Zaman makinesi üzerine birçok film ve kitap kurgulanmıştır. Kurguyu oluşturan ve insanlarda merak uyandıran temel sorulardan biri ise zamanın ileriye veya geriye akma düşüncesi diyebiliriz. Zamanın hızlanması veya yavaşlaması da benzer şekilde insanların hayal ettiği durumlardan biridir. Hatta çoğu kez bu durum, sihirli bir kumanda ile hayatın hızlandırılıp yavaşlatıldığı montaj videolar ile yansıtılmıştır. Hayali kurulan bu düşünce henüz bir teknolojik cihaza dönüşemese de doğal sistemlerde bir zaman hızlandırıcısı mevcut diyebiliriz.
Enzimleri, vücudumuzun içindeki zaman hızlandırıcıları olarak düşünebiliriz. Tükettiğimiz bir patatesi ağzımızda mekanik olarak parçalar ve sindirmeye başlarız. Ancak, patates ne kadar küçük parçalara ayrılırsa ayrılsın hücrelerimizin içinden geçebilecek küçüklükte değildir. Patates, içerisindeki kimyasal bağlar kırılmalıdır. Bu yüzden kimyasal olarak sindirilmeye başlar. Bu süreçte enzimler kullanılır. Bağlar arasındaki enerji o kadar kuvvetlidir ki kendiliğinden kırılması yüzlerce yıl alabilir. Enzimler, yüzlerce yılda gerçekleşecek kırılmayı bir zaman hızlandırıcısı gibi 5-10 saniyede gerçekleştirir. Bu yüzden enzimler, biyolojik katalist olarak bilinir. Katalist, kimyasal bir tepkimeyi hızlandıran maddelere denir, enzimler bu bağlamda biyolojik katalizördür.
Enzimler, protein yapılıdır. Proteinler ise amino asitlerin bir araya gelmesi sonucunda oluşur. Farklı amino asit çeşitleri vardır ve her birinin çeşitli görevleri vardır. Enzim özelliği gösterebilecek amino asit dizisi bir araya gelerek enzimleri oluşturur.
Vücudumuz protein, karbonhidrat, yağ ve diğer makro moleküllerinden oluşur. Proteinlerin vücudumuzda çeşitli görevleri vardır. Saç ve tırnaklarımız keratin isimli proteinlerden oluşur ve yapı olarak serttir. Bir başka protein ise cildimizin yapısında bulunan kolajendir, kolajen proteini ise tırnaklarımızdan tamamen farklı şekilde esnektir.
Enzimlerin birçoğu protein yapılıdır. Kolajen gibi proteinler yapıya katılırken enzimler tepkimelerde görev alır. Farklı amino asitler bir araya gelir ve vücudumuzda gerçekleşen her türlü tepkimeyi gerçekleştirebilecek enzim çeşidine dönüşür. Her bir amino asiti, farklı renkte olan boncuklar olduğunu varsayalım. Bu boncuklar, bir ip üzerine farklı kombinasyonlarla dizilebilir. Dizilen boncuklar katlanıp, kıvrılarak 3 boyutlu bir yapıya gelir. Bu şekilde katlanan amino asit zincirleri, enzim olarak görev yapmaya hazır hale gelir. Enzimlerin protein yapılarının tepkime içerisinde çalışma şeklini etkilemektedir. Örneğin, protein yapılı olan enzimler yüksek sıcaklıktan etkilenip bozulabilirler. Düşük sıcaklıklarda ise inaktif şekilde kalabilir.
Enzimler, 62 amino asit-2500 amino asit zinciri büyüklüğünde olabilir. Bu zincirler katlanır, girintiler, çıkıntılar oluşur ve enzimin işlevi belirlenir. Oluşan girintili çıkıntılı bu yapıda en önemli kısım ise “aktif bölgedir.” Aktif bölgeyi enzimin ağzı olarak düşünebiliriz. Buraya sadece enzimin seçtiği moleküller yerleşebilir. Bu moleküllere “substrat” denir. Substratlar enzimlerin ağızlarına yani aktif bölgedeki girinti çıkıntıya uyumludur. Bu uyumluluk sayesinde enzimler tepkimeye özgü çalışır. Örneğin, enerji üretmek için karbonhidrat, yağ gibi farklı moleküller kullanılır ve karbonhidrat molekülünü parçalamak için sadece belirli enzimler tepkimede görev alır. Örneğin, "amilaz enzimi" karbonhidrat moleküllerini parçalarken, yağ moleküllerinin parçalanmasında "lipaz enzimi" görev alır. Bu mekanizma, anahtarın kilide uyumu gibi çalışır ve biyoloji müfredatında “anahtar-kilit” modeli olarak anlatılmıştır.
