Biyokimya/Kataliz

Kataliz, katalist olarak adlandırılan ve tepkime boyunca hiç değişmeyen bir madde tarafından gerçekleştirilen tepkimedeki hız değişimini temsil eder. Kataliz bilinen tüm yaşam formları için çok önemlidir; çünkü çoğu zaman kataliz, kimyasal tepkimeleri kendi kendilerine yapacaklarından, birkaç milyon kata kadar daha hızlı gerçekleştirir.

Kataliz hakkındaki sık karşılaşılan bir yanlış anlama da katalizin "tepkimeyi gerçekleştirdiği" aksi takdirde, ortalıkta bir katalist yokken tepkimenin yürümeyeceğidir. Fakat bir katalist, termodinamik olarak yatkın olmayan bir tepkimeyi yürütemez. Daha ziyade, katalist sadece, zaten termodinamik olarak yatkın olan tepkimeleri hızlandırır. Katalist olmasa bile bir tepkime, gözlenmesi veya belirli bir bağlamda yararlı olabilmesi için çok yavaş olmasına karşın büyük ihtimalle yine de gerçekleşecektir.

Katalistler, reaktanlar ve ürünler arasında düşük enerjili bir yolak oluşturarak kimyasal tepkimeyi hızlandırır. Bu genellikle, katalist olmadan oluşamayan bir orta ürünün oluşmasına yol açar. Bu orta ürünün ve daha sonraki tepkimenin oluşumu genellikle reaktanlardan ürünlere direkt yönde gerekenden daha düşük aktivasyon enerjisi bariyerine sahiptir.

Kataliz, çoğu endüstriyel olarak önemli kimyasalların üretimininde kataliz rol aldığından endüstriyel açıdan çok önemli bir süreçtir. Kataliz hakkındaki araştırmalar uygulamalı bilimlerde büyük bir çalışma alanı oluşturur, fizik ve kimyanın çoğu çalışma alanını kapsar.

Katalizin genelde ayırt edilen iki türü vardır. Homojen katalizde reaktanlar ve katalistler aynı haldedir. Mesela, asitler (H+ iyonu vericileri) çoğu sulu tepkimelerde yaygın katalistlerdir. Bu durumda katalist ve reaktanların her ikisi de sulu haldedir. Heterojen katalizde katalist, reaktan ve ürünlerden farklı haldedir. Genellikle, katalist bir katıdır ve reaktan ve ürünler de gaz ya da sıvıdır. Tepkimenin meydana gelebilmesi için reaktanların bir veya daha fazlasının katalist yüzeyine yayılması ve onun üzerinde emilmesi gerekir. Tepkimeden sonra ürünün, yüzeyden çıkarılması ve katı yüzeyden dışarı yayılması gereklidir. Sıklıkla, reaktanların ve ürünlerin bir fazdan diğerine olan bu taşınması tepkimenin hızını sınırlamada baskın bir rol oynar. Bu taşınım olaylarını anlama, heterojen katalist araştırmalarının önemli bir alanıdır.

Enzimler

Şekil 2: Bir enzim, bir substratlı tepkimeyi, iki adet ürün oluşturmak için tezleştiriyor.

Enzim (kökeni Yunanca, maya kelimesi), işlevi, hücrelerde gerçekleşen çoğu kimyasal tepkimeyi kolaylaştırmak veya diğer bir deyişle hızlandırmak olan özel protein moleküllerdir. Biyolojik hücrelerde birçok kimyasal tepkime gerçekleşir, ancak enzimler olmadan çoğu, biyolojik olarak amaca uygun bir tepkime için çok yavaştır.

Ayrıca, enzimler iki veya daya fazla tepkimeyi aynı anda gerçekleştirebilir, böylece termodinamik olarak yatkın bir tepkime, termodinamik olarak yatkın olmayan bir tepkimeyi "yürütmek" için kullanılabilir. Bu durumun en yaygın örneklerinden biri de, ATP defosforilasyonunu başka alakasız kimyasal tepkimeleri yürütmek için kullanan enzimlerdir.

