Canlı hucrelerde tepkimeler kural olarak 0-50°C; coğunlukla da 20-42°C arasında meydana gelir. Bu sıcaklıkta tepkimelerin oluşması biyokatalizor denen enzim ya da fermentlerle olur. Bu, aktivasyon enerjisinin duşurulmesi ile olur.
Başlangıcta "E n z i m" terimi, sindirim kanalında olduğu gibi bir cozelti ya da sıvı icerisinde etki ettiği durumlarda (Kuhn 1878); buna karşın "Ferment = Maya" terimi coğunluk hamur mayasında olduğu gibi, hucreye bağlı olduğu durumlarda kullanılmıştır. Buchner (1897), fermentlerin de hucre dışında etki ettiğini bulunca iki terim arasındaki farklılık ortadan kalkmış oldu. Her iki terim arasında bugun herhangi bir fark olmamakla beraber, bakteri, mantar ve diğer hucreli enzimatik işlevler, mayalanma ve etki maddeleri de ferment olarak kullanılacaktır.
Enzimlerin ozellikleri
Yalıtılan enzimlerin tumu protein yapısındadır ya da protein kısmı bulundururlar. Etki ettiği maddenin sonuna "Ase = Az" eki getirilerek ya da katalizlediği tepkimenin ceşidine gore adlandırılırlar. Orneğin, kitine etki eden kitinaz enzimi vs. Cok defa renksizdirler, bazen sarı, yeşil, mavi, kahverengi ya da kırmızı olabilirler. Suda ya da sulandırılmış tuz cozeltisinde cozulebilirler. Fakat mitokondrilerde bulunan enzimler lipoproteinler ile bağlandığından (bir fosfolipit-protein kompleksi) suda cozunmez. Enzimlerin etkinlikleri akıllara durgunluk verecek derecededir; orneğin, sığır karaciğerinden elde edilen ve bir molekul demir iceren katalaz enzimi, bir dakikada, O C°'de 5.000.000 hidrojen peroksit (H2Cy molekulunu H2O ve 1 /2 O2'ye parcalayabilir. Enzimin etki ettiği bileşiğe "Substrat" denir; bu durumda hidrojen peroksit katalazın substratıdır. Enzimin saniyede etki ettiği substrat molekul sayışma Enzimin Etkinlik Değeri = Turnover Sayışı denir. Bu O C°'de katalaz enzimi icin 5.000.000 dur. Bazı enzimler tepkimelerde yan urun olarak vucutta H2O2 meydana getirdiğinden ve bu da vucut icin zehirli olduğundan, katalaz enzimi onları surekli parcalayarak hucreleri korur. Bir molekul katalaz enziminin parcaladığı H2O2'i demir atomu yalnız başına ancak 300 senede parcalayabilir. Ya da mol başına aktivasyon enerjisi icin 18.000 kalori vermek gerekir. Kolloyidal platin bu aktivasyon enerjisini 11.700 Kal./Mol.'a, katalaz enzimi de 5500 Kal./Mol.'a duşurur. Bazı enzimler cok ozguldur; yalnız bir substrata etki eder. orneğin, ureaz yalnız ureye etki ederek onu amonyak ve CO2'de parcalar. Halbuki bazıları ceşitli substratlara etki eder; dolayısıyla daha az ozguldurler, orneğin peroksidaz başta hidrojen peroksit olmak uzere bircok bileşiğe etki eder. Bazı enzimler yalnız bazı bağlar icin ozguldur, orneğin pankreastan salgılanan lipaz, yağlardaki ester bağlarına etki eder.
Kuramsal olarak enzimli tepkimeler donuşludur; enzim, tepkimenin yonunu değil dengenin oranım saptar. Tipik ornek, lipazın yağı parcalaması; fakat aynı zamanda gliserin ile yağ asitlerini birleştirmesidir. Ortamda sadece yağ asidi ya da sadece gliserin ile yağ asitlerinin birleşimi varsa denge ona gore,
Yağ -------> gliserin + 3 yağ asidi şeklinde olur. Denge noktası, yani tepkimenin hangi yone gideceği termodinamik yasalarına gore belirlenir. Cunku denge bir tarata doğru giderken enerji verir, tersine enerji alır.