Anahtar-kilit modeli 1894 yılında Emil Fischer enzim ve substratının birbirine tam uyan tamamlayıcı geometrik şekilleri olmasından dolayı olduğunu düşünmüş ve öne sürmüştür. Ancak, uzun yıllar devam eden araştırmalar üzerine anahtar-kilit modeli güncellenmiştir. Bunun yerine yeni bir hipotez geliştirilmiştir. Bu model indüklenmiş uyum modelidir. Enzim ve substratın şekil olarak birbiri ile uyumunun enzimin aktif bölgesindeki şekil değişikliği sayesinde gerçekleştiği düşünülmektedir. Yani enzimin ağzındaki dişler artarak veya azalarak girinti çıkıntı oluşturarak molekülün şekline uyumlu hale gelir.
Enzimlerin Yapısal Olarak Sınıflandırılması
Enzimler, fotosentez yapan bir bitkide ışık enerjisinin karbonhidrata dönüştürülmesinden hayvanlarda oksijenin hücreye taşınması gibi birçok metabolik olayda görev alır. Bazı enzimler görevlerini yerine getirebilmek için inorganik veya organik bileşiklere ihtiyaç duyar. Bu enzimlere “bileşik enzim” denir. Bazı enzimler ise sadece protein yapısı ile işlevlerini yerine getirebilir. Bu enzimlere ise “basit enzim” denir. Enzimlerde bulunan protein kısma ise “apoenzim” denir.
Enzimler, tamamen proteinden oluşabildiği gibi magnezyum, çinko ve demir (Mg, Zn, Fe…) gibi inorganik maddelerle birleşebilir. Bunlar enzim ve substratın daha kolay bir araya gelmesi için yardımcı moleküllerdir. Yardımcısı bulunan enzimlere bileşik enzimler denir.
Vücudumuzda gerçekleşen tepkimeler sırasında moleküller arasındaki kimyasal ve fiziksel bağlar kırılır veya tekrar oluşturulur. Bu bağlar moleküllerin taşıdığı atom ve iyon konfigürasyonlarına, yük dengesine göre oluşturulur. Örneğin, negatif bir yük negatif olan bir diğer yükü iter, pozitif bir yük negatif bir yükü çeker. Enzim ve substratın bir arada bulunabilmesi için yük dengesi ve enerji dengesi kurulmalıdır.
Enerji dengesi, fiziksel (termodinamik yasaları) yasalara uygun şekilde kurulur. Bu enerji dengesinin kurulabilmesi için ek iyonlara organik bileşiklere ihtiyaç duyulur. Enerji dengesi enzimin üzerinde kurulmalıdır. Bu aşamada, enzim kendi başına yeterli olabilir ya da yardımcı bir molekül enzime yardımcı olur. Yardımcı moleküllerin kullanıldığı enzimlere bileşik enzimler denir.
Yardımcı moleküller Mg, Zn gibi inorganik maddeler ise kofaktör olarak adlandırılır. Eğer moleküller, folik asit, vitamin gibi organik maddeler ise koenzim olarak adlandırılır.
Bileşik enzimlerdeki yardımcı kısımlar farklı şekillerde görev alabilir. Kimisi tıpkı bir kepçe kolu gibi substratı tutar ve aktif kısma getirir. Kimisi ise moleküldeki fazla negatif yükü kendine çeker ve enzimin aktif kısmına yaklaştırır. Örneğin, ATP molekülü içerisinde yan yana üç adet fosfat grubu bulunur. Fosfat grubu yüksek derecede negatiflik gösterir, enzimin bu negatifliğe yaklaşabilmesi için gereken yük nedir? Beraber düşünelim.
Negatif negatifi iter, pozitif negatifi çeker. Öyle ise enzimin pozitif yüklü bir parçacığa ihtiyacı vardır. Mg+2 enzime bağlanır ve enzim kolayca negatif grup ile yakınlaşabilir. Verilen bu örnek ile moleküllerin fiziksel ve kimyasal kurallara nasıl uyduğunu ve enzimin çalışma prensibini anlayabiliriz.
Enzimler oldukça hassastır, çevreden gelen bir etkiden hızlı bir şekilde etkilenebilirler. Çevresel etkiler enzimlerin çalışmasını etkiler.
