Enzimler - Enzim Nedir - Enzim Tarihi - Etimoloji - Yapılar ve Mekanizmalar
Enzimler, kataliz yapan (yani kimyasal tepkimelerin hızını artıran) biyomoleküllerdir. Hemen tüm enzimler proteindir. Enzim tepkimelerinde, bu sürece giren moleküllere substrat denir ve enzim bunları farklı moleküllere, ürünlere dönüştürür. Bir canlı hücredeki tepkimelerin hemen tamamı yeterince hızlı olabilmek için enzimlere gerek duyar. Enzimler substratları için son derece seçici oldukları için, ve pek çok olası tepkimeden sadece birkaçını hızlandırdıklarından dolayı, bir hücredeki enzimlerin kümesi o hücrede hangi metabolik yolların bulunduğunu belirler.
Her katalizör gibi enzimler de bir tepkimenin aktivasyon enerjisini (Ea veya ΔG‡) azaltarak çalışır ve böylece tepkime hızını çarpıcı şekilde artırır. Çoğu enzim tepkimesi, ona karşılık gelen ve katalizlenmeyen tepkimeden milyonlarca kere daha hızlıdır. Diğer katalizörler gibi enzimler de katalizledikleri tepkime sonucunda tükenmez, ve bu tepkimelerin dengesini değiştirmez. Ancak, diğer çoğu katalizörden farklı olarak enzimler çok daha özgüldür (spesifiktir). Enzimlerin 4000'den fazla biyokimyasal tepkimeyi katalizlediği bilinmektedir.[3]
Enzimlerin büyük çoğunluğu protein olmakla beraber, ribozim adlı bazı RNA molekülleri de tepkimeleri katalizler, bunun en iyi bilinen örneği ribozomu oluşturan bazı RNA'lardır.[4][5]
Enzimlerin etkinliği başka moleküller tarafından etkilenebilir. İnhibitörler enzim aktivitesini azaltan moleküllerdir, aktivatörler ise enzim aktivitesi artıran moleküllerdir. Etkinlik ayrıca sıcaklık, kimyasal ortam (örneğin pH) ve substrat konsantrasyonu tarafından etkilenir. Bazı enzimler endüstriyel amaçla kullanılırlar, örneğin antibiyotik sentezinde. Ayrica bazı ev ürünlerinde biyokimyasal tepkimeleri hızlandırmak için enzim kullanılır (örneğin, çamaşır tozunda bulunan enzimler lekelerdeki protein ve yağları parçalar).
Etimoloji ve tarih
Eduard Buchner1700'lerin sonlarında mide salgıları tarafından etin sindirildiği, tükürük ve bazı bitki özütlerinin nişastayı şekerlere dönüştürdüğü biliniyordu.[6] Ancak, bunun hangi mekanizmayla olduğu bilinmiyordu.
19. yüzyılda, Louis Pasteur, maya tarafından şekerin alkole dönüşmesini (fermantasyonu) araştırırken, fermantasyonun maya hücrelerinde bulunan bir canlı güç tarafından meydana geldiği sonucuna vardı. "Ferment" diye adlandırdığı bu etmenler sadece canlılarda işlev gördüğü düşünülüyordu. Pasteur, "alkol fermantasyonu yaşam ve maya hücrelerinin organizasyonu ile bağıntılıdır, hücrelerin ölüm ve çürümesiyle değil" diye yazmıştır.[8]
1878'de Alman fizyolog Wilhelm Kühne (1837–1900) ilk defa wikt:enzim terimini kullandı; sözcük Yunanca ἔνζυμον'den ("maya içinde") türetilmişti, söz konusu süreci betimlemek için. Daha sonraları enzim sözcüğü canlı olmayan bileşikler (örneğin pepsin) için kullanılmış, canlılar tarafından üretilen kimyasal aktiviteler için de "ferment" sözcüğü kullanılmaya başlanmıştır.
1897'de Eduard Buchner içinde canlı hücre bulunmayan maya özütünün (ekstresinin) şekeri fermante etme yeteneği olduğunu gösterdi.[9] Sükroz şekerinin fermantasyonuna yol açan enzime "zimnaz" adını verdi.[10] 1907'de "biyokimya araştırmaları ve hücresiz fermantasyonu keşfi için" Nobel Kimya Ödülünü kazandı. Buchner'in örneği izlenerek enzim adları katalizledikleri tepkimelere göre adlandırılır. Tipik olarak substratın veya reaksiyon tipinin adının sonuna -az eklenir. Örneğin, laktaz, laktozu parçalayan enzimdir, DNA polimeraz, DNA polimerleri oluşuran enzimdir.
Enzimlerin hücre dışında çalıştığının gösterilmesinin ardından gelen aşama, bunların biyokimyasal niteliğinin anlaşılmasıydı. İlk araştırmacılar çoğu enzim etkinliğinin proteinlerle ilişkili olduğunu kaydetmiş, ama bazı bilimciler (örneğin Nobel ödüllü Richard Willstätter) proteinlerin sadece gerçek enzimlerin birer taşıyıcısı olduğunu ve proteinlerin kendi başlarına kataliz yapmaktan aciz olduklarını iddia etmiştir. Ancak, 1926'da James B. Sumner, üreaz enziminin saf bir protein olduğunu gösterdi ve onu kristalleştirdi; 1937'de Sumner aynı işi katalaz enzimi için yaptı. Saf proteinlerin enzim oldukları kesin olarak Northrop ve Stanley tarafından, bunların sindirim enzimleri tripsin ve kimotripsin üzerinde yaptıkları çalışma sonucunda gösterildi. Bu üç bilimci 1946 Nobel Kimya Ödülünü kazandılar.