Enerjiye gereksinim gosteren tepkimelerin, enerji meydana getiren tepkimelerle aynı zamanda meydana gelmesi gerekir ya da enerji herhangi bir şekilde onceden depo edilmelidir. Canlı bunyesinde enerji depo etme, fosfor esterleri şeklinde olur. Yaşamsal işlevlerin yurutulmesinde ATP (adenozin trifosfat) en onemlilerindendir; bu bileşik batarya gibi gorev yapar.
Enzimler hucrede bir takım 'team' halinde calışır; birinin son urunu kendisinden sonraki enzimin substratını yapar, orneğin, amilaz enzimi nişastayı iki zincirli maltoza, maltaz enzimi ise maltozu tek zincirli glikoza cevirir. Bir seri enzim aracılığıyla (11 kadar), daha sonra goreceğimiz gibi, glikoz da laktik aside cevrilir vs.
Enzimlerin Yapısı
Tum enzim proteinleri genler tarafından şifrelenir. Dolayısıyla amino asit dizilimi kendine ozgudur (bir gen-bir enzim kuralını hatırlayınız). Bazı enzimler (pepsin ve ureaz gibi) yalnız proteinden oluşmuştur. Fakat diğer coğunluğu iki farklı kısımdan meydana gelmiştir. Bunlar:
a) Protein Kısmı (enzimin Apoenzim kısmı): Bu kısım enzimin hangi maddeye etki edeceğini saptar.
b) Koenzîm Kısmı: Organik ya da inorganik, cok defa fosfattan meydana gelmiş, protein kısmına gore cok daha kucuk molekullu bir kısmıdır. Enzimde işlev goren ve esas iş yapan kısım bu kısımdır. Koenzim kısmı genellikle protein kısmından ayrılabilir ve analizlerinde bircok vitamini bunyesinde bulundurduğu (thiamin, niacin, riboflavin vs.) gorulmuştur. Buradan şu genelleştirmeyi yapabiliriz: Butun vitaminler hucrede enzimlerin koenzim kısmı olarak aaaa gorurler. Ne koenzim ne de apoenzim kısmı yalnız başına etkindir. Bazı enzimler ortama yalnız belirli iyonlar eklendiğinde etkindirler, orneğin bazı enzim zincirine ancak Mg++ iyonu eklenince glikozu laktik aside cevirebilir. Tukurukteki amilaz nişastayı yalnız Cl iyonlarının bulunduğu ortamda parcalayabilir. Canlı bunyesinde bulunan eser elementler, Mn, Cu, Zn, Fe ve diğer elementler bu enzimatik işlevlerde aktivator olarak kullanılır. Bazen enzimin iş gorebilmesi icin bir
l iyonuna gereksinim vardır. Yani koenzim kısmı l iyonu ise (Ca++, K++ Mg+, Zn++) buna "Kofaktor" denir. Enzimin etkinlik gostermesi icin gereksinme duyduğu organik molekullere "K o e n z i m" denir. Bazı durumlarda koenzim kısmı apoenzim kısmına kuvvetlice (kovalent) bağlanmıştır; bu sıkı bağlanan kısma "Prostetik Grup"; prostetik grupla apoenzim kısmının her ikisine birden de "Holoenzim" denir. Koenzimlerden onemli olanların bazılarını hucre bolizmasında goreceğiz.Enzimlerin bir kısmı sitoplazmaya serbestce dağılmış olarak, diğer bir kısmı da hucredeki bazı yapılara sıkıca bağlanmış olarak bulunur. Laktik asit, amino asit ve yağ asitlerinden tureyen maddeleri karbondioksit ve suya kadar parcalayan solunum enzimleri, mitokondri zarlarının yapışma katılır. Keza ribozomların işlevsel butunluğune katılan enzimler de bu tiptir. Dokulardaki enzimler değişik yontemlerle saptanabilir.
Enzimlerin Sınıflandırılması
Her enzimin 4 rakamlı bir numarası vardır, orneğin, 3.6.1.3. "ATP fosfohidrolaz" da birinci numara sınıfını, ikinci numara alt sınıfını, ucuncu numara grubunu, dorduncu numara da kendine ozgu sıra numarasını) verir. Buna gore enzim sınıfları şunlardır:
1. Oksidoreduktazlar: Redoks tepkimelerini katalizler.
a) Dehidrogenazlar: Elektron kazandırıcı tepkimeleri etkilerler.
b) Oksidazlar: Elektron kaybeden tepkimeleri etkilerler.
c) Reduktazlar: Substratı bir reduktor aracılığıyla indirgeyen enzimlere denir. orneğin asetaldehit reduktaz, asetaldehiti alkole redukler.
d) Transhidrogenazlar: Bir molekulden diğerine hidrojen taşıyarak onu reduklerler.
e) Hidroksilazlar: Substratlarına bir hidroksil ya da su molekulu katan enzimlere denir, orneğin, fenilalanin hidroksilaz bir hidroksil grubunu fenilalanine ekleyerek onu tirozine donuşturur.
