Konu Anlatımı
Enzimler ve Enzim Aktivitesi
Bu derste ne öğreneceğiz?
Enzimler, hücre içinde çok yavaş yürüyen kimyasal tepkimeleri hızlandıran biyolojik katalizörlerdir. Bu derste enzimin yapısını, substrat bağlanmasını, enzim aktivitesini belirleyen sıcaklık, pH, derişim ve inhibitör etkenlerini, Michaelis-Menten hız bağıntısını ve bir enzimin birim aktivitesini sayısal olarak nasıl hesapladığımızı öğreneceğiz.
Dersten sonra şunları yapabiliyor olmanız gerekiyor: bir enzimin hangi substrata özgü olduğunu ayırt etmek, bir deneyde bağımlı ve bağımsız değişkeni doğru seçmek, verilen Vmax ve Km değerlerinden başlangıç hızını hesaplamak, bir gözlem tablosunda enzim denatürasyonu ile substrat yetersizliğini ayırmak.
- Kazanım 1: Enzimlerin biyolojik katalizör işlevini ve protein yapısını açıklar.
- Kazanım 2: Aktif merkez, substrat ve enzim-substrat karma kompleksini tanımlar.
- Kazanım 3: Optimum sıcaklık ve optimum pH kavramını örneklerle açıklar.
- Kazanım 4: Enzim aktivitesini artıran ve azaltan etkenleri sınıflandırır.
- Kazanım 5: Michaelis-Menten bağıntısıyla başlangıç hızını ve toplam birim aktiviteyi hesaplar.
Ön bilgi
Bu konunun ön bilgisi, Canlıların Temel Bileşenleri: Organik ve İnorganik Maddeler konusundaki protein tanıtımıdır. Enzimler birer proteindir ve proteinler amino asitlerden oluşur. Bu yüzden enzimi anlamak için önce proteinin yapısını bilmek gerekir; enzimin şekli, omurgasındaki amino asit dizisinden doğar.
İkinci ön bilgi hücre zarından madde geçişi ve derişim farkıdır. Enzim deneylerinde substrat derişiminin neden bu kadar belirleyici olduğunu anlamak, madde geçişlerindeki derişim mantığını bilmeyi gerektirir. Üçüncü ön bilgi ATP'dir; bazı enzimler ATP harcayarak çalışır, bazıları ATP üretir.
Enzim Nedir, Yapısı Nasıldır?
Enzim, canlı hücrede üretilen, kendisi tüketilmeden bir kimyasal tepkimeyi hızlandıran ve o tepkimenin yalnızca özgül bir substrat üzerinde yürümesini sağlayan biyolojik katalizördür. Enzimlerin büyük bölümü proteindir; bu yüzden ribozomlarda sentezlenirler. Enzimler tepkimenin denge konumunu değiştirmez, yalnızca dengeye kaç dakikada ulaşılacağını değiştirir.
Bir enzimin iş yapan bölgesine aktif merkez denir. Aktif merkezde substrata uyan dar bir yarık bulunur; yarığın şekli substratın şekline özgüdür ve birkaç amino asitten oluşur. Enzimlerin bir kısmı, kofaktör adı verilen metal iyonlarıyla veya kozenzim adı verilen organik moleküllerle çalışabilmek için yardıma ihtiyaç duyar. Bu yardımcılar enzimin yapısına dâhildir; dışarıdan sağlanmazsa enzim substrata bağlanamaz.
Substrat, Enzim ve Karma Kompleks
Enzimin etkilediği moleküle substrat denir. Enzim substratla karşılaştığında önce enzim-substrat karma kompleksi oluşur. Karma kompleks oluştuktan sonra aktif merkezdeki amino asitler, substratın uygun kimyasal gruplarına tutunur ve aktif merkezin şekli değişir. Bu değişim, substrattaki zayıf bağları kırarak ürünün oluşmasını sağlar.
Tepkime bittikten sonra ürün aktif merkezden ayrılır ve enzim yeniden serbest kalır. Enzim bir kez harcanmaz; kataliz döngüsü sayesinde aynı molekül binlerce tepkimeyi gerçekleştirebilir. Enzimlerin çok az miktarda kullanılabilmesi de bu yüzden mümkündür. Binlerce basamağı olan bir biyokimyasal yolun toplamda makul bir sürede işlemesi, her basamakta bir enzim molekülünün defalarca yeniden kullanılmasına dayanır.
