Enzim Katalizi

Canlı sistemler için reaksiyonların enzimatik katalizi esastır; biyolojik olarak uygun şartlar altında katalizlenmeyen reaksiyonlar, yavaş olmak eğilimindedirler:

Biyomoleküllerin çoğu, hücre içinde bulunan nötral pH, ılımlı sıcaklık ve sulu çevrede oldukça stabildirler. Yiyeceklerin sindirilmesi, sinir sinyallerinin gönderilmesi veya kasların kasılması için gerekli reaksiyonlar, kataliz olmadan yararlı bir hızda meydana gelmez. Bir enzim, belli bir reaksiyon için enerjetik olarak daha uygun spesifik bir ortam sağlayarak bu problemleri atlatır.

Enzimle katalizlenen bir reaksiyonun ayırt edici özelliği, enzim üzerinde aktif merkez denen bir cep sınırları içinde meydana gelmesidir. Aktif merkez, enzim molekülü üzerinde, substrat bağlama özelliğine sahip özel bölgedir. Aktif merkez tarafından tutulan ve enzimin etki ettiği molekül, substrat diye adlandırılır. Basit bir enzimatik reaksiyon şu şekilde yazılabilir:
Burada E enzimi, S substratı, P ürünü gösterir; ES enzim-substrat kompleksi, EP enzim-ürün kompleksidir. Enzim-substrat kompleksi, enzim etkisi için temeldir. Aktif merkez için, enzim-substrat bağlanmasını açıklayan iki model ileri sürülmüştür: 1) Fisher’in anahtar-kilit modelinde, substrat ve enzimin aktif yerinin birbirine uyacak şekilde önceden belirlenmiş olduğu varsayılır. 2) Koshland’ın uyum oluşturma modeline göre aktif merkez esnek yapıdadır; substrat varlığında, proteinin tersiyer yapısında oluşan bir değişiklikle, enzim substratını katalize uygun en doğru biçimde bağlayacak biçimsel bir değişikliğe uğrar.
Bir kimyasal reaksiyonda belirli bazı maddelerden (substratlar, S) belirli başka bazı maddeler (ürünler, P) oluşur. Geçiş düzeyi kuramına göre, her kimyasal tepkimede, substrat ve ürünler arasında kararsız bir ara ürün oluşumu öngörülür; geçiş durumundaki kararsız bileşik, kararlı temel bileşiklere göre daha çok serbest enerji içerir ve daima daha kararlı bir bileşiğe dönüşmek üzere parçalanır. Bir kimyasal reaksiyonda geçiş durumuna ulaşmak için gerekli enerji, aktivasyon enerjisi olarak bilinir. Aktivasyon enerjisi, S↔P gibi her hangi bir reaksiyonu koordinat diyagramı ile göstermek suretiyle daha kolay anlatılabilir:

Termodinamik bilgilerimize göre, substratların ve ürünlerin belirli serbest enerjileri vardır. Substratlar ve ürünler arasında bir enerjetik bariyer de vardır. Moleküllerin reaksiyona uğramaları için bu bariyeri aşmaları, dolayısıyla daha yüksek bir enerji düzeyine yükselmeleri gerekir. Bu bariyer, reaksiyonlaşan grupların ayarlanması, geçici anstabil yüklerin oluşması, bağ yeniden düzenlenmeleri ve reaksiyonun gerektirdiği diğer değişikliklerin olması için bir enerji (aktivasyon enerjisi) gerektiğini gösterir. Enerjinin en yüksek olduğu ve geçiş durumu diye adlandırılan bir noktada oluşan ara ürünün S’ye ve P’ye doğru gidiş olasılığı birbirine eşittir.
Aktivasyon enerjisi (substratlar ve ürünler arasındaki enerjetik bariyer), geçiş durumu ve temel durumun (S veya P) enerji düzeyleri arasındaki farka (ΔGS→P veya ΔGP→S) eşittir. Aktivasyon enerjisi bir reaksiyonun hızını yansıtır. Yüksek bir aktivasyon enerjisi yavaş bir reaksiyona karşılık gelir; düşük bir aktivasyon enerjisi ise hızlı bir reaksiyona karşılıktır. Ancak aktivasyon enerjisini serbest enerji değişikliği veya standart serbest enerji değişikliği ile karıştırmamak gerekir.
Kimyasal reaksiyonların hızları, enerji bariyerini aşmak için yeterli enerjili moleküllerin sayısını artıran sıcaklık yükseltilmesi (ısıtma) suretiyle artırılabilir. Alternatif olarak bir katalizör eklenerek aktivasyon enerjisi (substratlar ve ürünler arasındaki enerjetik bariyer) düşürülebilir:
katalizörlü
katalizörsüz

