Enzimler

Bir küp şekeri bir kaşığa koyup üzerine kibrit tutun; şeker kararır, erir, ama kolay kolay yanmaz. Oysa vücudunuz aynı şekeri her gün, otuz yedi derecede, alev olmadan parçalar ve içindeki enerjiyi kullanır. Laboratuvarda yüksek sıcaklık ya da güçlü kimyasallar gerektiren tepkimeler, hücrede ılık ve sulu bir ortamda saniyeler içinde gerçekleşir. Bu farkı yaratan, hücrelerin ürettiği özel proteinlerdir. Bir önceki derste proteinlerin üç boyutlu şekillerinin görevleri için ne kadar önemli olduğunu gördük. Bu derste önce bu tepkime hızlandırıcıların nasıl çalıştığına, ardından hangi koşulların onları hızlandırdığına ya da durdurduğuna bakıyoruz.

• Enzimin bir biyolojik katalizör olarak nasıl çalıştığını aktivasyon enerjisiyle açıklarsın.
• Basit ve bileşik enzimleri, apoenzim, kofaktör ve koenzim kavramlarını ayırt edersin.
• Aktif bölge, özgüllük ve adlandırma kurallarını örneklerle kullanırsın.
• Sıcaklık, pH, substrat ve enzim derişimi ile inhibitörlerin enzim etkinliğine etkisini grafiklerle yorumlarsın.

Biyolojik katalizör

Bir tepkimenin başlayabilmesi için tepkimeye girecek moleküllerin belli bir enerji eşiğini aşması gerekir; bu eşiğe aktivasyon enerjisi denir. Laboratuvarda bu eşik genellikle ısıtarak aşılır. Hücreler ise sıcaklığı yükseltemez; bunun yerine eşiği düşüren moleküller kullanır. Bu moleküllere enzim denir. Enzimler tepkimeyi hızlandırır, ama tepkimeden değişmeden çıkar ve yeniden kullanılabilir. Bu yüzden çok az miktarda enzim, çok sayıda molekülü dönüştürebilir. Enzimler yeni tepkimeler yaratmaz; zaten gerçekleşebilecek bir tepkimenin çok daha hızlı yürümesini sağlar. Enzimlerin büyük çoğunluğu proteindir ve hücrenin kalıtım bilgisine göre ribozomlarda üretilir.

Basit ve bileşik enzimler

Bazı enzimler yalnızca proteinden oluşur; bunlara basit enzim denir. Bazı enzimler ise çalışabilmek için protein kısmın yanında yardımcı bir kısma ihtiyaç duyar; bunlara bileşik enzim denir. Bileşik enzimin protein kısmına apoenzim, yardımcı kısmına kofaktör denir. Kofaktör magnezyum, çinko, demir gibi bir mineral iyonu olabilir. Yardımcı kısım organik bir molekülse ona koenzim adı verilir; koenzimlerin çoğu vitaminlerden türer. Apoenzim ile kofaktör tek başlarına işlev göremez; ikisi birleşince holoenzim denen çalışan enzim ortaya çıkar.

Aktif bölge

Enzimin yüzeyinde, etki edeceği molekülün yerleştiği özel bir cep bulunur; bu cebe aktif bölge, enzimin etki ettiği moleküle substrat denir. Substrat aktif bölgeye bağlanınca kısa ömürlü bir enzim-substrat kompleksi oluşur; tepkime gerçekleşir, ürünler serbest kalır ve enzim yeni bir substratı kabul etmeye hazır olur. Bu uyum çoğu zaman bir anahtarın kilide oturmasına benzetilir. Daha ayrıntılı bir bakışa göre aktif bölge katı değildir; substrat bağlanırken enzim biçimini biraz değiştirerek substratı sıkıca kavrar. Bu görüşe uyarılmış uyum denir.

Özgüllük ve adlandırma

Aktif bölgenin biçimi yalnız uygun substratları kabul ettiği için her enzim belirli bir substrat ya da substrat grubu üzerinde etkilidir; bu özelliğe özgüllük denir. Nişastayı parçalayan amilaz yağlara, yağları parçalayan lipaz proteinlere etki etmez. Enzimlerin adı çoğu zaman substratın adına -az eki getirilerek kurulur: maltozu maltaz, laktozu laktaz, yağları lipaz parçalar. Pepsin ve tripsin gibi bazı enzimler ise eski adlarıyla anılmaya devam eder.

Sıcaklık

Sıcaklık arttıkça moleküller daha hızlı hareket eder ve enzim ile substratın karşılaşma sayısı artar; tepkime hızlanır. Her enzimin en hızlı çalıştığı bir optimum sıcaklık vardır; insan enzimlerinin çoğu için bu, vücut sıcaklığına yakındır. Kaplıcalardaki sıcak sularda yaşayan bazı bakterilerin enzimleri ise çok daha yüksek sıcaklıklarda bile biçimini korur. Optimum aşıldığında enzimin üç boyutlu biçimi bozulmaya başlar, aktif bölge şeklini kaybeder ve hız hızla düşer; bu denatürasyon çoğu zaman geri dönmez. Düşük sıcaklıkta ise enzim yavaş çalışır, ama yapısı bozulmaz; ortam ısınınca yeniden hızlanır. Besinlerin buzdolabında daha geç bozulması bu yüzdendir.

pH

Her enzimin en iyi çalıştığı bir optimum pH aralığı vardır. Midede proteinleri parçalayan pepsin, kuvvetli asidik ortamda çalışır. İnce bağırsakta proteinleri parçalamaya devam eden tripsin ise hafif bazik ortamda etkilidir. Tükürükteki amilaz, ağızda nişastayı parçalamaya başlar, ama besinle birlikte asidik mideye ulaştığında etkinliğini yitirir. Optimum aralığın dışına çıkıldığında aktif bölgenin biçimi değişir ve enzim yavaşlar ya da durur.

