Enzimler (Biyolojik Katalizörler)

ENZİMLER

► Enzimler olmazsa canlılar varlığını, yaşamlarını sürdüremez. 

► Sindirim, solunum, büyüme, kas kasılması, fotosentez gibi daha bir çok canlılık olaylarında enzimler rol oynar.

► Enzimler canlılardaki biyolojik katalizörlerdir.

► Canlı hücrelerdeki biyokimyasal olayların vücut sıcaklığında gerçekleşmesini sağlarlar.

► Enzimler kendisi parçalanmadan veya değişikliğe uğramadan biyokimyasal reaksiyonu katalizleyen moleküllerdir.

► Canlı tarafından hücre içinde DNA'nın denetiminde sentezlenirler. DNA'daki küçük bir değişiklik bazı enzimlerin sentezlenmemesine ya da bozuk sentezlenmesine neden olabilir.

► Bozuk sentezlenen enzim ise etkinlik gösteremez ve vücut çalışmasında çeşitli sorunlara neden olur.

Katalizör: Kataliz kelimesi Yunancada kimyasal reaksiyonlarda etkili olan, reaksiyonu hızlandıran ve kolaylaştıran anlamında kullanılmaktadır. Biyolojik olaylarda ise katalizör görevini Enzimler yerine getirir.

► Enzimler de katalizörler gibi reaksiyon hızını artırır ve bozulmadan reaksiyon sonunda çıkar.

► Canlı veya cansız tüm ortamlarda kimyasal bir reaksiyonun başlayabilmesi için reaksiyona girecek maddelerin belirli bir enerji düzeyine ulaşması gerekir.

► Bir kimyasal reaksiyonun başlayabilmesi için gerekli olan en küçük enerji miktarına Aktivasyon Enerjisi denir.

► Katalizörler; reaksiyonun gerçekleşmesi için gerekli olan aktivasyon enerjisini düşürerek tepkimeleri hızlandırırlar ve tepkimelerden etkilenmeden çıkarlar.

► Canlılarda gerçekleşen tepkimeleri hızlandıran biyolojik katalizörler enzimlerdir.

► Enzimler canlılarda gerçekleşen biyokimyasal reaksiyonlarının aktivasyon enerjisini düşürerek reaksiyonları hızlandırırlar. Reaksiyonları başlatmazlar. Çünkü reaksiyonları aktivasyon enerjisi başlatır.

Aktivasyon Enerjisi; Bir tepkimenin başlayabilmesi için gerekli olan en düşük enerji düzeyine Aktivasyon Enerjisi denir.

♦ Bazı reaksiyonların başlayabilmesi için sadece ısı yeterli iken; bazılarında hem ısı hem de ATP enerjisi gereklidir.

Enzim Çeşitleri

Enzim çeşitleri yapılarına göre 2 çeşittir.

1. Basit Enzimler

2. Bileşik Enzimler

1. Basit Enzimler

► Basit enzimler sadece proteinden oluşmuş enzimlerdir. Yapılarında sadece amino asitler bulunur.

► Pepsin, amilaz ve üreaz gibi sindirim enzimleri basit yapılı enzimlerdir.

2. Bileşik Enzimler (Holoenzim)

► Bileşik enzimler, protein kısım ile yardımcı kısımdan oluşan enzimlerdir.

► Bileşik enzimler holoenzim olarak da adlandırılır.

Protein Kısım ve Özellikleri

► Bileşik enzimin protein kısmına Apoenzim denir.

► Apoenzim; enzimin etki edeceği maddeyi tanır ve belirler.

► Enzimin etki ettiği maddeye substrat denir.

► Apoenzim tek başına inaktiftir ve yardımcı kısım olmadan çalışamaz.

► Enzim çeşitliliğini apoenzim kısmı belirler.

► Bir apoenzim sadece bir çeşit yardımcı kısımla çalışabilir.

► Enzimin pH ve sıcaklıktan etkilenen kısmıdır.

► Apoenzim üzerinde substratın bağlandığı bölge yani aktif bölge bulunur. Substrat enzim üzerindeki aktif bölge ile uyumlu olmalıdır.

Yardımcı Kısım ve Özellikleri

► Bileşik enzimlerin yardımcı kısmına Kofaktör adı verilir.

► Kofaktör organik veya inorganik yapılı olabilir. Kofaktör organik ise Koenzim adını alır. B grubu vitaminler, Ca (Kalsiyum), Mg (Magnezyum), K (Potasyum) gibi metal iyonlar kofaktörlere örnek verilebilir.

► Substratı ürüne dönüştüren kısım koenzim veya kofaktör kısmıdır.

► Yardımcı kısım ile birleşerek aktif hale geçen apoenzime Holoenzim (Bileşik Enzim) denir.

