Biyokataliz
Nişasta çözeltisi deney tüpünde tükürükle karıştırılırsa, nişasta molekülleri malt şekerine parçalanır. Burada tükürükde bulunan bir enzim olan "ALFA-AMİL AZ" etkilidir. Nişasta, tepkime maddesi (=substrat). alfaamilazın katalitik etkisi ile "MALTOZ" yani ürüne (=produkt) parçalanır. Enzimler genelde "-az" son ekini alır; ama tükürükdeki "PİTYALİN", midenin "PEPSİN", acı bademin "EMULZİN" adlı enzimlerindeki gibi bazıları da "-in" son eki taşır.
Enzimler protein olup, metabolik olayların tümü için biyokatalizör görevini yapar. Enzimler aktivasyon enerjisini azaltıp tepkime hızını sıcaklığında gerçekleşmesini sağlar. Böyle bir tepkimede bağlar gevşetilip çözülmelidir.Bu ise enerji gerektirir. Enzimler bu enerji miktarını azaltır ve reaksiyon oda sıcaklığında bile olur.
Enzim atik Bir Tepkimenin Olaylanması
Şu ana kadar canlı hücrede belirlenmiş olan enzim sayısı 3 bindir. Bunların 150'si izole edilerek çok iyi incelenmiştir. Hepsi protein zincirleri olup çok karmaşık bir yapı gösterir. Enzimde, substratın (=maddenin) bağlandığı torba gibi olan bir bölüm vardır. Buraya AKTİF veya KATALİTİK MERKEZ denir. Aktif merkez, genelde enzimin iç kısmındaki hidrofob (=suyu reddeden) çantada bulunur. Her enzimin bir aktif merkezi olup burada maddenin katalitik dönüşümü gerçekleşir. Burada kimyasal bir tepkime olaylanır. Değişen substrat molekülü gevşek bir bağla enzime girer. Bu bağlanmaya "ENZİM-SUBSTRAT-KOM-PLEKSİ" denir. Enzimler bağlan gevşeterek substrat molekülünün mekansal yapısını değiştirir. Bu kompleks daha sonraki Dır lepıdmede ürüne ayrılır.
Bu arada enzim molekülü tekrar serbestleşir. Nişasta parçalanması örneğindeki gibi substrat "NİŞASTA-ALFA AMİLAZ KOMPLEKSİ"ne dönüşür. Bu da maltoz ürününe ve değişmeyen enzime parçalanır.Tek bir enzim molekülü ortalama olarak dakikada kendi substratının 100 000 molekülünü değiştirebilir. Bir dakikada enzim molekülünün değiştirdiği substrat molekülü sayısına "DEĞİŞİM SAYISI" denir. Bu sayı enzim aktivitesi için bir ölçüttür.
Enzim ve substrat arasındaki reaksiyon "ANAHTAR-KİLİT KURAMI" ile karşılaştırılır. Sadece belli bir substrat, enzimin "AKTİF MERKEZİNE" uyar. Enzimler, genellikle bir substrat molekülünün tek bir reaksiyonunu katalizler. Yani enzimler "SUBSTRAT a" ve TEPKİME'ye özelleşmiştir. Örneğin bir aminoasit, NH3 ayrılması ile "KETO ASİDE" okside olabilir veya ondan C02 ayrılabilir ya da onun NH2- grubunu "OKZALİK ASİDE" taşıyabilir. Bütün bunlar tepkimeye katılmış olan enzim çeşidine göre değişebilir İki şekerli maltoz, maltaz enzimi ile en kısa zamanda iki molekül glikoza parçalanır. Aynı şekilde iki glikoz molekülünden oluşan selüloz ise yıkılmaz, zira moleküller birbirlerine başka şekilde bağlıdır.
Enzimlerin bu özelleşmesi nasıl açıklanır? Enzimin protein zinciri öyle üç boyutlu kodlanmıştır ki, katalitik etkili gruplar enzimin aktif merkezine girer. Aktif merkezde Uç bağlantı noktası alınırsa substrat molekülü yanlız bir yöne gider. Bu şekilde değişim için belli substrat molekülü seçilmeli izomerler; yani mekansal olarak farklı olmayan maddeler bile ayrılır. Böylece bir enzimle, bir aminoasit dekarboksile (CC^'nin parçalanması) edilir. Başka bir enzim, aynı aminoasidi deamine (amino grubunu parçalama) eder. Enzimler sadece bağları parçalamakla kalmaz, aynı zamanda glikozdan nişasıa yapılmasından olduğu gibi de bağları da birbirine bağlar.