Enzimlerin kristalleştirilebildiğinin gösterilmesi, onların yapılarını X-ışını kristalografisi ile çözülmesini mümkün kıldı. Bu ilk defa David Chilton Phillips önderliğinde bir grup tarafından lizozim için başarıldı ve 1965'te yayımlandı[12] (lizozim göz yaşında, tükürükte ve yumurta beyazında bulunan ve bakterilerin hücre duvarını sindiren bir enzimdir). Lizozimin yüksek çözülümlü yapısı yapısal biyoloji sahasının ve enzimlerin nasıl çalışıtığının atomik düzeyde anlaşılmasının başlangıcı olmuştur.
Yapılar ve mekanizmalar
Bu konuda daha detaylı bilgi için, Enzime katalizi maddesine bakınız.
Karbonikanhydrase II'yi gösteren şerit çizim. Gri küre aktif merkezindeki çinko kofaktördür. Şekil PDB 1MOO koordinatlarından üretilmiştir.Enzimler genelde küresel proteinlerdir, büyüklük olarak 62 amino asitten (4-oksalokrotonat totomeraz'ın monomeri 2500 amino asitten fazlasına (hayvan yağ asit sentaz kadar uzanırlar. Az sayıda RNA-temelli biyolojik katalizörler de mevcuttur, bunların en yaygın olanı ribozomdur, bunlara ya RNA-enzim veya ribozim denir. Enzimlerin etkinliği onların üç boyutlu yapısı tarafından belirlenir.[Çoğu enzim etki ettikleri substratlardan çok daha büyüktür ve enzimin sadece ufak bir bölümü (3-4 amino asit kalıntısı) doğrudan kataliz ile doğrudan ilişkilidir.Bu katalitik amino asit kalıntıların bulunduğu, substrata bağlanan ve tepkimeyi yürüten bölge aktif merkez (veya aktif bölge) olarak adlandırılır. Enzimlerde ayrıca kataliz için gerekli olan kofaktörlerin bağlandığı konumlar da mevcuttur. Bazı enzimlerde ayrıca katalizlenen tepkimenin endirekt substrat veya ürünleri olan küçük moleküllerin bağlandığı başka yerler vardır. Bu bağlanma enzimin aktivitesini artırabilir veya azaltabilir, bu da geri beslemeli bir düzenleme yoludur.
Çoğu protein gibi enzimler de uzun amino asit zincirlerinden oluşur, bunlar katlanır ve üç boyutlu bir yapı oluşturur. Her amino asit dizisi, kendine has özellikleri olan özgül bir yapı oluşturur. Tek başına protein zincirleri bazen gruplanarak protein kompleksleri oluşturabilir. Çoğu enzim ısı veya bazı kimyasal etmenlerle denatüre olur, yani proteinin üç boyutlu yapısının bozulması sonucu katlanmış hali açılır ve inaktive olur. Enzime bağlı olarak denatürasyon tersinir olabilir veya olmayabilir.
[COLOR="yellow"]Özgüllük
Enzimler genelde hangi tepkimeleri katalizledikleri ve bu tepkimelerdeki substratlar konusunda çok özgüldürler. Enzim ve substratlarının birbirini tamamlayıcı şekil, yük ve hidrofilik/hidrofobik özellikleri bu özgüllüğü meydana getirir. Enzimler ayrıca steroizomerik, yönsel ve kimyasal özgüllük de gösterebilirler.
En yüksek seviyede özgüllük ve doğruluk gösteren enzimler genomun kopaylanması ve ifadesi ile ilişkilidir. Bu enzimlerin "prova okuma" mekanizmaları vardır. DNA polimeraz gibi bir enzim, ilk aşamada bir reaksiyonu katalizler, ikinci aşamada da ürünün doğruluğunu kontrol eder.[18] Bu iki adımlı süreç sayesinde yüksek sadakatli polimerazlarda ortalama hata oranı 100 milyon reaksiyonda 1'den az olur.Benzer prova-okuma mekanizmaları RNA polimeraz aminoasil tRNA senthetaz ve ribozomlarda da vardır.
İkincil metabolit üreten bazı enzimler ayırım gözetmediği söylenir, çünkü göreceli olarak geniş bir substrat grubuna etki edebilirler. Substrat spesifisitesindeki bu genişlik sayensinde yeni metabolik yolların evrimleşebildiği öne sürülmüştür.
"Anahtar kilit" modeli [değiştir]Enzimler hangi tepkimeyi katalizledikleri ve bu tepkimeye hangi substratın girdiğine çok büyük bir özgüllük gösterirler. 1894'te Emil Fischer bunun nedeninin, enzim ve substratının birbirine tam uyan tamamlayıcı geometrik şekilleri olmasından dolayı olduğunu öne sürmüştür.[24] Bu fikre sıkça "anahtar kilit" modeli olarak değinilir. Bu model enzim özgüllüğünü açıklasa da geçiş halinin enzim tarafından stabilizasyonunu açıklamaz. "Anahtar ve kilit" modeli artık yetersiz sayılmaktadır, "indüklenmiş uyum" (İng. induced fit) modeli halen en yaygın kabul gören enzim-substrat-koenzim şeklidir.