Enzim Hızını Etkileyen Etkenler
Enzim hızı, birim zamanda dönüştürülen substrat miktarıdır. Bu hızı en çok etkileyen etken substrat derişimidir. Derişim arttıkça hız artar, çünkü enzimin substratla karşılaşma olasılığı artar. Ancak aktif merkezlerin sayısı sınırlıdır; merkezlerin tamamı substratla dolduğunda hız daha fazla artamaz ve bir değere yaklaşarak sabitlenir. Bu davranışın matematiksel ifadesi Michaelis-Menten eşitliğidir.
Sıcaklık hızı iki farklı yolla etkiler. Önce kinetik enerjiyi artırarak tepkime çarpışmalarını çoğaltır ve hızı yükseltir. Belirli bir sıcaklıktan sonra ise enzim proteininin üç boyutlu yapısı bozulmaya başlar ve hız düşer. pH da aynı biçimde çift etkilidir: enzim belirli bir pH aralığında en iyi işler, bu aralığın dışında yüklerin değişmesi aktif merkez şeklini bozar.
Optimum Sıcaklık ve Optimum pH
Bir enzimin aktivitesinin en yüksek olduğu sıcaklığa optimum sıcaklık, aktivitesinin en yüksek olduğu pH değerine optimum pH denir. İnsan vücut enzimleri için genellikle 37 °C optimum kabul edilir. Mide enzimi pepsinin optimum pH değeri ise 2 civarındadır; tükürük enzimi amilazınki ise yaklaşık 7'dir. Aynı enzimin optimum değeri, bulunduğu ortama göre değişebilir.
Optimum değerin üzerine çıkıldığında enzim denatüre olur. Denatürasyon, enzimin üç boyutlu yapısının bozulması ve aktif merkezin şeklinin değişmesidir. Bu değişim geri dönüşümsüzdür: bir kez denatüre olan enzim, daha sonra soğutulsa bile yeniden işlevsel hâle dönmez. Yüksek ısıda pişirilen besinlerin bir bölümündeki vitaminlerin de tahrip olmasının nedeni aynıdır.
Aktivasyon Enerjisi ve Kataliz Kavramı
Bir kimyasal tepkimenin gerçekleşebilmesi için moleküllerin belirli bir enerji eşiğini aşması gerekir; bu eşik aktivasyon enerjisidir. Enzim, geçişi kolaylaştırarak bu eşiği düşürür; böylece daha düşük sıcaklıkta ve çok daha hızlı tepkime sağlanır. Enzim substratın yapısını geçici olarak değiştirdiği için değişim tamamlanınca substrat eski hâline döner ve enzim değişmeden çıkar.
Buradaki en önemli ayrım şudur: enzim tepkimenin denge konumunu değiştirmez. Denge konumu, başlangıçta sona eşit miktarda ürün oluşacağı anı belirler; enzim yalnızca bu ana ne kadar sürede ulaşılacağını değiştirir. Bu nedenle enzim kalıcı bir kimyasal dönüşüm sağlamaz, ürünün toplam miktarını da tek başına çoğaltmaz.
Enzim İnhibitörleri ve Düzenleyiciler
Enzim aktivitesini düşüren moleküllere inhibitör denir. Geri dönüşümlü yani yarışmalı inhibitör, aktif merkez için substratla yarışır; substrat derişimi yükseltildiğinde inhibitörün etkisi azalır, çünkü enzim daha çok substratla karşılaşır. Geri dönüşümsüz inhibitör ise enzime kovalent olarak bağlanır, aktif merkezi kalıcı olarak kapatır ve substrat derişimini artırmak işe yaramaz.
Aktiviteyi artıran etkenler de vardır. Bunların başında kofaktörler, metal iyonları ve kozenzimler gelir. Ayrıca bir enzimi üreten genin kopyalarının artması, hücrede yapılan enzim miktarını ve dolayısıyla toplam aktiviteyi artırır. Buna karşılık inhibitör varlığı, aşırı sıcaklık ve pH kayması aktiviteyi düşürür. Hücredeki enzim miktarı ile enzimin ne kadar iyi çalıştığı ayrı iki konudur.
