaksiyona girerlermaddelerle reaksiyona girerler

Genel asid-baz katalizi Potansiyel olarak reaktif olan bir Potansiyel olarak reaktif olan bir

grubun intrinsik elektrofilik ya da grubun intrinsik elektrofilik ya da nükleofilik karakterini arttırarak, nükleofilik karakterini arttırarak, daha reaktif hale getirilmesi daha reaktif hale getirilmesi sonucu kataliz gerçekleşebilir sonucu kataliz gerçekleşebilir

Bu olayı gerçekleştirmenin en Bu olayı gerçekleştirmenin en kolay yolu bir proton eklenmesi ya kolay yolu bir proton eklenmesi ya da uzaklaştırılmasıda uzaklaştırılması

Genel asid-baz katalizi

Genel asid-baz katalizi Su intrinsik olarak zayıf bir nükleofil, bir Su intrinsik olarak zayıf bir nükleofil, bir

katalist yokluğunda esterle olan katalist yokluğunda esterle olan reaksiyonu çok yavaş gerçekleşirreaksiyonu çok yavaş gerçekleşir

Ancak ester hidrolizi yüksek ya da Ancak ester hidrolizi yüksek ya da düşük pH’da çok daha hızlı gerçekleşirdüşük pH’da çok daha hızlı gerçekleşir

Enzimlerin aktif bölgelerinde bulunan Enzimlerin aktif bölgelerinde bulunan asidik ya da bazik amino asidlerin varlığı asidik ya da bazik amino asidlerin varlığı ile asid ya da baz katalizi gerçekleşirile asid ya da baz katalizi gerçekleşir

Ester ya da amid hidrolizinde bir Ester ya da amid hidrolizinde bir diğer mekanizma su yerine diğer mekanizma su yerine enzimin aktif bölgesinde daha enzimin aktif bölgesinde daha nükleofilik bir grubun yer almasınükleofilik bir grubun yer alması

Serin amino asidinin –OH grubu Serin amino asidinin –OH grubu enzimler tarafından bu amaçla enzimler tarafından bu amaçla kullanılmaktakullanılmakta

Genel asid-baz katalizi

Asetoasetat dekarboksilaz enzimi

Elektrostatik kataliz Enzimlerin aktif bölgesinde yüklü grupların Enzimlerin aktif bölgesinde yüklü grupların

bulunması elektrostatik etkileşimlerin bulunması elektrostatik etkileşimlerin oluşmasını sağlaroluşmasını sağlar

Substratın bağlanması genellikle enzimin Substratın bağlanması genellikle enzimin aktif bölgesinden suyu uzaklaştırıraktif bölgesinden suyu uzaklaştırır

Daha polar bir yapıya kavuşan aktif bölge, Daha polar bir yapıya kavuşan aktif bölge, sulu ortamdakinden daha güçlü sulu ortamdakinden daha güçlü elektrostatik etkileşimler geliştirirelektrostatik etkileşimler geliştirir

Kovalent kataliz Enzim üzerindeki nükleofilik bir grup ile Enzim üzerindeki nükleofilik bir grup ile

substrat üzerindeki elektrofilik bir grup substrat üzerindeki elektrofilik bir grup arasında kovalent bağ oluşumu ile arasında kovalent bağ oluşumu ile kataliz gelişirkataliz gelişir

Metal iyon katalizi Enzimlerin yaklaşık üçte biri katalitik Enzimlerin yaklaşık üçte biri katalitik

aktiviteleri için metal iyonlarına ihtiyaç duyaraktiviteleri için metal iyonlarına ihtiyaç duyar Metal iyonlarıMetal iyonları

Substratları bağlayarak,Substratları bağlayarak, Elektrostatik olarak negatif yükleri stabilize ederek Elektrostatik olarak negatif yükleri stabilize ederek

ve koruyarak,ve koruyarak, Oksidasyon-redüksiyon reaksiyonlarına, metal Oksidasyon-redüksiyon reaksiyonlarına, metal

iyonunun geri dönüşümlü oksidasyon değişiklikleri iyonunun geri dönüşümlü oksidasyon değişiklikleri yoluyla aracılık ederek yoluyla aracılık ederek katalitik sürece katılırkatalitik sürece katılır

Yakınlık etkisi Bir enzim uygun bir oryantasyonda iki Bir enzim uygun bir oryantasyonda iki

reaktanı bir araya getirerek, reaksiyonu reaktanı bir araya getirerek, reaksiyonu başlatabilirbaşlatabilir

Özellikle bir molekülde gruplar arasında Özellikle bir molekülde gruplar arasında gelişen intramoleküler reaksiyonlar, iki gelişen intramoleküler reaksiyonlar, iki ayrı substratın bir araya gelmesi ile ayrı substratın bir araya gelmesi ile oluşan reaksiyonlardan daha hızlı oluşan reaksiyonlardan daha hızlı olarak gerçekleşir olarak gerçekleşir

Yakınlık etkisi

Yakınlık etkisi Moleküller arası reaksiyonları Moleküller arası reaksiyonları

katalizleyen enzimler aktif bölgelerine katalizleyen enzimler aktif bölgelerine substratlarını bağlayarak, bu substratlarını bağlayarak, bu substratlar arasında yakınlık substratlar arasında yakınlık oluşturup, reaksiyona uygun oluşturup, reaksiyona uygun oryantasyonu sağlamış olurlaroryantasyonu sağlamış olurlar

Substratlar bu şekilde bağlandıktan Substratlar bu şekilde bağlandıktan sonra, sanki tek bir molekül üzerindeki sonra, sanki tek bir molekül üzerindeki intramoleküler bir olay gibi reaksiyon intramoleküler bir olay gibi reaksiyon gerçekleşirgerçekleşir

Aşağıdakilerden hangisi reaksiyon hızını etkilemez?

a) Ortam ısısıb) Ortam pH’sıc) Substrat özgünlüğüd) Enzim konsantrasyonue) Substrat konsnatrasyonu

Sağlık Slaytları http://hastaneciyiz.blogspot.com