Enzimleri yapı olarak kısaca tanıdık, basit enzim ya da bileşik enzimler genellikle proteinden oluşur. Protein yapısı, enzimin çalışmasını etkileyen en önemli faktörlerden biridir. Sıcaklık, pH, tuz, substrat konsantrasyonu ve enzim konsantrasyonu gibi çevresel etkiler enzimlerin çalışma hızını, çalışma süresini veya çalışıp çalışmamasına etki eder.
Sıcaklık: Enzimlerin protein yapılı olduğundan bahsetmiştik. Tıpkı sudan oluşan bir dondurmanın sıcak bir ortamda erimesi gibi proteinlerde yüksek sıcaklıklarda bozulur, bu duruma denatürasyon denir. Yüksek sıcaklık veya düşük sıcaklıklar enzimin çalışmasında bu sebeple oldukça etkilidir.
Sıcaklık, moleküllerin hareketini etkileyen bir faktördür. Sıcaklık arttıkça moleküllerin hareketi artar, böylece moleküller birbirlerini daha hızlı bulabilir. Enzim ve substratın birbirini bulmasını ve hızlı bir şekilde birleşmesi için en uygun sıcaklığa “optimum sıcaklık” denir. Her enzimin en iyi çalıştığı optimum sıcaklık değeri vardır. Optimum sıcaklık üzerine çıkıldıkça enzim içerisindeki bağlar bozulur ve enzim işlevini kaybeder. Optimum sıcaklığın altına düşüldükçe moleküllerin hareketi azalır. Enzim ve substratın birleşme olasılığı azalır, böylece enzim aktivitesi yavaşlar.
Sıcaklık değişimi ve enzim arasındaki ilişki günlük hayatımızda dondurduğumuz meyve ve sebzelerde gözlemleyebiliriz. Dondurulan besinler içerisindeki enzim aktivitesi azalır ve yiyecekleri bozulmadan tutabiliriz. Dolaptan çıkardığımız yiyecekler ısınmaya başlar ve enzim aktivitesi artar ve yiyecekler üzerinde gördüğümüz bozulmalar başlar.
Enzim Konsantrasyonu: Enzimler hücre içinde veya hücre dışında bulunabilirler. Enzimler, bulundukları ortamda yapılması gereken solunum, sindirim gibi tepkimeleri gerçekleştirirler. Yeterli substrat konsantrasyonunun mevcut olduğu varsayılırsa, enzim konsantrasyonunun arttırılması enzim reaksiyon hızını artıracaktır.
Enzimleri, işçiler gibi düşünebiliriz, yapılacak 10 tane iş için 5 enzim çalışabilir veya 10 tane iş için 20 tane enzim çalışabilir. Enzim miktarı yani enzim konsantrasyonu arttıkça yapılan iş hızlanacaktır. Enzim konsantrasyonun artması enzim-tepkime hızını arttıracaktır. Ancak substratın yani yapılacak işlerin yeterli sayıda olması gereklidir.
Substrat konsantrasyonu: Enzimin aktif bölgesinden yani ağız kısmından bağlanabilen her molekül, enzimin substratıdır. Hücrenin tepkime işçileri olan enzimlerin konsantrasyonu sabit olduğunda ve düşük konsantrasyonda substrat bulunduğunda işçilerin hızı düşer. Kocaman bir yuvarlak alan içinde bulunan 10 tane enzim işçi bu kocaman alanda yayılmış 2 tane işi yani substratı arayıp bulmalıdır. Ancak, aynı alanda 10 tane enzim 15 tane işi çok daha kolay bulur. Enzim ve substratın birbirleri ile karşılaşması ikinci koşulda çok daha kolay ve hızlıdır.
Bir diğer durum ise eğer yapılacak iş çok fazla sayıda ise 10 tane enzim işçi sonunda yorulur yani enzimler substrata doymuştur.
Substrat konsantrasyonu arttıkça enzim reaksiyon hızı artar. Ancak çok yüksek substrat konsantrasyonlarında enzimler substratla doygun hale gelir ve daha yüksek substrat konsantrasyonu reaksiyon hızını arttırmaz.
pH: pH (power of hidrojen) ortamda bulunan hidrojen konsantrasyonun logaritmik değerini belirtir. pH sayesinde ortamın asitliğini, bazikliğini ve nötrlüğünü değerlendirilir. Hidrojen atomu elektron alıp vererek iyon hale yani yüklü hale gelir. Yüklü hidrojen iyonları, enzimlerde bulunan amino asit zinciri ile doğrudan etkileşime girebilir. Hidrojen atomu bir titreşim oluşturur ve bu titreşim amino asit zincirini de titreşime sokar, böylece zincirin şekli değişir. Zincirdeki bu değişiklik enzimin şeklini değiştirir.