İndüklenmiş uyum modeli
Enzimlerde indüklenmiş uyum modeli.1958'de Daniel Koshland anahtar ve kilit modelinin bir modifikasyonunu öne sürdü: enzimler göreli olarak esnek yapılar olduklarına göre, substrat enzimle etkileşirken aktif merkezin şekli sürekli olarak substrat tarafından değiştirilmektedir.[25] Bunun sonucu olarak, substrat sadece hareketsiz bir aktif merkeze bağlanmıyor, aktif merkezi oluşturan amino asit yan zincirleri biçim alarak enzimin katalitik işlevini yerine getirmesini sağlıyorlar. Bazı durumlarda, örneğin glikozidazlarda, substrat molekül de aktif merkeze girerken şeklini biraz değiştirir.[26] Substrat tamamen bağlanana kadar aktif merkez şeklini değişitirir, o noktada en son şekil ve yükü belirlenmiş olur.
Mekanizmalar
Enzimler birkaç farklı yolla çalışırlar, bunların hepsi aktivasyon enerjisini (ΔG‡) azaltır:
Geçiş durumunu stabilize olduğu bir ortam yaratarak (örneğin, substratın şeklini zorlayarak - substrat/ürün molekülünün geçiş hâl biçimine bağlanarak enzim bağlı substrat(ları) çarpıtır ve geçişin tamamlanması için gerekli enerji miktarını azaltır)
Geçiş halinin enerjisini azaltarak, örneğin geçiş halindekinin tersi bir yük dağılımına sahip bir ortam yaratarak.
Alternatif bir yol sağlayarak. Örneğin, substratla geçici olarak tepkiyerek bir ES kompleksi oluşturarak.
Substratları tepkimeleri için onları doğru yönde bir araya getirerek tepkime entropi değişikliğini azaltarak. ΔH‡ değerine tek başına bakmak bu etkiyi gözardı eder.
İlginç bir şekilde, bu entropik etki, temel halin destabilizasyonu ile ilişkilidir,[29] ve katalize olan katkısı göreli olarak düşüktür.[30]
Geçiş hali stabilizasyonu
ΔG‡ azalmasını anlamak için onun geçiş halinin katalizlenmemiş tepkimenin geçiş haline kıyasla enzim tarafından nasıl stabilize edildiğinin bilmek gerekir. Büyük bir stabilizasyon elde etmenin en etkili yolu elektrostatik etkiler kullanmaktır, özellikle geçiş halinin yük dağılımına doğru yönlenmiş, nispeten sabit polar bir ortam oluşturarak.[31] Suda cereyan eden katalizlenmeyen tepkimede böylesi bir ortam yoktur.
Dinamik ve işlevler
Yakın zamanlarda yapılan araştırmalar sonucunda enzimlerin iç dinamikleri ile kataliz mekanizması arasındaki ilişki daha iyi anlaşılmaya başlamıştır.[32][33][34] Bir enzimin iç dinamikleri onun iç kısımlarının (örneğin bir grup amino asit, bir ilmik bölgesi, bir alfa sarmal, komşu beta yapraklar ve hatta bütün bir bölge) hareketleridir. Bu hareketler femtosaniyelerden saniyelere kadar uzanan zaman ölçeklerinde cereyena edebilir. Bir enzimin yapısının içinde yer alan protein kalıntılarının oluşturduğu ağlar, hareketleri ile katalize katkıda bulunabilirler.[35][36][37][38] Protein hareketleri pekçok enzim için çok önemlidir, ama küçük ve hızlı titreşimlerin mi, büyük ve yavaş hareketlerin mi daha önemli olduğu tepkimenin tipine bağlıdır. Ancak, bu haketler substrat ve ürülerin bağlanma ve salınmaları için önemli olsalar da, protein hareketlerinin enzimatik tepkimelerdeki kimyasal adımları hızlandırdığı belli değildir.[39] Bu bulgular alosterik etkilerin anlaşılmasında ve yeni ilaçların keşfinde önemli uzantıları vardır.
Alosterik modülasyon [değiştir]Alosterik enzimler, effektörlerine bağlanmaya cevaben yapılarını değiştirirler. Eğer effektör molekül doğrudan enzimdeki bağlanma yerlerinden birine bağlanırak katalitik aktiviteye etki ederse modülasyon doğrudan olur, allosterik enzimle etkileşen başka protein veya protein alt birimlerine bağlanıyorsa modülasyon dolayı olur.
Kofaktörler ve koenzimler
Ana maddeler: Kofaktör ve Koenzim
Kofaktörler [değiştir]Bazı enzimler etkinliklerini göstermek için ek bir bileşiğe gerek duymazlar bunlara basit enzim denir. Ancak bileşik enzim denen bazıları aktiviteleri için, kofaktör denen, protein olmayan moleküllere gerek duyarlar.[40] Kofaktörler inorganik (örneğin metal iyonları ve demir-kükürt kümeleri veya organik bileşikler (örneğin, flavin ve hem). Organik kofaktörler ya prostetik gruptur, bunlar enzime sıkıca bağlıdır, ya da koenzimdir, bunlar tepkime sırasında enzimin aktif merkezinden salınırlar. Koenzimler arasında NADH, NADPH, ve ATP sayılabilir. Bu moleküller enzimler arasında kimyasal gruplar taşımaya yararlar.
Kofaktör içeren bir enzimlere bir örnek karbonik anhidrazdır, yukarıdaki şeritli şekilde aktif merkezinin parçası olan çinko kofaktörle birlikte gösterilmiştir.[42] Bu sıkıca bağlı moleküller genelde aktif merkezde bulunur ve katalizle ilişkilidir. Örneğin flavin ve hem kofaktörleri çoğunluklar redoks tepkimelerinde yer alırlar.