► Enzimin substratına geçici olarak bağlandığı ve etki ettiği bölgeye Aktif Merkez denir.

► Yardımcı kısım bileşik enzimin iş gören kısmıdır. Yardımcı kısım olmadan, apoenzim enzimin etki edeceği substratı tanır ancak reaksiyon gerçekleşemez. Çünkü asıl etkiyi yardımcı kısım yapar.

► Bir koenzim veya kofaktör birden fazla apoenzim ile çalışabilir. Ancak bir apoenzim sadece belli bir koenzim yada kofaktör ile çalışır.

► Bileşik enzimlere örnek; DNA Polimeraz, RNA Polimeraz enzimleri

Enzimlerin Genel Özellikleri

1. Canlıdaki biyokimyasal tepkimeleri hızlandırırlar. Reaksiyonları başlatmazlar. Aktivasyon enerjisinin başlattığı reaksiyonları hızlandırırlar.

2. Enzimler reaksiyonlara özeldir. Canlıda genellikle enzim çeşidi kadar reaksiyon çeşidi vardır. Her enzimin etki ettiği bir çeşit reaksiyon vardır.

3. Enzimler reaksiyonlardan etkilenmeden çıkarlar. Tekrar tekrar kullanılırlar.

4. Zamanla yapısı bozulan enzimler amino asitlerine kadar yıkılır ve DNA tarafından yenisi sentezlenir. Yapısındaki kofaktörler ve koenzimler ise yeni enzimlerin yapısında tekrar tekrar kullanılabilir.

5. Bir enzimin etki ettiği maddeye Substrat, tepkime sonunda ortaya çıkan maddeye ise Ürün denir.

6. Enzimler DNA şifresine göre sentezlenirler. Her enzimin sentezinden bir gen sorumludur. Bir genin yapısı bozulursa ilgili enzim sentezlenemez.

7. Enzimler etkilerini substratın dış yüzeyinden başlatarak gerçekleştirirler.

8. Sıcaklık ve pH değişiminden etkilenirler. Enzimlerin en iyi çalıştığı sıcaklığa Optimum Sıcaklık denir. Sıcaklığın 35 ^oC olduğu ortamlarda en iyi çalışırlar. Düşük sıcaklıkta çalışmaları durur ancak yapıları bozulmaz. 50 - 60 ^oC sıcaklıktan sonra yapıları bozulur ve işlevlerini kaybederler. (Protein yapısını bozan tüm faktörler enzimlerin de yapısını bozar. Çünki enzimler protein yapılıdır.) Her enzimin çalıştığı uygun bir pH aralığı vardır. Örneğin; midedeki pepsin enzimi asidik ortamda iyi çalışır.

9. Enzimlerin çoğu takım halinde çalışır. Takım halinde çalışan bir enzimin etki ettiği tepkimenin ürünü, kendinden sonraki enzimin substratıdır. Örneğin; patatesteki nişastayı sindirim kanalında glikozlara kadar parçalayan amilaz ve maltaz enzimleri örnek verilebilir.

Nişasta + Su + Amilaz Enzimi → Maltoz + Dekstrin + Amilaz Enzimi (Değişmeden çıkar)

Maltoz + Su + Maltaz Enzimi → Glikoz + Glikoz + Maltaz Enzimi (Değişmeden çıkar)

► Bu reaksiyonlarda Maltoz, Amilaz Enziminin ürünü iken, Maltaz Enziminin substratıdır.

10. Takım halinde çalışan enzimlerin çalışması Geri Besleme (Feed Back) Mekanizması ile kontrol edilir. Son ürün miktarı belli bir değere ulaştığında, son ürün baştaki enzimlerden birine bağlanarak o enzimin çalışmasını durdurur. Bu durum; ortamda gereksiz ürün birikimini önler. Metabolik olayların düzenli işlemesini sağlar. Canlıda enerji tasarrufu sağlanır.     

11. Enzimlerin çoğu çift yönlü (tersinir) çalışır. Örneğin; Kanda CO₂ taşınmasında görev alan ve alyuvarların içinde bulunan Karbonik Anhidraz enzimi tersinir çalışır. Bazı enzimler tersinir çalışmaz ve tepkimeleri tek yönlüdür. Örneğin; karaciğerde Hidrojen Peroksiti (H₂O₂) parçalayan Katalaz Enzimi ile besinlerin sindirimini sağlayan sindirim enzimleri tek yönlü çalışan enzimlerdir.

12. Enzimler sulu ortamda çalışır. Ortamdaki su miktarı %15'in altına düşerse enzimler çalışamaz. Örneğin; kurutulmuş tohumlarda, salça gibi ürünlerde ve reçellerde su oranı %15'in altına düşürülür. Böylece tohumlar en az iki yıl uyku halinde kalarak canlılıklarını korurlar. Reçel gibi ürünlere su verildiğinde mikroorganizmaların enzimleri çalışmaya başlar ve ürün bozulur.