Bir Reaksiyonun (=Tepkime) Oluşma Koşulları
Yumurta akı pişirilir ya da kuvvetli bir asitle muamele edilirse, hemen topaklaşır. Aynı şekilde enzim molekülleri de sıcaklık pH değeri değişmelerine karşı duyarlıdır. Sıcaklığın artmasına bağlı olarak bütün kimyasal tepkimelerde olduğu gibi enzimi katalizliyen olaylarda da tepkime hızı artırılır. Bu hız, enzim proteinin sıcaklığa duyarlılığı ile sınırlıdır. Enzimler, bu iki etmen nedeni ile bir sıcaklık optimumu (=en uygun sıcaklık gösterir). Örneğin sıcak kaplıcalarda yaşıyan bakteri enzimlerinde bu sıcaklık 80 C üzerindedir. Enzimlerin sıcaklık optimumu memeli hayvanlarda ve kuşlarda vücut sıcaklığı düzeyindedir (vücut sıcaklığı 36.5-37 °C; kuşlarda 41-43 C'dir). Enzimatik tepkimelerde etkili olan bir başka etmende pH değeridir. İnsanın sindirim organında farklı pH değeri görülür: Nişastayı parçalayan alfa-amilaz enziminin etkili olduğu ağızda pH değeri 7'dir. pH değeri midede 1.5 olabilir. Orada da işlevsel enzimler bulunur. Örneğin proteini parçalayan pepsin gibi. İnce bağırsakda bazik bir pH değeri olan 8 hakimdir. Burada proteini parçalayan tiripsin görev yapar. Adı geçen bu enzimler belirtilen pH değerlerinde en yüksek etkiye sahiptir. Yani bütün enzimler böyle bir pH değeri gösterir. Bağırsaktaki bazı sindirim bozukluklarında sindirim enzimi preparatları ağız yoluyla alınır. Protein yapısındaki bu enzim preparatlarının midedeki pepsin tarafından yıkılmamaları gerekir. Bu nedenle tedavi için verilen enzim preperatları mide öz suyunun etkili olmadığı kapsüllere konulur. Böylece bu preparatların tedavisi gereken bağırsağın bazik ortamında çözülmeleri sağlanır. Enzimlerin çoğu substratın (=maddenin) ismine - ase (=az)eki getirilerek adlandırılır (Örneğin nişasta yani amilumdan amilaz; maltozu katalizliyen maltaz gibi). Bütün enzimlerin doğru bir şekilde sınıflandırılması gerekir. Bunun için altı sınıf vardır. Bunlar Uluslararası Enzim Komisyonu tarafından belirlenir. Örneğin alfa-amilaz şu şekilde açıklanır: Alfa (l-4)-Glucan 4- glucano-hidrolaz, 3 nolu ana sınıf olan hidrolazlardandır.
aynı enzim kimesini katalizliyen, ancak farklı moleküler yapıya sahip olan enzimlere İZOENZİM denir. İzoenzimler uygun ayrım yöntemleri, örneğin elektroforezle izole edilebilir. En iyi bilinen izoenzim örneği laktat-dehidrogenaz'dır.
Hücre Metabolizması
Metabolik olaylar canlılığın bir işaretidir. Bu olaylar madde alımı, işlenmesi ve atılması şeklinde olur.
Burada metabolik olayların moleküler temelleri incelenecektir. Hücredeki metabolik olaylar hem hayvan, hem de bitki hücresinde aynı şekilde olup, yaşamsal işlevler için gerekli yapı maddelerini ve enerjiyi sağlar. Her hücrede yüzlerce hatta binlerce tepkime olaylanır. Her bir tepkime fiziksel kurallara bağlıdır. Bir tepkimenin yönü ve enerji bütçesi termodinamik ve energetikten çıkar. Gerçek tepkime mekanizmasının sürati kinetik kavramı ile açıklanır. Kimyasal tepkimelerin cereyanı iki büyüklükle belirlenir: Bunlar ENERJİ ve ENTROPİ'dir. Bir sistemin iç enerjisi, bağıl güçleri (çekirdek, atom, iyon ve moleküllerini) bir arada tutmasının sonucudur. Bu güçler ne kadar kuvvetli ise sistem enerjice fakir ve stabil (=değişmez)dir, ne kadar zayıfsa değişken (=instabil) ve enerjice zengindir.