Kofaktör gerektiren ama bunlara bağlı olmayan enzimlere apoenzim veya apoprotein denir. Kofaktörüyle beraber olan apoenzime holoenzim denir, bu o enzimin aktif halidir. Çoğu kofaktör bir enzime kovalent bağlı değildir ama ona sıkıca bağlıdır. Buna karşın, organik prostetik gruplar kovalent bağlı olabilirler (örneğin pirüvat dehidrojenaz enzimindeki tiamin pirofosfat). Holoenzim terimi birden çok protein altbirimden oluşmuş enzimler için de kullanılabilir; örneğin DNA polimeraz'larda holenzim, aktivite için gerekli olan tüm altbirimleri içeren kompleksin tamamıdır.
Koenzimler
NADH koenziminin boşluk dolduran modeliKoenzimler kimyasal grupları bir enzimden öbürüne taşıyan küçük organik moleküllerdir.[43] Bu bileşiklerden bazıları vitamindir, riboflavin, tiamin, ve folik asit gibi. Vitaminler vücut tarafından üretilemezler ve besin yoluyla elde edilmelidirler. Taşınan kimyasal gruplara örnek olarak NAD tarafından taşınan hidrit iyonu (H-), koenzim A tarafından taşınan asetil grubu, folik asit tarafından taşınan formil, metenil veya metil grupları ve S-adenozilmetiyonin tarafından taşınan metil grubu gösterilebilir.
Koenzimler enzim etkisiyle kimyasal olarak değiştikleri için, koenzimlerin farklı enzimlere ortak özel bir substrat sınıfı, veya ikinci bir substrat olarak değerlendirilmesi yararlıdır. Örneğin NADH koenzimini kullanana yaklaşık 700 enzim bilinmektedir.[44]
Koenzimler genelde kullanıldıktan sonra yenilenirler ve hücredeki konsantrasyonları sabit kalır: örneğin NADPH pentoz fosfat yolu ile yeniden oluşturulur, S-adenozilmetyonin de metyonin adenoziltransferaz kullanılır.
Termodinamik
Bir kimyasal tepkime aşamalarının enerjileri. Substratlar bir geçiş haline ulaşmak için büyük miktarda enerjiye gerek duyarlar. Enzim geçiş halini stabilize ederek ürünlerin oluşması için gereken enerjiyi azaltır.Ana maddeler: Aktivasyon enerjisi, Termodinamik denge, ve Kimyasal denge
Bütün katalizörler gibi enzimler de tepkimenin kimyasal dengesini değiştirmezler. Genelde, bir enzimin mecudiyeti durumunda tepkimenin yönü, enzimin yokluğundaki yönün aynıdır, ama tepkime daha hızlı gider. Ancak, enzimin yokluğunda, başka olası katalizlenmeyen, "spontan" tepkimeler farklı ürünler meydane getirebilir, çünkü o şartlar altında diğer ürünler daha hızlı oluşabilir.
Buna ilaveten, enzimler iki veya daha fazla tepkimeyi birleştirebilir, öyle ki termodinamik açıdan olumlu bir tepkime, olumsuz bir tepkimeyi "götürebilir". Örneğin, ATP'nin hidrolizi sıkça başka kimyasal tepkimeleri yürütmeye yarar.
Enzimler ileri ve geri tepkimeyi eşit derecede katalizler. Dengeyi değil, ona ulaşma hızını değiştirirler. Örneğin, karbonik anhidraz, substratların konsantrasyonuna bağlı olarak tepkimesini her iki yönde de katalizleyebilir.
(dokularda; yüksek CO2 konsantrasyonu)
(akciğerlerde; düşük CO2 konsantrasyonu)
Buna rağmen, eğer denge taraflardan birine çok yakınsa, yani tepkime eksergonik ise, tepkime pratik anlamda tersinmezdir. Bu durumlarda enzim tepkimeyi sadece termodinamik olarak izin verilen yönde katalizler.
Kinetik
Ana madde: Enzim kinetiği
Enzim katalizli, tek substratlı bir tepkimenin mekanizması. Enzim substratına (S) bağlanıp bir ürün (P) üretir.Enzim kinetiği, enzimlerin substratlarına bağlanmasını ve onları ürüne dönüştürmesini araştıran bilim dalıdır. Kinetik analizlerde kullanılan hız verileri enzim ölçümlerinden elde edilir.
1902'de Victor Henri[45] enzim kinetiğine dair nitel bir teori önerdi ama hidrojen iyonu konsantrasyonunu önemi daha bilinmediğinden deneysel verileri yararlı değildi. 1909'da Peter Lauritz Sørensen logaritmik pH ölçeğini tanımlayıp tamponlama kavramını keşfedince[46] alman kimyacı Leonor Michaelis ve onun kanadalı postdoku Maud Leonora Menten Henri'nin deneylerini tekrarladılar ve onun denklemlerini teyid ettiler. Henri-Michaelis-Menten kinetiği olarak değinilen bu denklemler Michaelis-Menten kinetiği olarak da bilinir.[47] Bu çalışma G. E. Briggs ve J. B. S. Haldane tarafından daha da geliştirilmiş, bunların geliştirdiği kinetik denklemler günümüzde hâlâ yaygın olarak kullanılmaktadır.[48]
Henri'nin ana katkısı enzim tepkimelerini iki aşamalı olarak düşünmek olmuştur. Birinci aşamada substrat enzimi tersinir olarak bağlanıp enzim-substrat kompleksini oluşturur. Bu bazen Michaelis kompleksi olarak adlandırılır. Enzim sonra tepkimenin kimyasal adımını katalizler ve ürünü salar.