2. Transferaz Enzimler: Hidrojenin dışında bir atomun veya atom grubunun (metil, karboksil, glikozil, amino, fosfat grupları) bir molekulden diğerine aktarılmasını sağlarlar.
Dekarboksilazlar: Karboksilik asitlerden CO2 cıkmasını sağlarlar.
3. Hidrolaz Enzimler: Bir molekul su sokmak suretiyle ya da su molekulu aracılığıyla molekullerin yıkılmasını sağlayan enzimlerdir. Ester, peptit, asitanhidrit ve glikozidik bağlarına etki ederler.
a) Esterazlar: Ester bağım yıkan enzimlerdir (lipaz, ribonukleaz, fosfataz, pirofosfataz, glikozidaz).
b) Proteazlar: Peptit bağım yıkan enzimlerdir (proteinaz).
4. Liazlar: Su molekulu cıkarmadan molekulleri yıkan enzimlerdir, orneğin C-C bağı, aldolaz ve dekarboksilazla yıkılır. Keza C-0 ve C-N bağım yıkanlar da vardır.
5. İzomerazlar: Molekul icinde değişiklik yaparak onun uzayda dizilişin! değiştiren enzimlerdir. Orneğin razemaz, epimeraz.
6. Ligazlar (Sentetazlar): Enerji kullanarak substrat molekullerinin birbirine bağlanmasını; orneğin amino asitlerin ve yağ asitlerinin aktifleşmesini sağlarlar.
Enzimlerin Calışma Mekanizması
Daha once de değindiğimiz gibi enzimin hangi substratla calışılacağını saptayan kısmı apoenzim kısmıdır. Demek ki apoenzim kısmıyla substrat arasında bir ilişki vardır. Alman kimyacısı EMIL FISCHER tarafından bunun kilit anahtar uyumu gibi olacağı savunulmuştur. Koenzim kısmı daha cok kimyasal bağa yakın olarak işlev gosterir, orneğin ester bağlarını parcalar vs. oyle anlaşılıyor ki enzimin apoenzim kısmı bir ya da birkac yerinden (aktif bolgelerden) substrat molekulune yapışıyor ya da bağlanıyor (yani bir enzim-substrat kompleksi oluşturuyor) ve bu arada koenzim kısmı substrat uzerindeki bağlarla gercek anlamda birleşmeye veya bağlanmaya giderek onu parcalıyor. Elinde kazması olan bir yol işcisi, kazacağı yeri kendisi saptamasına karşın (apoenzim kısmı), kazma işlemini yapan kazmanın kendisidir (koenzim kısmı). Enzimlerde kural aynıdır. Enzimlerin kimyasal yapıları, ozellikle ucuncul yapıları tam olarak bilinmediğinden (ilk yapışı acıklanan enzim ribonukleaz, 124 amino asitten meydana gelmiştir) calışma mekanizmaları da hala tam anlamıyla acıklığa kavuşturulamamıştır.
