Enzim indüklenmesi

Enzimler
Fiziksel İlkeler
Enzim Etkinliğinin Düzenlenmesi
Doç. Dr. Handan Akçakaya
E+S
k1
k-1
ES
k2
E+Ü
k2=kkat
ES’nin oluşum hızı = k1 [E] [ S]
ES’nin parçalanma hızı = k-1 [ES]+ k2[ES]
Denge durumunda;
k1 [E] [ S] = k-1 [ES]+ k2[ES]
ya da;
k1 [E] [ S] -
k-1 [ES]- k2[ES] = 0 olur
k1 [E] [ S] = k-1 [ES]+ k2[ES]
Buradan,
olarak bulunur.
Bu konumda Michaelis sabitini tanımlayabiliriz.
Km’in değerini yukarıdaki eşitlikte yerine koyduğumuzda,
Enzimatik bir reaksiyondaki serbest enzim derişimi
dir.
Bu değeri az önce bulduğumuz denklemde yerine
koyarsak,
Eşitliği yeniden düzenleyerek
şeklinde yazabiliriz.
Burada bulduğumuz [ES] değerini reaksiyonun hız formülünde yerine
koyduğumuzda,
Reaksiyonun maksimum hızı, enzimin substrat ile doymuş olduğu
durumda gerçekleşebileceğinden, [S] değeri Km den çok büyük olur,
böylece Km değeri ihmal edildiğinde,
Vmaks değerini yukarıdaki hız eşitliğinde yerine koyarsak,
Michaelis-Menten Eşitliği:
Vmax [S]
V =
Km + [S]
Vmax [S]
V =
Km + [S]
Vmax
V =
[S]
Km
V = k [S]
Vmax [S]
V =
Km + [S]
V =
Vmax [S]
[S]
V = Vmax
Vmax [S]
V =
Km + [S]
Vmax [S]
V =
[S]+ [S]
Vmax [S]
V =
2 [S]
V =
Vmax
2
Lineweaver-Burk Eğrisi
MM eşitliğinin
tersine çevrilip
çarpanlarına
ayrımasıyla;
Eadie-Hofstee Eğrisi
MM eşitliğinin her iki
tarafının Vmax ve V ile
çarpılıp yeniden
düzenlenmesiyle
Km’İN ÖZELLİKLERİ:
Michealis menten sabiti bir enzime ve belirli bir substrata özeldir ve o
enzimin substrata olan ilgisini yansıtır. Km sayısal olarak, reaksiyon
hızının ½ Vmax’a eşit olduğu noktadaki substrat konsantrasyonudur.
Km enzim konsantrasyonu ile değişmez ve enzimin substratına karşı
gösterdiği afiniteyi gösterir.
Küçük Km: Sayısal olarak küçük Km enzimin substratına karşı ilgisinin
yüksek olduğunu gösterir..
Büyük Km: Sayısal olarak yüksek Km, enzimin substratına karşı olan
ilginin düşük olduğunu gösterir..
Enzimlerin etki mekanizmalarını
incelemede enzim inhibitörlerinin büyük
rolü olmuştur. Enzim inhibitörleri;
geridönüşümlü
geri- dönüşümsüz
etkilerine göre iki sınıfa ayrılır.
Geridönüşümlü inhibisyon enzim ile inhibitör
arasında zayıf bağlar üzerinden oluşan bir
kompleksin varlığına dayanır. Bu tür inhibisyon
inhibitörün ortamdan uzaklaşmasıyla sonlanır.
Geridönüşümlü inhibisyonlar enzim etkinliğinin
düzenlenmesi açısından özel önem taşır.
Geridönüşümsüz inhibisyon ise inhibitörün enzime
genelde kovalent bağlarla bağlanmasından
kaynaklanır.
Geridönüşümlü inhibisyonun başlıca üç türü bulunur.
1-Yarışımlı (kompetetif) inhibisyonda substrat molekülüne
benzeşik bir molekül enzimin katalitik bölgesine bağlanarak
gerçek substratın bu bölgedeki dönüşümünü engeller.
Oluşan inhibisyonun ölçüsü inhibitörün katalitik bölgeye olan
ilginliğine ve derişiminin substrat derişimine olan oranına
bağlıdır.
Yarışımlı inhibisyon substrat ile inhibitörün aynı bağlanma
bölgesine yönelik yarışımına dayandığından, substrat
derişimini, dolayısıyla substratın bu bölgeye bağlanma
olasılığını artırarak, bu tür inhibisyonu ortadan kaldırmak
olasıdır.
•Kompetetiv inhibitör yapı
Olarak S’la benzerdir (analog)
•İnhibitör enzim aktif bölgesi
İçin S’la yarışır.
•S derişimi artırılırsa inhibitör
Etkisi azaltılabilir.
Kompetitive Reversible Inhibitörler
ES