Bir enzim tepkimesinde substrat (S) konsatrasyonu ile hız (v) arasındaki ilişkiyi gösteren doyma eğrisi.Enzimlerin saniyede katalizlediği tepkime sayısı birkaç milyonu bulabilir. Örneğin, orotidin 5'-fosfat dekarbosilaz tarafından katalizlenen tepkime, enzim olmadığında substratının yarısını 78 milyon yılda tüketir. Ama dekarboksilaz eklendiğinde aynı süreç 25 milisaniye tutar.[49] Enzim hızları solüsyon şartlarına ve substrat konsantrasyonuna bağlıdır. Proteini denatüre eden şartlar, yüksek sıcaklık, aşırı pH veya tuz konsantrasyonu gibi, enzim aktivitesini ortadan kaldırır, substrat konsantrasyonunu artırmak ise aktiviteyi artırır. Bir enzimatik tepkimenin en yüksek hızını bulmak için, substrat konsantrasyonu artırılır, sabit bir ürün oluşum hızına varılana kadar. Bu, sağdaki doyma eğrisinde görülebilir. Doyma olmasının nedeni, substrat konsantrasyonu arttıkça, gittikçe artan sayıda enzim molekülünün substrata bağlı ES biçimine dönüşmesidir. Enzimin maksimum hızında (Vmax), tüm enzim aktif merkezleri substrat tarafından bağlı durumdadır ve ES kompleksinin miktarı toplam enzim miktarına eşittir. Ancak, Vmax enzimlerin kinetik sabitlerinden sadece biridir. Belli bir tepkime hızı için gereken substrat miktarı da önemlidir. Enzimin maksimum hızının yarısına ulaşması için gereken substrat konsantrasyonudur, Michaelis-Menten sabiti (Km) olarak tanımlanır. Her enzimin belli bir substrat için karakteristik bir Km değeri vardır, bu değer substratın enzime ne derece sıkıca bağlandığını gösterir. Bir diğer yararlı sabit sayı kcat'dır, bu bir saniyede aktif merkezde kaç substrat molekülünün değişime uğradığının sayısıdır.
Bir enzimin verimliliği kcat/Km olarak ifade edilebilir. Bu aynı zamanda özgüllük sabiti olarak adlandırılır ve tepkimenin tüm adımlarının hız sabitlerini içerir. Özgüllük sabiti hem affinite (bağlanma eğilimi), hem de katalitik yeteneği içerdiği için farklı enzimleri birbiriyle kıyaslamakta, veya aynı enzimi farklı substratlar için kıyaslamakta yararlıdır. Özgüllük sabitinin teorik maksimumu difuzyon sınırıdır ve yaklaşık 108 ila 109 (M-1 s-1) arasındadır. Bu noktada enzimle substratın her çarpışması katalizle sonuçlanır ve ürün oluşumunun hızı artık tepkime hızıyla değil, moleküllerin difüzyon hızıyla sınırlanır. Bu özelliğe sahip enzimler "katalitik olarak mükemmel" veya "kinetik olarak mükemmel" olarak tanımlanırlar. Bu enzimlere örnek olarak trioz-fosfat izomeraz, karbonik anhidraz, asetilkolinesteraz, katalaz, fumaraz, β-laktamaz, and superoksit dismutaz gösterilebilir.
Michaelis-Menten kinetiği "kütle etkisi kanunu"na dayanır, bu serbest difüzyon ve rassal çarpışmalardan kaynaklanır. Ancak çoğu biyokimyasal ve hücresel süreç bu şartlara uymaz, çünkü ya makromoleküler kalabalık vardır, ya enzim/substrat/ürünün faz-ayrışması vardır, ya da moleküllerin hareketi bir veya iki boyuta sınırlanmıştır.[50] Bu durumlarda, Michelis-Menten kinetiğinin fraktal boyutlu olarak uygulnaması gerekebilir.[51][52][53][54]
Bazı enzimler difüzyon hızından çok daha yüksek hızlarda çalışırlar. Bu olguyu açıklamak için birkaç mekanizma öne sürülmüştür. Bazı proteinler katalizi hızlandırmak için dipol elektrik alanlar kullanır, bu sayede substratlarını çeker ve onların doğru yönlenmesini sağlarlar. Başka modeller kuantum-mekanik tünelleme açıklamaları getirirler, bu modellere göre, bir proton veya elektron, tünelleme yoluyla aktivasyon bariyerinin içinden geçer. Triptamin oksidasyonunda protonlar için kuantum tünellemesi gözlemlenmiştir.[55] Proton tünellemesinin katalize ne kadar katkıda bulunduğu tartışmalıdır.[56][57] Tünelleme modeline göre enzim katalizinde aktivasyon enerji bariyerini aşmak için onun "üstünden" geçmek şart değildir, "içinden" de geçilebilir.
İnhibisyon
Yarışmalı inhibitörler enzime tersinir olarak bağlanırlar ve substratın bağlanmasını engellerler. Buna karşın, substratın bağlanması da inhibitörün bağlanmasını engeller. Substrat ve inhibitör enzim için rekabet ederler.
İnhibisyon tipleri. Bu sınıflandırma W.W. Cleland tarafından geliştirilmiştir.[58]Ana madde: Enzim inhibitörü
Enzim tepkime hızları çeşitli enzim inhibitör tipleri tarafından azaltılabilir. Bu etkiye inhibisyon (veya engelleme) denir.