13. Bazı enzimler sadece hücre içinde çalışabilir. (Enzimler yapay olarak ta üretilebilir.) Bazı enzimler ise hem hücre içinde hem de hücre dışında çalışabilir. Örneğin, sindirim enzimleri hem hücre içinde hem de hücre dışında çalışabilir. Yapım reaksiyonlarında görevli enzimler ise sadece hücre içinde görev alır. Bunun nedeni yapım reaksiyonlarının tamamı için ATP'nin gerekli olması ve ATP'nin sadece hücre içinde sentezlenmesidir.

14. Enzimin, substrata bağlandığı bölge apoenzim kısmında olup Aktif Bölge adını alır. Enzim ile substrat arasında anahtar - kilit uyumu vardır. Nasıl ki her anahtar her kilidi açmaz ise her enzim de her substrata etki etmez.

15. Enzim, substratına bağlanarak enzim-substrat kompleksini oluşturur. Bu bağlanma geçici olarak apoenzimdeki aktif merkezde olur. Substrat, enzimin etkisi ile ürüne dönüşür. Enzim ise reaksiyon sonunda herhangi bir değişikliğe uğramadan üründen ayrılır.

16. Enzimler genellikle substrat çeşidi ya da tepkime çeşidinin adının sonuna ".az" eki getirilerek adlandırılır. Örnek; maltaz, sükraz gibi

► İnaktif durumda bulunan enzimlerin adının sonunda ise ".ojen" eki bulunur. Örnek; pepsinojen gibi.

► İnaktif enzimler belli şartlar altında aktifleşerek iş görürler. Örneğin; midemizde proteinlerin sindirimini sağlayan pepsinojen enzimi mide tarafından inaktif olarak salgılanır.

► Besinler mideye ulaştığında mideden salgılanan HCl (Hidroklorik asit) ile aktifleşerek pepsin enzimine dönüşür. Pepsin mideye gelen proteinlere etki eder.

17. Enzimler çok hızlı çalışırlar. Örneğin; karaciğer, kas ve bitki hücrelerinde metabolizma sonucunda H₂O₂ (Hidrojen Peroksit) oluşur. H₂O₂ çok zararlı bir bileşiktir. Karaciğer, kas ve bitki hücrelerinde bulunan katalaz enzimi bir saniyede milyonlarca H₂O₂ molekülünü su ve oksijene parçalayarak zararsız hale getirir.

18. Amilaz gibi bazı enzimler farklı substratlara etki ederek (amilaz hem nişastaya hem de glikojene etki eder) aynı ürünleri (glikoz) oluşturabilir.

► Aynı substrata etki eden farklı enzimler farklı ürünleri oluşturabilir. Örneğin; glikoza etki eden farklı enzimler farklı ürünlerin oluşumunu sağlar.

Enzimlerin Çalışmasına Etki Eden Faktörler

1. Sıcaklık

► Enzimlerin en iyi çalıştığı sıcaklığa Optimum (İdeal) Sıcaklık denir.

► Enzimler protein yapısında olduğundan yüksek sıcaklıkta üç boyutlu yapılarını geri dönüşümü olmayan bir şekilde kaybederler. Bu olaya Denatürasyon denir. Enzimler genellikle 55 ^oC'den sonraki sıcaklıklarda denatüre olurlar. Sinir sistemi enzimleri ise 41 ^oC'den sonra denatüre olur. Bu nedenle yüksek ateş havale geçirmemize neden olur.

► Enzimlerin düşük sıcaklıkta yapısı bozulmaz ancak etkinliği azalır veya faaliyet gösteremez. 0 ^oC gibi düşük sıcaklıklarda  gıdaların bozulmadan saklanabilmesinin nedeni budur. Sıcaklık optimum değere getirildiğinde tekrar çalışmaya başlar. Bu olaya Renatürasyon denir.

► Enzimler en iyi vücut sıcaklığımız olan 37 °C civarında optimum çalışır.

2. Su Miktarı

► Enzimlerin çalışması için bulunduğu ortamın su miktarı en az %15 olmalıdır.

► Ortamdaki su yoğunluğu %15'in altına düşerse enzimler aktivite gösteremez.

► Su yoğunluğu belirli bir noktaya ulaşıncaya kadar tepkime hızı artar. Sonra sabit kalır. Eğer su yoğunluğu aşırı artarsa tepkime hızı azalır.

► Kurutulmuş meyve ve sebzelerde su yoğunluğu %15'in altına düşürülür. Böylece mikroorganizmalar üreyemez ve gıdalar uzun süre bozulmadan saklanabilir.

3. pH Derecesi

► Enzimin maksimum çalışma hızına ulaştığı pH değerine Optimum pH denir.