I
k1
K-1
v 
KI
EI
k2
ES
EP
Km Artar
v max [ S ]
[I ]
[ S ]  K m (1 
)
KI
vmax Değişmez
Kmapp
v
+inhibitor
1/v
Slope=Km/vmax
vmax
Slope= Km(1+[I]/KI)/vmax
Km
Km(1+[I]/KI)
[S]
-1/Km
1/vmax
-1/(Km(1+[I]/KI))
1/[S]
Tıpta ve biyolojide yaygın kullanım
bulan pek çok madde ve ilacın
belirli enzimatik tepkimelere özgü
kompetetif inhibitör olduklarının
burada belirtilmesi yerinde
olacaktır.
2-Yarışımasız (noncompetitive) inhibisyonda, inhibitör
katalitik bölgenin dışındaki bir bölgeye bağlanarak yol
açtığı konformasyon değişikliğiyle enzim etkinliğini
durdurur.
Bu tür inhibisyonu substrat derişimlerini
artırarak ortadan kaldırma olanağı yoktur.
Enzimin substrata olan görünür ilginliği (dolayısıyla
görünür Km değeri) inhibitör varlığında değişmez,
ancak tepkimenin Vmax değerinde azalma olur.
Yapısı S’ın yapısından farklıdır.
•Enzim aktif bölgesi dışında
Bir bölgeye bağlanır.
Enzimin şeklini değiştirerek
Aktif bölgeyide etkiler ve S’ın
Bağlanması engellenir.
•S ilavesi inhibisyonu
Değiştirmez.
Nonkompetitive (Pure) Reversible Inhibitörler
ES

k1
k-1
ES

I
I
KI’
KI
EI  S
EIS
k2
v 
EP
[S ]

[S ]  K m
vmax
[I ]
(1 
)
KI
Km Değişmez
vmax Azalır
v
+inhibitor
1/v
vmax
(1+[I]/KI)/Vmax
Vmax/(1+[I]/KI)
Km
Km
[S]
-1/Km
Slope=Km/vmax
Slope= Km(1+[I]/KI)/vmax
1/vmax
1/[S]
3-Ankompetetif inhibisyon: Enzim
substrattan farklı bir yere ve daima enzimsubstrat kompleksine bağlanır. Enziminhibitör-substrat kompleksi hiç bir zaman
ürün veremez. Vmax, Km azalır.
Unkompetitive Reversible Inhibitörler
ES
k1
k-1
ES

I
Km ve vmax
KI’
Azalır
Eğim değişmez
k2
v 
EIS
EP
v max
[S ]

Km
K
(1  I )
[S ] 
K
[I ]
(1  I )
[I ]
+inhibitor
v
1/v
vmax
(1+ KI/[I])/Vmax
Vmax/(1+KI/[I])
Km/(1+ KI/[I]) Km
[S]
-1/Km
- (1+ KI/[I])/Km
Slope=Km/vmax
Slope= Km/vmax
1/vmax
1/[S]
İrreversible inhibisyon: İnhibitörle enzim
arasında kovalent bağlar oluşur. İnhibitör enzim
aktivitesi için gerekli olan fonksiyonel grupları
bağlar veya bunların yapısını bozar. İnhibitörün
yapısı substrata benzemez ve substrat
konsantrasyonu artışı ile geri dönmez. Örneğin
bazı böcek ilaçları nörotoksik etkilerini asetil
kolinesteraz enziminin aktif bölgesine irrevesible
bağlanarak yaparlar.
Kinetik olarak nonkompetetif inhibisyonla aynı
özellikleri taşır.
 Büyüyen, çoğalan ve çevresiyle devingen ilişkiler
içinde olan canlıların, bu ilişkilerinden doğan
gereksinimlerinin karşılanması, ya da değişen ortam
koşullarına uyumları enzim etkinliğindeki
düzenlenmelerle sağlanır.
 Örneğin, hücresel moleküllerin biyosentez, yıkım ve
taşınma hızlarının ayarlanmasını bu tür enzimatik
düzenlemeler belirler.
 Enzim etkinliğinin düzenlenmesi çeşitli yollardan
gerçekleşebilir
Enzim etkinliğinin düzenlenmesi

Enzim indüklenmesi (hücre gereksinimlerine göre yeni enzim
moleküllerinin
sentezi).

Geri beslemeli (feed-back”) düzenlenme.

Sırasal düzenlenme modeli (“sequential model”)

Sentez ötesi modifikasyonlar

İzoenzimlere dayalı düzenlenme

Simojen aktifleşmesi.
Enzim indüklenmesi (hücre gereksinimlerine
göre yeni enzim moleküllerinin
sentezi).