Substrat ve enzim derişimi

Enzim miktarı sabitken substrat derişimi artırılırsa tepkime hızı önce artar; ama bir noktadan sonra bütün aktif bölgeler dolu olur ve hız bir üst sınırda sabitlenir. Bu duruma doygunluk denir. Substrat bolsa, enzim miktarı artırıldığında tepkime hızı da enzim miktarıyla orantılı olarak artar, çünkü hızı belirleyen artık çalışan enzim sayısıdır.

İnhibitörler ve aktivatörler

Bazı moleküller enzimin çalışmasını yavaşlatır ya da durdurur; bunlara inhibitör denir. Yarışmalı inhibitörler substrata benzer ve aktif bölgeye bağlanarak gerçek substratın girmesini engeller. Bazı inhibitörler ise enzimin başka bir yerine bağlanıp biçimini değiştirir. Cıva ve kurşun gibi ağır metaller enzimlerin yapısını bozarak zehir etkisi gösterir. Bazı moleküller ve iyonlar ise enzimin etkinliğini artırır; bunlara aktivatör denir.

Enzimler mutfakta

Enzimlerin etkisi mutfakta da görülür. Taze ananas ya da kivi parçaları jelatinli bir tatlıya katılırsa tatlı donmaz; bu meyvelerdeki protein parçalayan enzimler jelatinin protein yapısını bozar. Aynı meyveler pişirildikten sonra katılırsa tatlı donar, çünkü ısı bu enzimleri denatüre etmiştir. Peynir yapımında kullanılan peynir mayası, sütteki proteinleri pıhtılaştıran enzimler içerir. Meyve suyu üretiminde, meyve dokusunu bir arada tutan maddeleri parçalayan enzimler suyun daha kolay ve berrak elde edilmesini sağlar. Bu örneklerin hepsinde özgüllük ve sıcaklık kuralları aynen geçerlidir.

Hücre içinde ve dışında

Enzimlerin çoğu üretildikleri hücrenin içinde çalışır. Sindirim enzimleri gibi bazıları ise hücre dışına salgılanır ve sindirim kanalında görev yapar. Enzimler hücre dışında, uygun koşullar sağlanırsa bir deney tüpünde de çalışmaya devam eder; bu yüzden enzim deneyleri laboratuvarda yapılabilir.

Koenzimlerin çoğunun vitaminlerden türemesi, vitaminleri enzimlerin sessiz ortakları yapar. Sıradaki ders vitaminleri ve vücudun uzak bölgeleri arasında haber taşıyan hormonları ele alıyor.

Örnek 1 — Katalizör

Soru: Enzimler tepkimeleri nasıl hızlandırır?

• A) Ortamın sıcaklığını yükselterek
• B) Tepkimede harcanarak
• C) Yeni tepkimeler yaratarak
• D) Aktivasyon enerjisini düşürerek
• E) Ürün miktarını artırarak

Çözüm: Enzim, tepkimenin başlaması için gereken enerji eşiğini düşürür. Cevap: D.

Örnek 2 — Bileşik enzim

Soru: Bir bileşik enzimin protein kısmına ne ad verilir?

• A) Apoenzim
• B) Koenzim
• C) Kofaktör
• D) Substrat
• E) Holoenzim

Çözüm: Protein kısım apoenzim, yardımcı kısım kofaktördür. Cevap: A.

Örnek 3 — pH

Soru: Tükürükteki amilazın midede etkinliğini yitirmesinin nedeni nedir?

• A) Midenin çok soğuk olması
• B) Midede nişasta bulunmaması
• C) Midenin asidik ortamının amilazın optimum pH aralığının dışında olması
• D) Amilazın protein olmaması
• E) Midede su bulunmaması

Çözüm: Her enzimin bir optimum pH'ı vardır; asidik ortam amilazın biçimini bozar. Cevap: C.

Örnek 4 — Doygunluk

Soru: Enzim miktarı sabitken substrat derişimi sürekli artırılırsa tepkime hızı nasıl değişir?

• A) Sürekli ve sınırsız artar.
• B) Hemen sıfıra düşer.
• C) Hiç değişmez.
• D) Önce düşer, sonra artar.
• E) Önce artar, bütün aktif bölgeler dolunca sabitlenir.

Çözüm: Enzim sayısı sınırlı olduğundan hız bir üst sınıra ulaşır. Cevap: E.

• Enzimin tepkimede harcandığını sanmak. Enzim değişmeden çıkar ve yeniden kullanılır.
• Düşük sıcaklığın enzimi bozduğunu sanmak. Soğuk yavaşlatır; bozan yüksek sıcaklıktır.
• Bütün enzimlerin aynı pH'ta çalıştığını düşünmek. Pepsin asitte, tripsin bazik ortamda çalışır.
• Substrat arttıkça hızın sınırsız arttığını sanmak. Aktif bölgeler dolunca hız sabitlenir.
• Koenzim ile apoenzimi karıştırmak. Apoenzim protein kısımdır; koenzim organik yardımcıdır.