Kimyasal tepkimelerin dinamiğini belirleyen ikinci büyüklük, bir sistemin ENTROPI'sidir. Entropi, sistem ve onun kısımlarını içine alabilen muhtemel enerji verilerinin durumuna bağlıdır. Sistemin olası durumları ne denli büyükse bu da o kadar büyüktür. Her tepkime sistemi, en büyük olasılık durumunu ve böylece en büyük entropiyi alma eğilimindedir. Bir tepkimenin entropisi genellikle tepkime ortağının artışına yol açan yönde artar. Sulu çözeltilerde; çözelti molekülleri ve tepkime ortağı arasındaki değişim ilişkileri dikkate alınır. Bir sistemin entropisi ölçülebilir. Çünkü bu sıcaklık kapasitesi, yani Q.T_1 ile ilişkilidir. Entropi ne kadar büyükse, sistemin kinetik enerjiyi alma olasılığı da o kadar çok olur.
Enzim İnhibisyonu
Hücre metabolizmasında rastlanan kehribar asidinden, dehidrogenaz etkisi ile iki hidrojen atomu ayrılabilir. Bunun sonucunda böylece Fumarik asit oluşur. İfade edilen bu reaksiyon, kimyasal olarak benzer bir molekülle, yani malon asidi ile bloke(=inhibe) edilebilir. Malon asidi de hiç değişmeden, enzimin aktif merkezine oturur. Bu durumda "malon asidi" bu reaksiyon için bloke veya inhibe edici yani inhibitör olarak etki yapar. Substrat veya inhibitörün enzimi işgal edip etmediği, onun yoğunluğuna bağlıdır. İnhibitörün yoğunluğu ne kadar yüksek ise, o kadar fazla miktarda enzim molekülü bloke edilir. Yani gerek substrat ve gerekse inhibitör aktif merkeze yerleşmek için birbirleri ile rekabet eder. Enzim blokesinin bu şekline "kompetitif bloke (=inhibisyon)" denir. Bu bloke substrat yoğunluğunun artırılması ile eski duruma getirilir (=reversibl, yani dönüşümlüdür).
Substrat molekülleri ile hiçbir benzerliği olmayan moleküllerin, bloke ettiği enzimler de vardır. Bu tip enzimlerin aktif merkezleri yanında ikinci bir bağ merkezi taşıdıkları belirlenmiştir. Eğer buraya bir .madde (=substrat) bağlanırsa, bu enzimin mekansal yapısını etkileyerek onun katalitik aktivitesine tesir eder. Bloke edici madde (=inhi-bitör)nin enzimin aktif merkezini değil de, bu ikinci bağlanma yerini işgal ettiği enzim inhibisyonları da vardır. Bunlara "Kompetitif olmayan (=nonkompetitif) bloke(=inhibisyon) denir
Bu mekanizma metabolik olayların düzenlenmesi için çok uygundur. Bunun için son ürün inhibisyonu çok iyi bir örnektir. Bir reaksiyon zincirinin son ürünü, inhibitör olarak zincirin başına, metabolik basamağa etki yapar ve böylece daha az miktarda son ürün oluşur. Bu şekildeki bir olaya negatif geriye dönüşüm denir. Örneğin fosfofruktokinaz enzimi, fruktoz-6-fosfatı, fruktoz 1,6 bisfosfata dönüştürür. Glikoz metabolizmasında sonradan görülen sitrik asit, enzimi inhibe eder ve böylece glikozun miktarını azaltır.
Enzim İnhibisyon
Enzim reaksiyonunda çeşitli aminoasitlerin çok sayıdaki yan zinciri, aktif merkezde substrata etki yapar. Aktivasyon enerjisi azaltılır ve tepkime olaylanır. Çok sayıda aminoasidi yan zincirinin aynı anda devreye girmesi enzim etkinliği için tipiktir. Bu nedenle burada "ÇOK İŞLEVLİ KATALİZ"den söz edilir. Hücrenin çok sayıdaki enzimlerinden bazıları düzenlenebilir, çünkü onlar katalizör olarak etkime yeteneklerini belli bir maddeyi bağlayarak değiştirirler. Böylece substrat yoğunluğunun aynı kalmasf halinde, tepkime hızı değişir. Etkili maddeye "EFEKTÖR" denir. Bu, metabolik olaylarda oluşan maddedir. Eğer tepkime hızı efektör moleküllerinin bağlanması ile düşerse "İNHİBİSYON"dan, artarsa "AKTİVASYON"dan söz edilir. Efektörler substrata göre çok farklı olabilir. Aktif merkezde değil de, özel bir bağlantı noktasında bağlanabilirler. Bu bağlantı noktasına "ALLOSTERİK MERKEZ (=başka yapılı)", bütün bu görünüme de "ALLOSTERİ" denir
