Enzim; Canlı hücrelerde görev yapan ve biyokimyasal tepkimelerin gerçekleşmesi için gerekli olan aktivasyon enerjisini düşüren katalizörlere denir. Enzimler olmasaydı bütün (enzimlerin etki ettiği) tepkimeler çok daha uzun zamanda çok daha az miktarda parçalanırdı. Enzimler reaksiyonu başlatmazlar; aktivasyon enerjisini aşağıya çekerek, başlamış olan reaksiyonu devam ettirmektedirler. Enzimlerden etkilenen maddeye substrat denir.
Enzimin Yapısı
Enzimleri oluşturan 3 ana kısım vardır; apoenzim, kofaktör ve koenzim.
Apoenzim
- Enzimin protein yapılı kısmıdır.
- Protein yapılı olduğu için organik yapılıdır.
- Apoenzimler genellikle kendi başlarına aktif değildir ve biyolojik aktivite göstermek için bir kofaktör veya koenzim ile birleşmeleri gerekir.
- Her canlıda farklılık göstermektedir.
- Enzimin aktif bölgesini oluşturur.
- Her enzimin kendi substratında çalışması için özelleşmiştir.
Kofaktör ve Koenzim
- Enzimin mineraller (kofaktör) veya vitaminler (koenzim) tarafından oluşturulan yardımcı kısmıdır.
- Organik ya da inorganik yapılı olabilirler.
- Organik yapılılar genellikle vitaminlerden oluşmaktadır ve koenzim diye isimlendirilir.
- İnorganik yapılılar genellikle minerallerden oluşmaktadır ve kofaktrö diye isimlendirilir.
- Bir kofaktör veya koenzim birden çok apoenzime bağlanabilmektedir.
Enzim Çeşitleri
Enzimler çeşitlerine göre basit ve bileşik olmak üzere ikiye ayrılır.
Basit Enzimler
Bu gruptaki enzimler sadece apoenzim kısımdan yani sadece proteinden oluşmaktadır. Basit enzimler kofaktör ya da koenzim içermezler.
Basit Enzimlere Örnekler
- Pepsin ve tripsin gibi proteazlar: Bu enzimler, proteinleri amino asitlere parçalamak için sindirim sisteminde görev alır.
- Ribonükleaz (RNase): RNA moleküllerini parçalayan bir enzimdir.
- Dehidrogenazlar: Bazı dehidrogenazlar, kofaktör gerektirmeyen basit enzimler olabilir ve özgül reaksiyonlarda hidrojen atomlarının transferine yardımcı olur.
- Lizozim: Bakteriyel hücre duvarlarını parçalayan, doğal antibakteriyel özelliklere sahip bir enzimdir.
- Papain: Papaya meyvesinden elde edilen, proteinleri parçalayan bir enzimdir.
Bileşik Enzimler
Apoenzim kısımlarının yanında mineral veya vitamin (kofaktör veya koenzim) yapılar bulunduran enzimlere bileşik enzimler denir. Yapılarındaki vitamin veya mineral olmazsa işlevlerini yerine getirememektedirler.
Bileşik Enzimlere Örnekler
- Nükleotidazlar (örneğin, DNA polimeraz): DNA ve RNA’yı sentezlemek veya onarmak için metal iyonları gibi kofaktörlere ihtiyaç duyan enzimlerdir.
- Sitokrom oksidaz: Hücresel solunumda önemli bir rol oynayan, demir ve bakır içeren bir enzimdir.
- Alkol dehidrogenaz: Alkolü aldehide dönüştüren ve genellikle çinko veya başka bir metal iyonunu kofaktör olarak kullanan enzimdir.
- Karbonik anhidraz: Karbondioksiti bikarbonata dönüştürmek için çinko iyonu kullanan bir enzimdir. Bu işlem, solunum ve pH dengesinde önemlidir.
Enzimlerin Genel Özellikleri
- Enzimler, biyolojik reaksiyonların hızını artıran protein bazlı katalizörlerdir.
- Her enzim belirli bir substrata (reaksiyon maddesine) veya spesifik bir reaksiyon türüne özgüdür, bu da yüksek derecede seçicilik göstermelerini sağlar. Buna anahtar-kilit uyumu da denir.
