DUS Tıbbi Biyokimya Protein, Enzim ve Koenzimler Konu Anlatımı

Protein ve enzim bilgisinin başlangıç noktası, yapı ile işlevin birbirinden ayrı düşünülememesidir.

Bir protein, amino asitlerin peptit zinciri içinde belli bir sırayla dizilmesiyle oluşur; bu sıra yalnızca doğrusal bir liste değildir, proteinin daha sonra alacağı üç boyutlu biçimin temel belirleyicisidir.

Polipeptit zincirindeki amino asit dizisi birincil yapı olarak adlandırılır.

Zincirin belirli bölgelerinde alfa heliks ya da beta tabaka gibi yerel düzenlenmeler ortaya çıktığında ikincil yapıdan söz edilir.

Tek bir polipeptit zincirinin bütünüyle katlanıp işlevsel bir alt birim halini alması üçüncül yapıyı verir.

Protein birden fazla alt birimden oluşuyorsa, bu alt birimlerin birbirine göre üç boyutlu yerleşimi dördüncül yapıdır.

Bu katmanlı yapı anlayışı enzimler için özellikle önemlidir, çünkü enzimin aktif bölgesinin biçimi, kimyasal özellikleri ve substrata yaklaşımı doğrudan bu katlanma düzeninden doğar.

Enzimler, substrat molekülleri üzerinde etkili olan ve reaksiyon hızını artıran protein katalizörleridir.

Bir reaksiyonun başlaması için aşılması gereken enerji engeli aktivasyon enerjisidir; reaksiyon diyagramındaki en yüksek enerjili ve en kararsız düzen geçiş durumuna karşılık gelir.

Enzim, reaksiyona enerji ekleyerek ya da denge konumunu değiştirerek çalışmaz.

Asıl etkisi, geçiş durumunu stabilize edip bu enerji engelini azaltmasıdır.

Böylece normalde canlılığın gerektirdiği hızda gerçekleşemeyecek metabolik dönüşümler fizyolojik olarak anlamlı hızlara ulaşır.

Temel şema enzim, substrat ve ürün ilişkisini açık gösterir: enzim substratı bağlar, enzim-substrat kompleksi oluşur, ürün ortaya çıkar ve enzim üründen ayrılarak yeni bir katalitik döngüye hazır hale gelir.

Substrat derişimi arttıkça reaksiyon hızı da artar; ancak enzim kapasitesi dolduğunda hız maksimum değere yaklaşır.

Aktif bölge, enzimin tüm hacmine göre genellikle küçük bir bölümünü kaplayan oyuk ya da yarık biçimli katalitik alandır.

Substrat bağlanmadığında bu bölge çoğunlukla serbest su ile doludur.

Enzim özgüllüğünün nedeni, aktif bölgedeki amino asit kalıntılarının şekil ve kimya bakımından belirli substratları daha iyi stabilize etmesidir.

Bu bağlanma iki klasik modelle açıklanır.

Kilit-anahtar modelinde substratın biçimi ve kimyasal özellikleri aktif bölgeye baştan uyumludur; substrat bölgeye girdiğinde tamamlayıcı bir eşleşme oluşur.

İndüklenmiş uyum modelinde ise enzim ve substrat başlangıçta kusursuz bir uyumda değildir; substratın bağlanması aktif bölgede uygun hizalanmayı ve konformasyonel düzenlenmeyi tetikler.

Bu ikinci yaklaşım, enzimin katı bir kalıp değil, bağlanmayla işlevsel biçimini hassas biçimde ayarlayan dinamik bir protein olduğunu vurgular.

Enzimler reaksiyonu hızlandırırken birkaç temel katalitik mekanizmadan yararlanır.

Kovalent katalizde aktif bölgedeki bir ya da daha fazla amino asit kalıntısı substratla geçici kovalent bağ kurar; bu genellikle nükleofilik saldırı üzerinden ara ürün oluşumuna ve sonraki geçiş durumlarının stabilize edilmesine yardım eder.

Genel asit-baz katalizinde su dışındaki bir molekül proton vericisi ya da alıcısı olarak görev alır; su reaksiyona katılabilir, fakat tek proton verici ya da alıcı olarak kalmaz.

Bu düzen, katalitik kalıntıların daha iyi nükleofil haline gelmesini kolaylaştırabilir.

Yaklaştırma katalizinde iki farklı substrat aktif bölgede birlikte konumlanır ve uygun bağ yapma ya da bağ kırma olayları için birbirine yaklaştırılır; kimi durumda su, substrat bağlandıktan sonra proton alışverişine katılarak daha etkili nükleofillerin oluşmasını destekler.

Metal iyon katalizinde ise aktif bölgedeki metal iyonu saldıran kalıntının nükleofilik özelliğini artırabilir ve bölgede gelişen negatif yükü stabilize edebilir.

Kofaktör kavramı, enzim etkinliğinin yalnız protein zinciriyle sınırlı olmadığını gösterir.

Bazı enzimler apoenzim durumundayken inaktiftir; yani protein kısmı tek başına katalizi gerçekleştirmek için yeterli değildir.

Bu apoenzim bir kofaktörle birleştiğinde aktif holoenzim meydana gelir.

Kofaktör metal iyonu olabilir ya da enzime kovalent veya kovalent olmayan biçimde bağlanan organik bir bileşik olabilir.

Organik yardımcı bileşikler bu çerçevede, kaynakta adlandırılmış örneklerle değil, apoenzime bağlanarak etkin holoenzim yapısını oluşturan kofaktör kategorisi olarak ele alınır.

Bu nedenle öğrenilmesi gereken merkezi ilişki, protein yapısındaki apoenzimin tek başına etkisiz kalabilmesi, uygun kofaktör bağlandığında ise aktif katalitik kompleksin oluşmasıdır.

Enzimler tek alt birimli olabilir ya da birden fazla alt birimden oluşabilir.

Çok alt birimli enzimlerde alt birimler birbirinden bağımsız davranmak zorunda değildir; bir alt birimin durumu diğerinin bağlanma eğilimini artırabilir ya da azaltabilir.

Bu olgu kooperativite olarak adlandırılır.

Kooperativite bağlamında enzim daha düşük substrat afinitesiyle ilişkili T, yani gergin durumda ya da daha yüksek afinite ve artmış substrat bağlanmasıyla ilişkili R, yani gevşek durumda bulunabilir.

Konserted modelde bir alt birimin T durumundan R durumuna geçmesi diğer alt birimlerin de aynı anda bu yöne kaymasını açıklar; süreç tersine de işleyebilir.

Sıralı modelde ise bir efektörün bir alt birime bağlanması diğer alt birimlerin afinitesini artırır, fakat hepsinin zorunlu olarak aynı anda durum değiştirdiği kabul edilmez.

Bu ayrım, çok alt birimli enzimlerin substrat ya da efektör varlığına kademeli ya da eşgüdümlü yanıt verebildiğini anlatır.

Enzim aktivitesi inhibitörlerle düzenlenebilir ve inhibitörün nereye bağlandığı kinetik sonucu belirler.

Kompetitif inhibisyonda inhibitör aktif bölgeye bağlanır ve substratın normal bağlanma yerini işgal eder.

Michaelis-Menten kinetiği gösteren enzimlerde bu durum maksimum hızı değiştirmeden substrata görünür afinitenin azalmasına yol açar.

Nonkompetitif inhibisyonda inhibitör aktif bölge dışındaki bir bölgeye bağlanır; substrat yine bağlanabilir, ancak aktif bölgenin işlevsel etkinliği azalır.