Yarışmalı inhibisyon
Yarışmalı inhibisyon, veya yarışmalı engellemede (İng. competitive competition), inhibitör ve substrat enzim için yarısışırlar (yani, aynı anda ikisi birden bağlanamaz). Yarışmalı inhibitörler genelde enzimin asıl substratına benzer. Örneğin, metotraksat, dihidrofolat redüktaz enziminin bir yarışmalı inhibitörüdür (bu enzim dihidrofolat'ın tetrahidrofolat'a indirgenmesini katalizler). Aşağıda sağdaki şekilde bu inhibitör ve folik asitin yapılarındaki benzerlik görülebilir. İnhibitörün bağlandığı yerin substrat bağlanma yeri olması (bazı metinlerde öyle belirtilmesine rağmen) şart değildir, eğer inhibitörün bağlanması enzimin biçimini değiştirip substratın bağlanmasına engel olursa, ve kezâ tersi de olabiliyorsa, bu inhibisyon da yarışmalıdır. Yarışmalı inhibisyonda maksimal tepkime hızı değişmez, ama belli bir hıza ulaşabilmek için daha yüksek substrat konsantrasyonu gerekir, dolayısıyla görünür Km artar.
[COLOR="yellow"]Sınırlı yarışmalı inhibisyon
Sınırlı yarışmalı inhibisyon, veya yarı-yarışmalı inhibisyonda (İng. noncompetitive competition), inhibitör serbest enzime değil, ancak ES-kompleksine bağlanabilir. Oluşan EIS-kompleksi enzimatik bakımdan inaktiftir. Bu tür inhibisyona ender rastlanır ama çokbirimli (multimerik) enzimlerde olabilir.
[COLOR="yellow"]Yarışmasız inhbisyon
Yarışmasız inhbisyon, veya yarışma dışı engellemede (İng. uncompetitive competition), inhibitör enzim ve substratla aynı zamanda bağlanabilirler, yani bu tanım icabı, aktif merkeze hiç bir zaman bağlanmazlar. Hem EI hem de EIS kompleksleri enzimatik bakımdan inaktiftir. Yarışmalı inhibisyondakinden farklı olarak, substrat konsantrasyonu artırılarak inhibitörün enzime bağlanmasını azaltmak mümkün değildir, bu yüzden görünür Vmax değişir. Ama substrat enzime hâlâ bağlanabildiği için Km aynı kalır.
Karışık inhibisyon
Bu tür inhibisyon sınırlı yarışmalı olana benzer, ama EIS-kompleksinde kısmî enzim aktivitesi vardır.
Çoğu canlıda inhibitörler geri besleme mekanizmasının parçası olarak etkirler. Eğer bir enzim bir bileşikten çok fazla miktarda üretirse bu bileşik, kendizini üreten metabolik yolun başında yer alan diğer bir enzime inhibitör olarak etki edebilir. Böylece, miktarı yeterli seviyede olunca bu bileşik oluşumu için gerekli olan substratın üretimini azaltır veya durdurur. Bu bir negatif geri besleme şeklidir. Bu tür düzenlemeye tâbi olan enzimler genelde multimerikdir (çok altbirimlidir) ve düzenleyici bileşikler için allosterik bağlanma konumlarına sahiptirler. Substrat/hız eğrileri hiperbolik değil sigmoidaldır (S-şekillidir).
Folik asit koenzimi (solda) ve anti kanser ilacı metotraksat yapı olarak birbirlerine çok benzerler. Bunu sonucu olarak metotraksat, folat kullanan pekçok enzimin yarışmalı inhibitörüdür.tersinmez inhibitörler enzimle tepkir ve protein ile kovalent bir eklenti meydana getirir. Meydana gelen inaktivasyon tersinmez. Bu tür bileşiklerden olan eflornitin, parazitik hastalık olan uyku hastalığının tedavisinde kullanılır.[59] Penisilin ve aspirin de benzer şekilde etkirler. Bu ilaçlar aktif merkeze bağlanınca enzim bunları etkinleşmiş bir şekle dönüştürür, bu da enzimin bir veya birkaç amino asit kalıntısı ile tersinmez olarak tepkir.
[COLOR="yellow"]Etkisizleştiricilerin kullanımı
İnhibitörler sıkça ilaç olarak kullanılırlar ama zehir olarak da etki edebilirler. Paracelsus'un dediği gibi, "Herşeyde bir zehir vardır, zehirsiz bir şey yoktur,"[60] bir ilaç ile zehir arasındaki fark çoğu zaman miktara bağlıdır, çünkü çoğu ilaç belli bir seviyenin üzerinde zehirlidir. Antibiyotik ve diğer anti-enfeksiyon ilaçları aslında sadece bir batojeni öldürüp onun konağına zarar vermeyen seçici zehirlerdir.