Bu mekanizma gen etkinliğinin düzenlenmesi yoluyla
gerçekleşir ve bir maddenin değerlendirilmesinden sorumlu
enzimlerin yapımını düzenler.

Böyle bir değerlendirme sürecinde birbirini tamamlayan işlevlere
sahip enzimlerin genleri genelde ortak bir düzenleyici bölgenin
(operatör) denetimi altında bulunur.

Operatör ve denetimi altındaki (yapısal) genler topluca operon
adı verilen düzenleme birimini oluşturur.

Genelde, hücrenin gereksinmediği proteinleri (enzimleri)
şifreleyen genler operatöre bağlı represör adı verilen proteinler
tarafından baskılanmıştır.
Represör değerlendirilmesi sözkonusu maddeyle (ligantla)
özgün etkileşim sonucu operatör bölgeden ayrışır.


Böylece operon gereksinilen enzimlerin
aktifleşmiş olur.
sentezi
için
Operon Aktifleşmesi

1950 ve 1960’lı yıllarda, laktozun E.coli’de
glikoz ve galaktoza dönüşüm sürecinde
laktozun oynadığı tetikleyici rolü
tanımlamaya yönelik çalışmalarla
aydınlatılan lac operonu enzim indüksiyon
mekanizmalarının klasik bir örneğini
oluşturmaktadır.

Represör proteinlerin görev aldığı bu tür
negatif düzenlemelerin yanı sıra aktifleyici
proteinlerin görev aldığı pozitif düzenleme
mekanizmaları da bulunmaktadır.
Farklı operon sistemlerin işleyiş biçimleri
Represör ve
aktivatörlerin ligantlarla
etkileşimine bağlı çalışan
farklı operon sistemleri.
Geri beslemeli (feed-back”) düzenlenme.

Bu mekanizma bir reaksiyon dizisinin son ürününün, belirli bir
derişime eriştiğinde, dizinin ilk aşamasını katalizleyen alosterik
enzime bağlanarak onun etkinliğini durdurmasına dayanır.

Allosterik enzimler daha önce hemoglobin örneğinde görüldüğü
gibi birden çok altbirimden oluşan ve aktif bölge taşıyan
proteinlerdir.

Bu enzimlerin her altbirimi üzerinde bir katalitik bölge, ayrıca
allosterik ya da düzenleyici bölgeler bulunur.

Allosterik bölgelere bağlanan aktivatör ya da inhibitör
niteliğindeki ligantlar üçboyutlu yapıda yol açtıkları
değişikliklerle bu enzimlerin etkinliğini düzenler.

Homotropik etkiler: Substratın kendisi efektör görevi yapıyorsa,
bu etkiye homotropik etki denilir. Genellikle pozitif efektörlerdir.

Heterotropik etkiler: efektör substrattan farklıdır. Heterotropik
efektörler inhibitörlerdir ve genelde son ürün inhibisyonu şeklinde
ortaya çıkar. Örnek yağ asidi sentezi hız kısıtlayıcı basamağı asetil
KoA karboksilaz enzimi asetil KoA’dan malonil KoA oluşumunu
katalizler. Yağ asidi sentezi yolunun son ürünü palmitoil KoA’dır.
Asetil KoA karboksilaz enzimi palmitoil KoA ile inhibe edilir.

Allosterik etkilerde enzim aktivitesinin düzenlenmesinde hemen
devreye giren mekanizmalardandır
Geri beslemeli (feed-back”) düzenlenme.
Sentezötesi modifikasyonlar
Bir çok enzimin aktivitesi kovalent modifikasyonla
düzenlenir. En sık görülen şekli serin, treonin ve
tirozin kalıntılarına fosfat grubu eklenmesi veya
ayrılmasıdır.
protein kinaz-fosfoprotein fosfataz
Bu enzim aktivitesini düzenleme mekanizması hemen
veya dakikalar içinde devreye girmektedir.
Enzim aktivitesinin düzenlenme mekanizmaları
Düzenleyici olay Tipik efektör
Sonuçlar
Süre
Substrat varlığı Substrat
Hız değişir
Hemen
Ürün
inhibisyonu
Ürün
Vm ve/veya Km Hemen
değişir
Allosterik
kontrol
Son ürün
Vm ve/veya Km Hemen
değişir
Kovalent
modifikasyon
Başka
enzim
bir Vm ve/veya Km Hemen
veya
değişir
dakikalar
içinde
Enzim
sentezi Hormon veya Enzim miktarı Saatler
veya
ve yıkımı
metabolit
değişir
günler içinde