- Enzimler, çok düşük konsantrasyonlarda bile etkili olabilirler ve reaksiyon hızını önemli ölçüde artırabilirler.
- Enzimler, bir veya daha fazla amino asit zincirinden oluşan proteinlerdir. Her protein gibi genlerin denetiminde üretilir. Ayrıca, her hücre kendi enzimini kendisi üretir.
- Hücre içerisinde üretilmesine rağmen, hem hücre içinde hem hücre dışında kullanılabilmektedir.
- Enzim aktivitesi, belirli sıcaklık ve pH koşullarında optimaldir. Aşırı sıcaklık veya pH değişiklikleri enzim yapısını bozabilir (denatüre edebilir) ve aktivitesini azaltabilir.
- Çoğu enzim tarafından katalize edilen reaksiyonlar geri dönüşümlüdür.
- Enzimler, hücre içinde belirli yerlerde bulunabilir ve hücresel süreçleri düzenler.
- Enzim aktivitesi, çeşitli moleküler mekanizmalarla aktive edilebilir veya inhibe edilebilir.
- Enzimler, metabolizmanın hemen hemen her yönünde temel roller oynar ve yaşam için gerekli olan kimyasal reaksiyonları mümkün kılar.
Enzimlerin Çalışma Prensibi Nedir?
Enzimler, hücresel reaksiyonları hızlandıran biyolojik katalizörlerdir. Canlı organizmalarda gerçekleşen kimyasal tepkimeler genellikle çok yavaş ilerler, ancak enzimler bu tepkimelerin hızını artırarak yaşam için gerekli hızda gerçekleşmelerini sağlar. Her enzim, belirli bir kimyasal reaksiyonu katalize eder ve bu özgüllük, onların biyolojik süreçlerde çok önemli bir role sahip olmalarını sağlar.
Enzimler, protein yapısında olup, üç boyutlu özgün bir yapıya sahiptirler. Bu yapı, enzimin belirli bir substratla (enzimin etki ettiği molekül) etkileşime girmesini sağlar. Enzimler, substrat moleküllerini bağlayarak kimyasal reaksiyonların daha kolay gerçekleşmesine olanak tanır, ancak bu süreçte ne enzim ne de substrat kalıcı olarak değişir veya tüketilir.
Enzimlerin Ekonomide Kullanım Alanları
- Gıda Endüstrisi: Enzimler, peynir yapımında (rennet olarak kullanılan proteazlar), şarap ve bira üretiminde (şekerleri fermente edilebilir şekerlere dönüştüren amilazlar) ve ekmek yapımında (hamurun yükselmesini sağlayan amilaz ve proteazlar) yaygın olarak kullanılır.
- Çamaşır Deterjanları: Proteaz, lipaz, amilaz ve selülaz gibi enzimler, lekeleri çözerek deterjanların temizleme gücünü artırır. Bu enzimler, protein, yağ, nişasta ve selüloz bazlı lekeleri etkili bir şekilde parçalar.
- Biyoteknoloji ve İlaç Endüstrisi: Enzimler, ilaçların üretiminde ve biyoteknolojik araştırmalarda kullanılır. Örneğin, restriksiyon enzimleri genetik mühendisliğinde ve DNA analizlerinde, lizozimler ise bazı antibakteriyel ilaçların üretiminde kullanılır.
- Kağıt ve Selüloz Endüstrisi: Selülaz enzimleri, kağıt hamurunu yumuşatmak ve kağıdın parlaklığını artırmak için kullanılır. Bu, kağıt üretiminin verimliliğini artırır ve çevresel etkisini azaltır.
- Tekstil Endüstrisi: Tekstil endüstrisinde selülaz enzimleri, jean ve diğer kumaşların yapay yaşlanma işlemlerinde (örneğin, taş yıkama) kullanılır. Bu işlem, kumaşın yumuşaklığını ve giysiye istenen “aşınmış” görünümü verir.
- Biyoyakıt Üretimi: Biyoyakıtların üretiminde, özellikle biyoetanol üretiminde, nişastayı şekerlere dönüştüren amilaz gibi enzimler kullanılır. Bu şekerler daha sonra fermantasyon yoluyla etanole dönüştürülür.