Bir etksizleştiricinin (inaktivatörün) ilaç olarak kullanılmasına örnek COX-1 ve COX-2 enzimlerini inhibe eden aspirindir. Bu enzimler enflamasyon mesajcısı prostaglandin üreterek ağrı ve enflamasyonu bastırır. Siyanür zehiri, sitokrom C oksidaz enziminin aktif merkezinde bulunan demir ve bakır ile birleşerek etkiyen, tersinmez bir enzim inhibitörüdür, hücresel solunumu durdurur.[61]
Biyoloji işlev [değiştir]Enzimler canlıların içinde çok çeşitli işlevlere sahiptir. Hücredeki diğer işlevlerin düzenlenmesi ve sinyal iletimi başlıca kinaz ve fosforilazlar aracılığıyla gerçekleşir.[62] Hareket sağlamak da enzimler sayesinde olur, miyozin tarafından ATP hidrolizi sonucunda kas kasılır, hücre iskeleti tarafından da hücre içinde yük taşınır.[63] Hücre zarında yer alan başka ATPazlar arasında aktif taşıma yapan iyon pompaları sayılabilir. Ateş böceklerinde lüsiferaz tarafından ışık üretimi gibi daha egzotik işlevler de enzimler tarafından yürütülür.[64] Virüsler hücreleri enfekte etmek için (AIDS virüsündeki HIV entegraz ve ters transkriptaz gibi) veya hücreden virüslerin salınması için (influenza virüsündeki nöraminidaz gibi) kendi enzimlerini kullanırlar.
Enzimlerin önemli bir işlevi hayvanların sindirim sistemindedir. Amilaz ve proteaz tipi enzimler, nişasta ve protein gibi büyük molekülleri parçalayarak bunların bağırsak tarafından emilimini sağlar. Nişasta molekülleri, örneğin, ince bağırsak tarafından absorblanamayacak kadar büyüktürler ama enzimler nüşasta zincirini hidrolizleyerek maltoz gibi daha küçük şekerlere ve en sonunda glukoza parçalarlar, bunlar da absorblanabilir. Farklı enzimler farklı gıda maddelerini sindirirler. Otobur olan geviş getiren hayvanların bağırsaklarında bulunan mikroorganizmalar bitki liflerindeki selülozlu hücre duvarlarını sindirmek için selülaz enzimini üretirler.[65]
Birkaç enzim beraberce, belli bir sıra içinde çalışarak metabolik yollar meydana getirir. Metabolik bir yolda, bir enzimin ürünü, bir diğeri tarafından substrat olarak kullanılır. Bazen birden çok enzim türü aynı tepkimeyi paralel olarak yürütebilir, böylece daha karmaşık düzenleme mümkün olur: bir enzim düşük seviyeli ve sabit bir etkinlik sağlarken, diğeri ise tetiklenebilen (indüklenebilen) yüksek seviyeli bir etkinlik sağlar.
Bu metabolik yollardaki aşamalar enzimler tarafından belirlenir. Enzimler olmasa metabolizma ne bu aşamalardan geçebilir, ne de hücrenin gereksinimlerini sağlayacak kadar hızlı olur. Glikoliz gibi bir metabolik yol enzimler olmadan gerçekleşemez. Örneğin, glukoz ATP ile tepkiyerek bir veya daha çok karbon otumundan fosforlanabilir. Enzimler olmayınca bu tepkime anlamsız denecek derecede yavaş meydana gelir. Heksokinaz olunca bu yavaş tepkimeler gene devam eder ama karbon 6'daki fosforlanma o kadar hızlı gerçekleşir ki, kısa bir süre sonra karışım incelendiğinde glukoz-6-fosfat'ın anlamlı miktarda bulunan tek ürün olduğu görülür. Dolayısıyla, hücre içindeki metabolik yolların oluşturduğu ağ, mevcut olan enzimlerin kümesine bağlıdır.
[COLOR="yellow"]Etkinlik kontrolü
Hücrede enzim aktivitesinin kontrolünün 5 ana yolu vardır.
Enzim üretimi (Enzim genlerinin yazılımı ve çevirimi) hücredeki ortamdaki değişikliklere bağlı olarak hızlandırılabilir veya yavaşlatılabilir. Gen düzenlenmesinin bu şekline enzim indüksiyonu ve inhbisyonu denir. Örneğin, bakteriler penisilin gibi antibiyotiklere karşı direnç geliştirebilir, çünkü penisilin molekülü için çok önemli olan beta-laktam halkasını hidrolzleyen beta laktamaz adlı enzimler indüklenir. Bir diğer örnek, ilaç metabolizmasında önemli yer tutan Sitokrom P450 oksidaz adlı karaciğer enzimleridir. Bu enzimlerin induksiyonu veya inhibisyonu, ilaç etkileşimlerine yol açabilir.
Enzimler bölümlendirilebilir (compartmentalization), böylece farklı metabolik yollara farklı hücresel bölmelerde cereyan eder. Örneğin, yağ asitleri, sitozol, endoplazmik retikulum ve Golgi aygıtında bir grup enzim tarafından sentezlenir, sonra, mitokondride, enerji kaynağı olarak başka bir grup enzim tarafından kullanılır (β-oksidasyon yoluyla).[66]
Enzimler, enzim inhibitörleri ve aktivatörleri tarafından düzenlenirler. Örneğin, bir metabolik yolun son ürünü sıkça bu yolun ilk enziminin (genelde ilk tersinmez, ya da kesinleşmiş adımının -- İng, committed step ) inhibitörüdür, böylece yolun son ürününün miktarı düzenlenir. Bu bir negatif geri besleme mekanizmasıdır, çünk son ürünün miktarı kendi konsantrasyonu tarafından düzenlenir. Negatif geri besleme mekanizmaları ara metabolitlerin sentezlenme hızını hücrenin gereksinimine göre etkili bir şekilde ayarlarlar. Bu sayede malzeme ve enerji verimli bir çekilde kullanılır ve son ürünlerin aşırı miktarda üretilmemesi sağlanır. Diğer homeostatik mekanizmalar gibi, enzim etkinliğinin kontrolü organizmanın içinde kararlı bir ortam sağlar.