Kimyasal tepkimelerin meydana gelmesi için belli bir miktarda aktivasyon enerjisi gereklidir. Enzimler, aktivasyon enerjisi düşük olan başka bir tepkime yoluna ayrıcalık tanıyarak tepkimenin hızını artırabilir (Şekil 1), böylelikle tepkimenin oluşması kolaylaşır. Enzimler, kimyasal tepkimeleri katalize eden (hızlandıran) büyük küresel proteinlerdir ve hücre işlevi için gereklidirler. Enzimler, tepkimelere dahil olan kimyasallar (substrat) ve tezleştirdikleri tepkimelere gelince çok spesifiktirler. Substratlar, enzimlere anahtarın deliğine uyduğu gibi uyarlar. Birçok enzim, bir birlik halinde hareket eden birçok proteinden oluşur. Enzimlerin çoğu parçası yapısal veya düzenleyici amaçlara sahiptir. Bir tezleştirilmiş tepkime, yaklaşık 2-20 amino asitten oluşan ve etkin nokta olarak adlandırılan yalnızca küçük bir parça enzim içerisinde gerçekleşir.

Şekil 1: Zamana karşı (t) gereken enerjiyi (E) gösteren bir katalitik tepkime diyagramı.

Şekil 3: Tepkime hızı ve Michaelis-Menten sabiti diyagramı. V hızı, bir enzim tarafından bir saniyede tezleştirilen tepkime sayısını belirtir. Substrat yoğunluğunun [S] artmasıyla, enzim maksimum hızına V_max asimptotik olarak ulaşır, ama hiçbir zaman gerçekten ulaşamaz. Bu nedenle, V_max için bir [S] değeri verilemez. Bunun yerine, enzimin karakteristik değeri, maksimum hızının yarısındaykenki (V_max/2) substrat yoğunluğu ile tanımlanır. Bu K_M değeri Michaelis-Menten sabiti olarak da adlandırılır.

Yandaki şekilde, substratlar (CO₂ ve H₂O), geçiş durumuna gelebilmek için büyük miktarda enerjiye ihtiyaç duyar. Enzim, gereken enerji miktarını azaltarak CO₂ ve H₂O'nun geçiş durumuna daha kolay gelmesini sağlayan bir mikroçevre oluşturur. Sonuç olarak, tepkimenin gerçekleşme yatkınlığı, dolayısıyla tepkime hızı artar.

Enzimler saniyede birkaç milyon kadar katalitik tepkimeyi gerçekleştirebilir. Enzimatik bir tepkimenin maksimum hızını tespit etmek için, ürün üretimi hızı değişmez bir değere ulaşana dek substrat yoğunluğu artırılır (Şekil 3). Bu, enzimin maksimum hızıdır (V_max). Bu aşamada, tüm enzim etkin noktaları substratlara doymuş olur. Bu, 1913 yılında Leonor Michaelis ve Maud Menten tarafından ileri sürülmüştü. V_max'a erişildiğinde substrat yoğunluğu tam olarak ölçülemediği için, enzimler, maksimum tepkime hızının yarısındaykenki substrat yoğunluğuna göre karakterize edilir. Bu substrat yoğunluğu Michaelis-Menten sabiti (K_M) olarak adlandırılır. Çoğu enzim Michaelis-Menten kinetiğine uygundur.

Engelleyiciler

Birçok faktör tepkime hızına etki edebilir, katalitik aktivite veya bir enzimin belirliliği. De novo sentezinin (kataliz hızını artırmak maksadıyla daha fazla enzim molekülü üretimi) dışında, pH veya sıcaklık gibi ögeler enzimin doğasını (şeklini) değiştirebilir, ve bu da enzimin işlevini yitirmesine sebep olur. Daha spesifik düzenlemeler, enzimin çevrim sonrası değişimiyle (mesela fosforilasyon) ya da metal iyonlar veya organik moleküller (mesela NAD⁺, FAD, KoA veya vitaminler) gibi enzimle etkileşen kofaktörlerin eklenmesiyle sağlanabilir. Allosterik enzimler, birbirleriyle etkileşen ve dolayısıyla birbirlerinin katalitik etkinliklerini etkileyen birçok alt birimden (proteinler) oluşur. Enzimler yarışmalı (kompetitif) engelleyiciler, yarışmasız (non-kompetitif) engelleyiciler ve etkinleştiriciler (aktivatörler) aracılığıyla da düzenlenebilir. Engelleyiciler (inhibitör) ve etkinleştiriciler genellikle ilaç olarak kullanılır; ama bazı durumlarda zehirli de olabilirler.