Enzimlerin çalışması için optimum (ideal) pH değeri vardır. Örneğin ince bağırsağımızda bulunan tripsin enzimi en iyi pH 8’de çalışırken, midemizde bulunan pepsin enzimi en iyi pH 2 de çalışır.
pH'taki değişiklikler, enzime uygun değilse enzimin yükünü değiştirerek enzimlerin şeklini değiştirebilir ve bu durum enzimi çalışamaz hale getirir.
Enzimler, en ideal ortam koşulunu bulduğunda yüksek hızda çalışmaya başlar. Enzimin en önemli işi ise aktivasyon enerjisini düşürmektir.
Gün içinde yapmayı planladığınız birçok iş olabilir. Ancak işlere başlamadan önce sabah yataktan çıkmanız gerekir. Yataktan çıkmak enerji gerektirir ve diğer işlere başlamak için ilk şarttır. Bazılarımız için yataktan çıkmak çok zordur ve büyük bir enerji gerektirir. Bu büyük enerjiye "Enerji Bariyeri" denir. Büyük enerji bariyerini aştıktan sonra diğer işleri yapabilirsiniz. Yani yataktan çıkmak sizin aktivasyon düğmenizdir.
Günlük olarak yaşanılan bu durum hücrelerimizin içinde de benzerdir. Kimyasal tepkimelerin başlaması için gereken bir enerji bariyeri vardır. Bu enerji bariyerine “aktivasyon enerjisi” denir.
Moleküller, çeşitli atomlardan oluşur. Atomlar arasında kurulan kimyasal bağlar ile moleküller büyüyebilir ya da parçalanabilir. Tepkimeler, atomların arasındaki bağlarda değişikliklerin oluşması sonucunda gerçekleşir. Ancak, bu değişimlere önemli bir engel vardır. Bir bağın kırılabilmesi veya oluşabilmesi için enerji bariyeri aşılmalıdır. Enerji bariyeri, aktivasyon enerjisi olarak tanımlanır. Aktivasyon enerjisi o kadar yüksektir ki aşılması yıllar alabilir. Enzimler, aktivasyon enerjisinin düşürmek için oldukça akıllıca bir yöntem kullanır.
Enzimler, bağların parçalanmaya hazır hale getirilmesi için molekülleri eğip büker ve bağları kararsız hale getirir. Kararsız olan bağlar hemen kararlı olmak ister. Bunu bulunduğu yerden hemen kopup ayrılarak veya yer değiştirerek yapar, yani hareket etme eğilimindedir. Bu şekilde hareket eğiliminde olan bir atomu yerinden ayırmak mı daha kolaydır? Yoksa sımsıkı kararlı tutunan bir atomu ayırmak mı?
Enzimler, moleküllerin bu durumunu yönetmeyi en iyi bilen işçilerdir. Molekülleri öyle eğip bükerler ki molekül kendiliğinden parçalanmak ister böylece aktivasyon enerjisi düşer. Ardından, tepkime hızlıca gerçekleşir.
Doğada gördüğümüz birçok tepkimenin aktivasyon enerjisi çok yüksektir. Örneğin, yanma tepkimesi; propan yanabilen bir maddedir ve yanmaya başlaması için bir kıvılcım gereklidir. Bir kıvılcım, propan moleküllerinin aktivasyon enerji sınırını geçmesi için gerekli enerjiyi sağlar. Ancak, doğada kendiliğinden bir kıvılcımın oluşması yıllar alabilir. Ancak, dışarıdan sağlanan kıvılcım ile enerji bariyeri aşılan bu tepkime kolaylıkla devam eder ve enerji açığa çıkarır. Açığa çıkan bu enerji, zincir şeklinde tepkimeye yol açarak diğer propan moleküllerinin de bariyeri aşmasına yardım eder. Neyse ki vücudumuz içinde bu şekilde bir kıvılcıma ihtiyacımız yok. Enzimler molekülleri mükemmel şekilde koordine ederek aktivasyon enerjisini düşürürler.