Enzimler çeviri sonrası değişim (İng. post-translational modification) aracılığıyla düzenlenir. Bu tür değişimler arasında fosforilasyon, miristoillenme, ve glikozilasyon sayılabilir. Örneğin, vücuttaki insülin tepkisinde, glikojen sentaz gibi çeşitli enzimlerin fosforilasyonu, glikojenin sentez veya yıkımını kontrole yarar, böylece hücrelerin kan şekerine uygun cevap vermesini sağlar.[67] Cevirim sonrası değişime bir diğer örnek, polipeptit zincirin kesilmesidir. Bir sindirim proteazı olan kimotripsin, önce kimotripsinojen olarak inaktif bir sekilde pankreas tarafından üretilir, bu haliyle mideye taşindıktan sonra orada kesilerek etkinleştirilir. Böylece, sindirim yoluna girmeden enzimin pankreas ve diğer dokulara zarar vermesi engellenir. Bir enzimin bu tip inaktif öncül (prekürsör) haline zimojen denir.
Bazı enzimler farklı bir ortamda yer alınca etkinleşirler (örneğin sitoplazmanın indirgeyici ortamından periplazmadaki yükseltgen ortamına, veya yüksek pH'den düşük pH'ye). İnfluenza virüsündeki hemaglutinin, asitli ortamda meydana gelen biçimsel bir değişiklik ile etkinleşir, bu değişiklik hücre içine alındığı lizozomlara girdiğinde meydana gelir.[68]
Suyun etkisi:Enzimler ortamdaki su oranı yüzde 15 'in altına düştüğünde çalışmazlar.Ortamın su oranı yüzde 15 ve üzerine çıktığında tekrar etkinlik gösterir. Kuru yiyeceklerin bozulmadan kalması bu besinlerde üreyebilen mikrorganizmaların enzim etkinliğinin durmasından kaynaklanmaktadır.
[COLOR="yellow"]Hastalıklarda yeri
Fenilalanin hidroksilaz. PDB 1KW0 koordinatlarından yaratılmıştır.Enzim etkinliğinin kontrolü homeostaz için zorunlu olduğu için, kritik bir enzimdeki herhangi bir bozukluk (mutasyon, aşırı üretim, az üretim veya yokluk) genetik hastalığa yol açabilir. Vücudumuzdaki binlerce enzimden bir tanesinin bozuk çalışmasının ölümcül bir hastalığa yol açabilmesi enzimlerin ne derece önemli olduklarını gösterir.
Bunun bir örneği, fenilketonuria hastalığının en yaygın olan tipidir. Fenilalanin yıkımının ilk adımını katalizleyen Fenilalanin hidroksilaz enziminin bir amino asidindeki mutasyon, fenilanin ve ilişkili ürünlerin vücutta birikimine yol açar. Hastalık tedavi edilmezse bu geri zekalılığa yol açar.[69]
Bir diğer örnek, DNA tamir enzimlerinin genlerinde germ hücresi mutasyonları olunca, kseroderma pigmentosum gibi kalıtsal kanser sendromlarına neden olmasıdır. Bu enzimlerdeki kusurlar kansere yol açar, çünkü vicut genomdaki mutasyonları daha zor tamir edebilir. Bu yüzden mutasyonlar yavaş yavaş birikir ve bu, hastada çok çeşitli kanser tiplerinin gelişmesiyle sonuçlanır.
[COLOR="yellow"]Adlandırma konvansiyonları
Bir enzimin adı çoklukla substratı veya katalizlediği reaksiyonun adından türetilir, sözcüğün sonuna -az eki getirilerek. Bunun örnekleri laktaz, alkol dehidrojenaz ve DNA polimerazdır. Bu adlandırma yöntemi ile, aynı tepkimeyi katalizleyen farklı enzimler aynı temel ada sahip olabilir, bunlara izoenzim denir. İzoenzimlerin amino asit dizileri birbirinden farklı olur, ve optimal pH'leri, kinetik özrllikleri ve immünolojik özellikleri ile ayırt edilebilirler. Ayrıca, yapay şartlar altında bir enzimin katalizlediği tepkime, fizyolojik şartlarda katalizlediğiyle aynı olmayabilir. Bu yüzden bazen aynı enzimin iki farklı adla tanımlandığı olur. Örneğin, endüstride glukozu fruktoz tatlandırıcısına dönüştürmek için kullanılan glukoz izomeraz, hücre ortamında (in vivo) ksiloz izomeraz olarak adlandırılır.
Uluslararası Biyokimya ve Moleküler Biyoloji Birliği, EC numaraları denen, enzimler için bir adlandırma sistemi geliştirmiştir; her enzim başında da "EC" olan ve dört sayıdan oluşan bir dizi ile betimlenir. İlk sayı enzimleri mekanizmalarına göre genel olarak sınıflandırır:
[COLOR="yellow"]Üst düzey sınıflandırma şöyledir:
EC 1 Oksidoredüktazlar: yükseltgenme/indirgenme (redoks) tepkimelerini katalizler
EC 2 Transferazlar: Fonksiyonel grupların (örn. bir metil veya fosfat grubunun) transferini katalizler
EC 3 Hidrolazlar: çeşitli bağların hidrolizini katalizler
EC 4 Liyazlar: Hidroliz ve yükseltgenme harici yollar ile çeşitli bağları keser
EC 5 Izomerazlar: Tekil bir molekülde izomerizasyon değişikliklerini katalizler
EC 6 Ligazlar: İki molekülü kovalent bağlarla birleştirir.