Yarışmalı engelleme

Şekil 4: Yarışmalı engelleme

Bir yarışmalı engelleyici, gerçek substratı gibi enzime oturur, hatta bazen enzime, gerçek substrattan daha iyi uyar. Engelleyici, substratın etkin noktadaki yerini kapar, enzimin bir substrat molekülüne bağlanmasını önlediğinden dolayı katalitik tepkime gerçekleşemez. Engelleyici enzime bağlıyken substratın bağlanamadığı gibi substrat enzime bağlıyken de engelleyici enzime bağlanamaz. Yandaki diyagramdan yarışmalı engellemenin nasıl gerçekleştiğini inceleyebilirisiniz. Bazı engelleyiciler, enzimle aralarında kovalent bağlar oluştururlar, böylelikle kendini de enzimi de kalıcı olarak devre dışı bırakırlar (intihar engelleyicileri). Yarışmalı engelleyicinin kinetiği koşullarında, K_m artacaktır ama V_max aynı kalacaktır.

Yarışmasız engelleme

Şekil 5: Yarışmasız engelleme. (Nonkompetitif inhibisyon)

Yarışmasız engelleyici/etkinleştiriciler (I), etkin noktaya bağlanmazlar, substratın (S) enzime (E) bağlandığı noktadan uzak olabilecek başka bir noktaya bağlanırlar. Enzim (E) konformasyonunu (üç-boyutlu yapısını) değiştirerek, enzimin (E) substrata (S) bağlanma ve hedeflenen tepkimeyi tezleştirme yeteneğini kontrol edebilirler. Yarışmasız engelleyici V_max'ı düşürür ama K_m'yi aynı bırakır.

Sınırlı yarışmalı engelleme

Sınırlı yarışmalı (Ankompetitif) bir engelleyici yalnızca enzim-substrat kompleksine bağlanarak enzim-substrat-inhibitör (ESI) kompleksi oluşturur ve ek bir substrat tarafından atlatılamaz. ESI reaktif olmadığı için, V_max etkin bir şekilde düşürülür. Sınırlı-yarışmalı engelleyici, ES'nin maksimum yoğunluğunun yarısına ulaşabilmek için gerekenden düşük substrat yoğunluğu nedeniyle K_m'yi sırayla düşürecektir.

Geribildirimle engelleme

Geçen bölümde metabolik yolaklardan kısaca bahsetmiştik. Hücre içinde, enzimler de spesifik bir sırayla metabolik yolaklar oluşturarak çalışabilirler (mesela sitrik asit döngüsü, aerobik organizmaların hücrelerinde meydana gelen enzimatik bir tepkime serisi, hücre solunumu için önemlidir). Bu tür yolaklarda bir enzimin ürünü diğer enzimin substratı olur. Önceki bölümde de belirttiğimiz gibi bu metabolik yolaklarların ilk tersinmez aşamalarının kontrol edilebilmesiyle tüm yolağın hücre tarafından kontrol altına alınması sağlanabilir. Enzimli metabolik yolaklarda bu ilk tersinmez adımın kontrolü de bir engelleyici tarafından sağlanır aslında bu engelleyici yolağın son ürünüdür. Yolak işledikçe son ürün miktarı artar. Son ürün miktarı gereken seviyeyi geçince artık daha fazla ürün üretimi gereksiz olacağı için yolağın durdurulması gerekir. Yolağın son ürünü, enzime etkin nokta dışında bir yerden bağlanır ve (engelleme çelşitlerini hatırlayın) enzimin yarışmasız engelleyicisi olur. Etkin noktanın yapısı değiştiği için artık substrat bağlanamaz. Bu şekilde düzenlenebilecek olan enzimlere de allosterik enzimler denir. Aşağıdaki resimde temel geribildirimle engelleme mekanizmaları gösterilmiştir.