Enzim Birimi, Spesifik Aktivite ve Deney Tasarımı
Enzim miktarı kitle hâlinde değil, aktiviteyle belirtilir. Birim, belirli koşullarda belirli sürede dönüştürülen substrat miktarıdır. Toplam birim sayısı, enzim kütlesi ile birim başına aktivitenin çarpımıdır. Ölçümün hangi protein kütlesine göre yapıldığını göstermek için birim sayısı protein miktarına bölünür ve spesifik aktivite elde edilir; bu değer arızan bir enzimi saf enzime göre ayırt etmeyi sağlar.
Enzim deneyi bir bilimsel yöntem örneğidir ve değişkenleri ayırmak zorundadır. Deneyde bilinçli olarak değiştirilen ve ölçülen etkene bağımsız değişken, gözlenen sonuca bağımlı değişken, değiştirilmediği hâlde karşılaştırma için saklanan gruba ise kontrol denir. Kontrol deneyleri, gözlenen etkinin gerçekten enzime bağlı olduğunu gösterdiği için atlanmamalıdır.
Basit örnek
Bir enzimin saf bir numunesi bulunmaktadır. Numunenin birim başına aktivitesi 400 birimdir ve elde edilen enzim kütlesi 2,5 gramdır. Toplam aktivite, birim başına aktivite ile kütlenin çarpılmasıyla bulunur: 400 × 2,5 = 1000 birim. Yani bu numune toplam 1000 birimlik aktiviteye sahiptir. Bu basit hesap, laboratuvarda enzim şişesinin üzerindeki aktivite bilgisinin nasıl okunduğunu gösterir.
İleri örnek
Bir maya kültüründe alkol fermantasyonuyla etanol üretiliyor. Deneyde dört ayrı tüpte substrat derişimi kademeli olarak artırılmış ve her tüpte dakikada dönüşen substrat miktarı ölçülmüştür. İlk tüpte substrat az olduğu için enzim kısa süre boşta kalır ve hız düşüktür. Orta tüplerde enzim substratla sürekli karşılaştığı için hız hızla artar. Son tüplerde enzimlerin bütün aktif merkezleri substratla dolu olduğu için hız daha fazla artmaz, sabit bir değere yaklaşır. Ölçülen hızlar sırasıyla 12, 26, 32 ve 34 mikromol/dk ise bir dakikada dönüşen toplam substrat 12 + 26 + 32 + 34 = 104 mikromol olur. Bu tablo, hızın neden bir üst sınıra neden ulaştığını doğrudan gösterir.
Adım adım çözülmüş örnek
Aşağıdaki örnekte bir enzimin başlangıç hızı, Michaelis-Menten bağıntısıyla adım adım hesaplanmaktadır.
- Adım 1: Bağıntı kurulur: V₀ = Vmax × [S] ÷ (Km + [S]). Verilenler: Vmax 50 birim/dk, Km 10, substrat derişimi 30.
- Adım 2: Pay kısmı hesaplanır: 50 × 30 = 1500 birim/dk.
- Adım 3: Payda hesaplanır: 10 + 30 = 40.
- Adım 4: Bölme yapılır: 1500 ÷ 40 = 37,5 birim/dk. Bu değer başlangıç hızıdır.
- Adım 5: Denetim yapılır: substrat derişimi Km değerinin üç katı olduğu için hız Vmax değerine epey yakındır; sonuç beklenen aralıktadır.
Kavram karşılaştırma tablosu
| Ölçüt | Enzim | Substrat | Ürün |
|---|
| Tanım | Hızlandırıcı biyolojik katalizör | Enzimin etkilediği molekül | Tepkime sonunda oluşan molekül |
| Tepkimedeki rolü | Katalizör, değişmeden çıkar | Tüketilen bileşen | Oluşturulan bileşen |
| Yapı | Çoğunlukla protein, karma yapıda | Protein, karbonhidrat veya yağ olabilir | Karma kompleksten ayrılan madde |
| Özgüllük | Yalnız yapısına uyan substrata özgüdür | Yalnız uygun enzimle tepkimeye girer | Başka maddelerle de tepkimeye girebilir |
| Derişim etkisi | Miktar artınca toplam aktivite artar | Artan derişim hızı doygunluğa kadar artırır | Miktar artan substrat miktarına bağlıdır |
| Geri dönüşümlülük | Kataliz döngüsünde yeniden kullanılır | Tüketilir ve yenilenmez | Ortamda birikir |
| Ölçüm birimi | Birim ya da birim protein kütlesi | Molar derişim | Molar derişim |
Sık Yapılan Hatalar
- Enzim dengeyi değiştirir: Enzim yalnız aktivasyon enerjisini düşürür; denge konumuna dokunmaz.