Peki, enzimler vücudumuz içerisinde sürekli çalışsaydı ne olurdu? Sürekli yapım veya yıkım tepkimeleri gerçekleşirdi. Enzimler tepkimelerde eskimeden tekrar tekrar kullanılabilir. Enzimlerin tekrar kullanılması ve tepkimeleri hızlandırmaları sonucunda yapım yıkım tepkimelerinin çok daha hızlı gerçekleşmesine neden olurdu. Durmaksızın devam eden tepkimeler sonucunda deyim yerindeyse ortalık yangın yeri olur ve vücut çökmeye başlardı. Böyle tehlikelere karşı vücudumuz birçok önlem almıştır.
Koşullar ve ihtiyaçlar hücreden hücreye farklılık gösterir ve her hücrede zaman içinde gelişir. Deri, kan, sinir veya yağ depo hücrelerine kıyasla mide hücreleri farklı enzimlere ihtiyaç duyar. Örneğin, yemekten sonraki saatlerde sindirim hücreleri, besinleri işlemek ve parçalamak için yemekten hemen sonra daha fazla çalışır. Enzimlerin miktarı ve işlevleri, hücresel gereksinimler ve koşullardaki değişikliklere göre değişir.
Enzimler hücrenin metabolizmasını yönlendirip yönettikleri için sıkı bir şekilde düzenlenme altındadırlar. Bu düzenlemeler:
*Enzim Miktarı: Hücre ihtiyaç durumuna göre enzim miktarını artırıp azaltabilir. Yemekten sonra sindirim enzimlerinin miktarı artar daha sonra ihtiyaç kalmadığında enzim miktarı azaltılır.
*Düzenleyici Moleküller: Enzimler substratlarına özgüdür ilkesi enzimlerin substratlarına bağlılığını gösterir. Ancak bu bağlılık enzimler için yanıltıcı olabilir. Öyle moleküller vardır ki tıpkı bukalemunlar gibi kamufle olabilir. Bu moleküller substratın şeklini taklit ederek enzimlerle kolayca uyum sağlar. Bazıları enzimlerin çalışma hızını arttır bazıları yavaşlatır hatta durdurur. Hızı arttıran moleküllere “aktivatör”, hızı yavaşlatan ve durduran moleküllere “inhibitör” denir.
*Kofaktörler ve Koenzimler: Kofaktör ve koenzimler enzimlerle birleşerek çalışır. Çoğu enzim, yardımcı moleküller bağlandığında aktif hale gelir.
*Bölümlendirme: Enzimler, hücre içinde belirli bölümlerde/kısımlarda tutulabilir veya hücre dışında bulunabilir. Bu şekilde enzimlerin bulunduğu ortam ile pH ve yardımcı molekülleri, enzimin substrata erişim düzeyi gibi faktörler ile kontrol sağlanır.
*Geri Bildirim Mekanizması: Geri bildirim (feedback) mekanizması enzim ve substrat ilişkisi ile ilgilidir. Enzim substratına bağlanır ve tepkimeyi gerçekleştirir. Tepkime sonucunda ürün ortaya çıkar. Belli bir zaman sonra ürün o kadar artar ki enzime artık durmasını söylemek için inhibitör gibi tekrar enzime bağlanır. Böylece çalışmasını durdurur.
Enzimleri kısaca tanıdık. Yapılarının proteinden oluştuğundan bahsettik. Biyolojide birçok istisna vardır. Enzimle ilgili bir istisna ise bazı enzimlerin protein değil RNA moleküllerinden oluşmasıdır. Çeşitli RNA molekülleri vardır. Bunlar arasından özellikle rRNA tepkimeleri katalizleyebilir.
Enzimler vücudumuzun sağlıklı bir şekilde kalması ve yaşamını devam ettirebilmesi için kritik moleküllerdir. Eksikliğinde birçok tehlikeli hastalıklar görülebilir. Gaucher hastalığı bunlardan biridir. Yağ moleküllerinin parçalanmasını sağlayan bir enzim eksikliği nedeniyle fazla yağın beyin, kalp ve akciğer gibi organlarda birikmesidir. Ayrıca enzimler, canlılardan alınarak veya yapay olarak üretilebilmektedir. Bu enzimlere örnek olarak yine yağ parçalayan bir enzim olan lipaz enzimi çamaşır üzerindeki yağ lekelerini çıkarmak için kullanılmaktadır. Yapay olarak üretilen enzimler, farklı endüstriyel alanlarda kullanılmaktadır.