Şekil 6: Yaygın bir geribildirimle engelleme (feedback inhibition veya geribildim engellemesi olarak da bilinir) işleyişi

1. Ürünün, (P) ilk tersinmez adımı engellediği temel geribildirimle engelleme mekanizması (A⇀B).
2. Ardışık geribildirimle engelleme. P₁ ve P₂ son ürünleri, kendi yolaklarının ilk tersinmez adımını engeller (C ⇀ D veya C ⇀ F). Her iki ürünün de ortamdaki miktarı artınca, C'den ayrılan tüm yolaklar engellenir. Bu, C ürününün birikmesine neden olur, bundan dolayı da ilk ortak tersinmez adım olan A⇀B engellenir.
3. Enzim çeşitliliği. Her son ürün, kendi ilk tersinmez adımını ve o adımı uygulayan enzimlerden birini engeller.
4. Toplu geribildirimle engelleme. Her bir son ürün kendi ilk tersinmez adımını engeller. Daha sonra hep birlikte, kendi ortak ilk tersinmez adımlarını engellerler.
5. Birikimli geribildirimle engelleme. Her bir son ürün kendi yolağının ilk tersinmez adımını engeller. Ayrıca, her bir son ürün kısmen ilk ortak tersinmez adımı engeller.

Enzimlerin varlığı canlı varlıklar için olmazsa olmazdır, vücudumuzda hazır bulunan yaklaşık 2,000 enzimden tek bir tanesinde bile meydana gelecek bir arıza ağır veya ölümcül bir hastalığa neden olabilir. İnsanlarda bir enzimdeki işlev bozukluğundan kaynaklanan hastalıklara bir örnek de phenylketonuria (PKU) hastalığıdır. Bu hastalık, insan beslenmesi için gerekli bir amino asit olan fenilalanini tirozine dönüştüren fenilalanin hidroksilaz enziminin çalışmaması, fenilalaninin birikmesi sonucu meydana gelir ve zeka geriliğine sebep olur. İnsan vücudunda bulunan enzimler engelleyiciler tarafından da iyi ya da kötü yönden etkilenebilirler. Mesela Aspirin, prostaglandinler (iltihap habercileri) üreten bir enzimi engeller, bu nedenle acıyı bastırır. Ama enzimler sadece canlı varlıklarda bulunmaz. Enzimler, biyolojik çamaşır deterjanları gibi günlük hayatta kullandığımız ürünlerde kimyasal tepkimeleri hızlandırmak için (giysilerinizi temizlemek için) kullanılır.

Sindirim Enzimleri ve Metabolik Enzimler

Önceki başlıkta sindirim enzimleri hakkında konuşmuştuk. Bu enzimlerin temel işlevleri besinlerin sindirimidir. Enzimlerin diğer bir çeşidi de metabolik enzimler olarak adlandırılır. Görevleri, oksijenin emilimi de dahil vücudumuzda yer alan tüm kimyasal tepkimeleri tezleştirmektir (katalizlemek). Ortamda ne kadar çok oksijen olursa olsun, sitokrom oksidaz enzimi çalışmasaydı, hücrelerimiz tam anlamıyla açlıktan ölürlerdi. Enzimler ayrıca, kasların kasılıp gevşemeleri için de gereklidir. İşin özü, bu iki tür enzim olmadan (sindirim enzimleri ve metabolik enzimler) yaşam var olamaz.

Enzim adlandırması

Ortak bir kural olarak, bir enzimin adı, onun ne yaptığının bir açıklaması ve "-az" ile biten bir kelimeden oluşur. Alkol dehidrojenaz ve DNA polimeraz buna örnektir. Kinazlar fosfat gruplarının transferini yapan enzimlerdir. Uluslararası Biyokimya ve Moleküler Biyoloji Birliği, EC numaraları denen, enzimler için bir adlandırma sistemi geliştirmiştir; her enzim başında da "EC" olan ve dört sayıdan oluşan bir dizi ile betimlenir. İlk sayı enzimleri mekanizmalarına göre genel olarak sınıflandırır:

• EC 1 Oksidoredüktazlar,: yükseltgenme/indirgenme (redoks) tepkimelerini tezleştirir (katalizler)
• EC 2 Transferazlar: fonksiyonel grupların (örneğin bir metil veya fosfat grubu) tranferini tezleştirirler
• EC 3 Hidrolazlar: çeşitli bağların hidrolizini tezleştirirler
• EC 4 Lizazlar Hidroliz ve yükseltgenme harici yollar ile çeşitli bağları keser
• EC 5 İzomerazlar: Tekil bir molekülde izomerizasyon değişikliklerini tezleştirir
• EC 6 Ligazlar: İki molekülü kovalent bağlarla birleştirir