Bir katalizörün fonksiyonu, aktivasyon enerjisini düşürmek suretiyle bir reaksiyonun hızını artırmaktır. Örneğin, H2O2’nin parçalanması için gerekli olan aktivasyon enerjisi 18,16 kcal/mol iken, katalizör olarak katalaz enzimi varlığında bu değer 1,91 kcal/mol’e düşmektedir. Katalizör, reaksiyonun dengesini etkilemez.
Enzimler, olağanüstü katalizörlerdir. Glukoz molekülünün laboratuvar koşullarında CO2 ve H2O’ya dönüşümü termodinamik yönden olanaklıdır; ancak bunun için yüksek basınç ve sıcaklık gerekir. Hücre içinde ise aynı tepkime enzimlerin etkisiyle çok kolaylıkla gerçekleşmektedir. Enzimler de katalizörlerin reaksiyon dengelerini etkilememe kuralına uyarlar:

S→P reaksiyonunu katalize eden her hangi bir enzim, aynı zamanda P→S reaksiyonunu da katalize eder; enzimin rolü, S ve P’nin karşılıklı dönüşümlerini hızlandırmaktır. Enzimler vasıtasıyla meydana getirilen hız artışı 107-1014 derecesindedir. Bir enzim, bir dakikada milyonlarca substrat molekülünün ürüne dönüşümünü sağlar ki bir enzim molekülü başına bir saniyede ürüne çevrilen substrat molekülü sayısına dönüşüm sayısı denir.
Bir enzim, reaksiyon sürecinde tükenmez ve denge noktasını etkilemez. Bununla beraber, uygun enzim varsa reaksiyon hızı artacağından reaksiyon dengeye çok daha hızlı ulaşır.
Enzim etkisini açıklamak için substrat ve enzimin fonksiyonel grupları arasındaki kimyasal reaksiyonlar iyice incelenmiştir. Enzimleri enzim olmayan birçok katalizörden ayıran, spesifik enzim-substrat kompleksi (ES) oluşmasıdır:

Enzim üzerindeki spesifik amino asit yan zincirleri, metal iyonları, koenzimler gibi fonksiyonel gruplar, substrat ile geçici olarak etkileşebilirler ve reaksiyon için substratı aktive ederler.
Enzim üzerindeki, substrat ile etkileşen küçük gruplar, birçok durumda düşük enerjili reaksiyon yolu sağlayarak aktivasyon enerjisini azaltırlar ve bu nedenle reaksiyonu hızlandırırlar.
Daha düşük aktivasyon enerjisi için gerekli enerji, genellikle enzim ve substrat arasındaki zayıf, nonkovalent etkileşimden türer. ES kompleksinde enzim ile substrat arasındaki etkileşime, protein yapısını stabilize eden hidrojen bağları, iyonik bağlar ve hidrofobik Van der Waals etkileşimleri gibi güçler aracı olur. ES kompleksinde her zayıf etkileşimin oluşması, etkileşim için bir stabilite derecesi sağlayan küçük miktarda serbest enerji salınması ile birliktedir. Enzim-substrat etkileşiminden türeyen bu enerji, bağlanma enerjisi olarak adlandırılır; reaksiyonun aktivasyon enerjisini düşürmek için enzimler vasıtasıyla kullanılan serbest enerjinin başlıca kaynağıdır:

Enzim katalizi için genel bir açıklama sağlayan temel ve birbiriyle ilişkili iki prensip, böylece ortaya çıkar: 1) Enzimlerin katalitik gücü, bir enzim ve substratı arasında meydana gelen etkileşim ve birçok zayıf bağ oluşmasında salıverilen serbest enerjiden (bağlanma enerjisi) türer. 2) Zayıf etkileşimler, reaksiyonun geçiş durumunda optimize edilir; enzimin aktif yeri substratların kendileri için değil, katalize ettikleri reaksiyonların geçiş durumu için tamamlayıcıdır. 1894’de Emil Fischer, enzimlerin substratlarını bir “kilit-anahtar” gibi birbirlerine uyacak şekilde yapısal olarak tamamlayıcı olduklarını ileri sürmüştür. Enzimatik kataliz için modern görüş ise ilk kez 1930’da J.B.S.Haldane tarafından ileri sürülmüş ve 1946’da Linus Pauling tarafından işlenmiştir.

belgesi-834