- Sıcaklık arttıkça hız sonsuza dek artar: Optimum sıcaklıktan sonra denatürasyon başlar ve hız düşer.
- Denatürasyon soğutmakla geri alınır: Denatürasyon geri dönüşümsüzdür; geri dönüşümlü olan yalnızca konformasyon değişikliğidir.
- Vmax enzim derişiminden bağımsızdır: Vmax enzim derişimiyle doğru orantılıdır; enzim miktarı iki katına çıkarsa Vmax de iki katına çıkar.
- Km tek başına hızı verir: Km, hızın Vmax yarısına ulaştığı substrat derişimidir; hız Km ile substrat derişimi birlikte belirler.
- İnhibitör etkisi her zaman kalıcıdır: Yarışmalı inhibitörde substrat artırılınca etki azalır; geri dönüşümsüz olan için bu yol işe yaramaz.
- Enzim tipiyle enzim miktarını karıştırmak: Uygunsuz substratta enzim hiç çalışmaz; doğru substrat bulunmalıdır.
- Kofaktör gereksizdir: Kofaktör ve kozenzimler bazı enzimlerin çalışması için zorunludur.
Özet
Enzimler canlı hücrede üretilen, ribozomlarda sentezlenen ve tepkime hızlandıran proteinlerdir. Enzim substratla karşılaşınca aktif merkezde bir enzim-substrat karma kompleksi oluşturur, ürünü oluşturduktan sonra ürünü bırakır ve yeniden serbest kalır. Enzimler dengeyi değiştirmez, aktivasyon enerjisini düşürür. Enzim hızını substrat derişimi, sıcaklık, pH, kofaktör varlığı, enzim miktarı ve inhibitörler etkiler. Optimum sıcaklık ve optimum pH, enzim hızının en yüksek olduğu değerlerdir; bu sınırlar aşıldığında enzim denatüre olur ve geri dönüşümsüz olarak işlevini kaybeder. Enzim miktarı kitleyle değil birimle ölçülür; toplam birim aktivite enzim kütlesi ile birim başına aktivitenin çarpımıdır, spesifik aktivite ise toplam aktivitenin protein kütlesine bölümüdür. Deneyde bağımsız değişken, bağımlı değişken ve kontrol kavramları enzim deneylerinde de aynı biçimde kullanılır.
Kendini dene
Aşağıdaki üç soruyu yanıtlamadan önce her biri için puan ver. Birincisi, bir enzimin substrat derişimi artırıldığında neden son bir noktadan sonra hızın artmayı bıraktığını ve bu noktada enzimlerin ne durumda olduğunu açıklamaktır. İkincisi, denatürasyon ile geri dönüşümlü konformasyon değişikliği arasındaki farkı ve pH değişiminde hangisinin görüldüğü sorusudur. Üçüncüsü, Vmax değeri bilinmediği bir deneyde Km değerinin nasıl elde edileceğine dair bir yol tarif etmektir. Kendinize puan verirken kullanılan kavramı, verilen yanıtı ve eksik bıraktığınız adımı ayrı ayrı not edin; eksik bulduğunuz adımı özet bölümüne dönerek tamamlayın.
İlgili konular
- Canlıların Temel Bileşenleri: Organik ve İnorganik Maddeler — protein yapısı ve enzim kavramının giriş yapıldığı konu.
- Hücrenin Yapısı ve Organeller — ribozomun protein sentezindeki yeri.
- Difüzyon, Ozmoz, Aktif Taşıma, Endositoz ve Ekzositoz — derişim farkının hızı nasıl etkilediği.
- Hücresel Solunum ve Enerji Üretimi — enzimlerin hücrede ATP üretimindeki rolü.