► Her enzimin etkin şekilde çalıştığı belirli bir pH aralığı ve maksimum hızda çalıştığı belli bir pH değeri vardır. Örneğin; midede çalışan sindirim enzimleri (pepsin) asidik ortamda en iyi çalışır.

► Pankreas ve ince bağırsaktan salgılanan sindirim enzimleri ise bazik ortamda en iyi çalışır.

► Kan ve vücut proteinlerinin optimum pH değeri genellikle 7 civarındadır.

4. Substrat Yüzeyi

► Enzimler etkinliğini substratın dış yüzeyinden başlatırlar.

► Substrat yüzeyi arttıkça tepkimenin hızı da artar. Örneğin; besinlerin iyi çiğnenmesi substrat yüzeyini arttırdığı için sindirim enzimlerinin besinlere daha hızlı etki etmesine sağlar.

5. Enzim ve Substrat Miktarı

► Enzim ve substrat miktarına bağlı olarak reaksiyon hızı üç farklı şekilde değişebilir.

a. Yeterli enzim ve substrat bulunması; ortamda yeterli enzim ve substrat varsa ve miktarları sürekli artarsa tepkime hızı da sürekli artar. Ancak doğal ortamlarda enzim ve substrat miktarı sınırlı olduğu için bu tip tepkime grafiklerine pek rastlanmaz.

b. Yeterli substrat sınırlı enzimin bulunması; enzim miktarı sabit, substrat miktarı sürekli artarsa, tepkime hızı belirli bir noktaya kadar artar. Ortamdaki tüm enzimler substratları ile birleştiğinde tepkime hızı sabit ilerler.

c. Yeterli enzim sınırlı substrat bulunması; Ortamda enzim miktarı artarken substrat miktarı sabit ise tepkime hızı belli bir noktaya kadar artar. Ortamda substrat kalmadığında tepkime durur.

6. Serbest Enzim Miktarı

► Hücrede gerçekleşen biyokimyasal olaylar sırasında zamana bağlı olarak değişen; substrat, serbest enzim, enzim-substrat kompleksi ve oluşan ürün miktarındaki değişimlerle ilgili grafikler aşağıdaki gibi gösterilebilir.

7. Aktivatörler

► Enzimin çalışma hızını artıran maddelere veya faktörlere Aktivatör denir.

► Bileşik enzimlerin yapısında bulunan kofaktör ya da koenzimler enzimlerin iş gören kısmı olduğu için aktivatördür.

► Ortamda yeterli su bulunması enzim hızını arttırdığı için su bir aktivatördür.

► Mide hücreleri tarafından inaktif olarak salgılanan pepsinojen enzimini aktifleştiren hidroklorik asit (HCl) bir aktivatördür. Ayrıca ısı, ışık, pH değişimleri reaksiyonlarda belli bir noktaya kadar aktivatör etki gösterir.

8. İnhibitörler

► Enzimlere bağlanarak ya da enzimi kararsız hale getirerek etkisiz hale getiren madde veya faktörlere İnhibitör denir.

► İnhibitörler enzimlerin çalışmasını yavaşlatır ya da geri dönüşümsüz şekilde durdurur.

► Siyanür, kurşun, civa, arsenik, karbonmonoksit, yılan, böcek ve akrep zehirleri, antibiyotikler ile bazı metabolik son ürünler inhibitör maddelere örnek olarak verilebilir.

► Ayrıca yüksek sıcaklık, ışık, pH değişimleri de enzimlere inhibitör etki yapar.

Enzimlerin eksikliği çeşitli hastalıkların ortaya çıkmasına neden olur. Örneğin; Tay-Sachs Hastalığı hücredeki lizozom organelinden salgılanan Hekzoaminidaz-A enziminin eksikliği nedeni ile ortaya çıkar. Bu enzim eksikliği sonucu beyin ve omurilikte anormal yağlı doku birikimi ve buna bağlı olarak sinir hücrelerinde hasarlanma ve ölüm gerçekleşir. Kalıtsal bir hastalıktır.

Enzimlerin Kullanım Alanları ve Önemi

► Peynir ve ekmek yapımında

► Et ürünlerinin işlenmesinde

► Laktozsuz süt üretiminde

► Hipoalerjik bebek maması üretiminde

► Glikoz ve fruktoz şekeri içeren tatlandırıcı üretiminde

► Alkollü içecek üretiminde

► Meyve sularının berraklaştırılmasında

► Biyoteknolojik araştırmalarda

► İlaç üretiminde

► Teşhis ve tedavi amacıyla tıpta

► Kontakt lens ve yara temizleme solüsyonlarında

► Deterjan üretiminde

► Derinin yumuşaması ve ipliklerin işlenmesi için tekstilde

► Kağıt ve boya sanayisinde

► Biyoyakıt üretiminde

► Atıkların yok edilmesinde