Enzimlerin Çalışmasını Etkileyen Faktörler
Enzimlerin çalışma hızına; ph, sıcaklık, su miktarı, substrat konsantrasyonu, substrat yüzeyi, enzim konsantrasyonu, aktivatör maddeler, inhibitör maddeler
PH
Bazı enzimler asidik, bazı enzimler bazik ve bazı enzimler de nötr ortamda optimum çalışır. Optimum seviyeden uzaklaştıkça enzimin aktivetesi azalır. Yüksek veya düşük olması enzimlerin yapısının bozulmasına (denatüre olmasına) sebep olabilir.
Sıcaklık
Enzimlerin en hızlı çalıştığı sıcaklığa optimum sıcaklık denir. İnsan vücudundaki çoğu enzimin optimum sıcaklığı 36 derecedir. Optimum sıcaklıktan uzaklaştıkça enzimin çalışma hızı yavaşlar.
- 0 ºC’ nin altında çoğu enzim çalışmaz ama yapıları bozulmaz (uygun ortamlar sağlanırsa tekrar çalışmaya başlar).
- 55 ºC’ nin üstünde çoğu enzim çalışmaz ve yapıları bozulur yani denaturasyon olur (uygun koşullar sağlansa bile enzim bir daha çalışmaz).
Sıcaklık etkisine verilecek en güzel örnek buzdolabı örneğidir. Buzdolabına koyduğumuz sebze ve meyvelerin geç bozulmalarının nedeni enzim aktivitesinin azalmasıdır. Daha sonra buzdolabından çıkardığımız sebze veya meyveler yine eski hızında bozulmaya başlar.
Su Miktarı
Enzimler %15 su miktarının altına düştüğü zaman faaliyetlerini durdururlar fakat yok olmazlar. Örneğin bir tohumda su miktarı %15’in altındadır. Bu sayede tohumlar soğuktan ve dış etkenlerden kendilerini koruyabilirler. Eğer su miktarı %15’in üzerine çıkar ise tohum içerisindeki nişasta sindiren enzimler faaliyet göstermeye başlar ve tohum çimlenmeye başlar.
Substrat Konsatrasyonu
Bir tepkimede substrat düzeyi belirli bir noktaya gelinceye kadar tepkime hızı artmakta böylece enzimler substrata doymaktadır. Belirli bir seviyeye gelen substrat konsatrasyonu tepkime hızına etki etmemeye başlar.
Substrat Yüzeyi
Tepkime hızı substrat yüzeyi ile doğru orantılı şekilde artar.
Enzim Konsantrasyonu
Ortamda bol miktarda substrat varsa enzim miktarı arttıkça tepkimenin hızı artmaktadır.
Kimyasal Maddeler
Bazı kimyasal maddeler enzimlerin etkisini hızlandırır. Bu maddelere aktivatör maddeler denir. Örneğin vitaminler enzimlere aktivatör özellik gösterir. Bazı kimyasal maddeler enzimlerin çalışmasını yavaşlatır. Bu tür maddelere de inhibitör madde denir. Kurşun, siyanür, cıva gibi ağır metaller inhibitör özellik gösterir. Birçok reaksiyonda tepkime sonucu oluşan ürün miktarının belli bir değerin üzerine çıkması, ilgili enzimlerin çalışmasını engellemektedir. Bu durumda artan ürün, enzim için inhibitör etki yapmaktadır.
Enzim-Substrat İlişkisi
Enzimlerin çalışma prensibi, “anahtar-kilit” modeli ile açıklanabilir. Bu modele göre, her enzim (anahtar) yalnızca belirli bir substrata (kilite) uyar. Substrat, enzimin aktif sitesine bağlandığında, enzim onu özgün bir şekilde tanır ve kimyasal reaksiyonun gerçekleşmesine yardımcı olur. Bu süreç, substratın enzim tarafından dönüştürülmesiyle sonuçlanır.
Bir başka model olan “indirgenmiş uyum” modeli ise, enzimin ve substratın birbirlerine bağlandıkları zaman bir miktar esneklik gösterdiklerini ve en iyi uyumu sağlamak için bir miktar değişikliğe uğradıklarını öne sürer. Bu, enzim-substrat kompleksinin daha stabil olmasını ve reaksiyonun daha verimli gerçekleşmesini sağlar.