Enzimlerin Calışmasına Etki Eden Faktorler : Sıcaklık
Sıcaklık 10 °C yukseldiğinde tepkime hızı iki misli artar; yani tepkime hızının yukselmesi, sıcaklıkla doğru orantılıdır. Fakat belirli bir noktadan itibaren duşmeye başlar ve tamamen durur. En iyi calışabileceği sıcaklığa Optimum Sıcaklık denir. Yuksek sıcaklıklarda enzimler etkisizdirler (genellikle 55-60 °C'de). Bazı ılıcalarda yosunlar 80 °C'de yaşabilirler; fakat bunun uzerindeki sıcaklıklarda enzimleri tamamen koagule olur ve bir daha etkili hale gecemez. Optimum noktanın biraz uzerinde enzimler etkisiz olmasına karşın, sıcaklık duşunce tekrar etkili hale gecebilirler. Fakat bu sıcaklığın devamı ya da sıcaklığın biraz daha yukselmesi enzimlerin etkinliğini sonsuz olarak ortadan kaldırır. Enzimlerin etkisiz hale gecmeleri ile proteinlerin koagule olması arasında buyuk bir ilişkinin olması, onların, buyuk bir kısminin proteinlerden yapıldığım kanıtlar. Doğal olarak enzimler, proteinlerin bir kısmı gibi ucuncul yapıya sahiptir veya en azından molekullerinin bir kısmı bu yapıdadır. Fakat yuksek sıcaklıklarda bu helozonik ya da ucuncul yapı parcalandığından ya da birbiri uzerine yığıldığından, protein koagule olur ve enzim etkisiz hale gecer (sutun kaynatılmasında, bakteri enzimlerinin etkisiz hale gecmesi ile ekşime onlenir; bu yoldan teknikte buyuk olcude yararlanılır; konserve vs. yapımında). Duşuk sıcaklıklar enzimin etkinliğini azaltır. 0°C'de enzim ya hic ya da pek az işlev gosterir; fakat soğuğun enzimin yapışım bozduğu gorulmemiştir. Sıcaklık eski hale donduğunde etkinlik yine başlar (dondurmak suretiyle besin maddelerinin saklanması, yine enzimlerin etkisiz hale gecirilmesiyle sağlanır), insan vucudunda, daha doğrusu sabit sıcaklıklı hayvanlardaki enzimler coğunluk 37°C'de optimum etkindirler. Daha yuksek sıcaklıklarda (cocuklarda 42, yetişkinlerde 41 °C) enzimler etkisizleşirler; cok defa da koagule olurlar.
pH
Enzimler pH değişimine karşı cok duyarlıdırlar. Genellikle cok fazla asidik ve alkalik ortamda etkisizdirler. Bazı hallerde enzimler en yuksek etkinliği belirli bir pH derecesinde gosterirler. Bu pH derecesine "Optimum pH" denir. Orneğin, proteini parcalayan pepsin, midenin 2 pH'lık asidik ortamında maksimum calışır; buna zıt olarak pankreastan salgılanan ve yine protein sindiriminde rol alan tripsin, ancak 8,5 pH'de optimum olarak calışabilir. pH'la ilgili olmasının nedeni, yapılarında proteinleri taşımalarındandır. Ola ki, pH'a bağlı olarak protein molekulu uzerinde ceşitli elektrik yuklenmeleri ve buna bağlı olarak dış yuz şekli (ucuncul yapı) meydana gelmekte ve substratla-enzim uyuşmasını sağlamaktadır. Belki de bu elektrik yuklenmesi enzim-substrat arasındaki cekiciliği artırmaktadır. Kuvvetli asitler ve bazlar enzimleri koagule ederler.
Enzim /Substrat Derişimi
Eğer pH ve sıcaklık sabit tutulursa, enzim/substrat derişimi arasındaki orana bağlı olarak bir tepkime hızı gorulur. Substratın ya da enzimin fazla olması bu hızı değişik şekillerde etkileyebilir. Bol substrat bulunan bir ortama eklenecek enzim, son urunun miktarım artıracaktır.
Diğer Kimyasal Maddeler ve Suyun Etkisi
Bircok kimyasal madde enzimleri etkisiz hale getirir; orneğin, siyanit, solunumda onemli rol oynayan sitokrom oksidaz enzimin! etkileyerek inhibe eder (Şekil 2.15/c). Olum meydana gelebilir. Florit, glikozu laktik aside ceviren enzim kademelerine etki eder. Hatta enzimin bizzat kendisi zehir etkisi yapabilir; orneğin, 1 mg. kristal tripsin, farenin damarına enjekte edilirse olum meydana gelir. Bazı yılan, arı ve akrep zehirleri de enzimatik etki gostererek kan hucrelerin! ya da diğer dokuları tahrip ederler.
Enzimlerin buyuk bir kısmı işlevlerini su icerisinde gosterdiklerinden, suyun miktarı da enzim işlevinde etken bir koşuldur. Genellikle % 15'in altında su iceren ortamlarda, enzimler işlev gostermezler. Recel ve pekmez yapımında bu faktor onemlidir. Sulandırılan recelin, balın ya da pekmezin vs.nin mayalanması ve ekşimesi bu yuzdendir. Hatta tahıl alımlarında su oranının % 15'in altında istenmesi de bu nedene dayanır.