Organik Bileşikler: Enzimler

Enzimler, protein yapılı moleküllerdir. Bu da demek oluyor ki enzim konusunu iyi anlamak ve sorularını çözebilmek için proteinler konusunu da iyi bilmeniz gerekiyor.

Canlı vücudunda pek çok tepkime aynı anda gerçekleşir. Bu tepkimelerin büyük kısmının gerçekleşmesi normalde çok ama çok uzun bir süre alır. Neden? Çünkü tepkimelerin gerçekleşebilmeleri için moleküllerin birbirine "temas etmesi" gerekir. Bu da ancak enerji ile mümkün olur. Kabaca bir tabirle söylersek bir molekülün enerjisi ne kadar yüksekse o kadar fazla hareket (titreşim) hâlinde olur. Bu durumda da diğer moleküller ile karşılaşma ve dolayısıyla "temas etme" ihtimali o kadar artar. O zaman biz tepkimenin gerçekleştiği ortamdaki enerji miktarını arttırırsak tepkimenin başlamasını kolaylaştırmış oluruz. Peki enerji miktarını nasıl arttırırız? Bunun yolu ortamdaki ısıyı arttırmaktır. Şimdi, eğer bu bahsettiğimiz tepkimeler laboratuvarda gerçekleşiyor olsalardı, ısıyı arttırmamız çocuk oyuncağından farksız olurdu. Tepkimenin gerçekleşeceği kabı ocağın üzerine koyup altını yaktık mı artık tek yapmamız gereken ısının uygun derecelere gelmesini beklemek olurdu. Ancak biz canlılarda gerçekleşen tepkimelerden bahsediyoruz. Bildiğiniz gibi canlıların hücre yapısının büyük bir kısmı proteinlerden meydana geliyor. Proteinler de ısıya karşı oldukça duyarlı moleküller, üstelik ısı nedeniyle yapıları bozulduğu zaman (denatürasyon) bir daha düzelmeyecek hâle geliyorlar. Bu nedenle tepkimeyi başlatmak için gerekli olan enerjinin canlı içerisindeki ısının arttırılması ile eldesi mümkün değil. Tabii hücrelerinizi yakıp kavurmak istiyorsanız o başka! :)

Peki o hâlde vücudumuzdaki tepkimeler nasıl meydana geliyor? Bu tepkimelerin gerçekleşmesi için gerekli enerji miktarı (buna çok yerde aktivasyon enerjisi deniyor, bu şekilde aklınızda tutmanız iyi olacaktır) enzim adı verilen moleküller tarafından düşürülüyor. Üstelik enzimler tepkimelerden hiçbir değişiklik olmadan çıktıklarından, tekrar tekrar kullanılabiliyorlar, yani bitip tükenmeleri söz konusu değil. (Bunu nasıl yaptıkları konusuna hiç girmeyeceğim. Bu konuda çeşitli ve burada detaylandırmayacağım teoriler var.) Enzimler tepkimelerin normaldekine göre çok daha hızlı gerçekleşmesini sağlıyor.

Enzimlerin yapısı sınavlarda sıklıkla karşımıza çıkan bir konu değil. Bu nedenle özet şeklinde anlatmaya çalışacağım. Enzimlerin yapısında protein bulunduğunu söylemiştik. Ancak enzimlerin sadece proteinden oluştuğunu söylemek pek doğru olmaz. Yapısında yalnızca protein bulunan enzimlere basit enzim denir. Örneğin; proteinlerin sindirimini sağlayan pepsin, yağların sindirimini sağlayan lipaz basit enzimlerdir. Yapısında protein dışında başka moleküllerinde bulunduğu enzimlere bileşik enzim denir. Bileşik enzimlerin protein kısmı apoenzim adını alır. Protein dışındaki kısım yardımcı kısım olarak isimlendirilir. Yardımcı kısım, organik veya inorganik maddelerden meydana gelir. Eğer yardımcı kısım vitaminler, NAD, FAD gibi organik maddelerden oluşuyorsa koenzim, Ca, Mg, Zn, K gibi inorganik maddelerden oluşuyorsa kofaktör olarak isimlendirilir.Her enzim daima belirli bir koenzim ile faaliyet görür. Ancak aynı koenzim birden fazla enzim ile çalışabilir.

Enzimin çalışabilmesi için etki edeceği maddeye yani substrata bağlanması gerekir. Enzimin çalışabilmesi için enzim yüzeyi ile susbtrat yüzeyi birbirine tam olarak uymalıdır. Bu da demektir ki her enzim ancak belirli bir substrat ile tepkimeye girebilir. O hâlde enzimlerin girdikleri tepkimelere özgü oldukları sonucuna varabiliriz.

Bu noktada enzimler hakkında unutmamamız gereken noktaları belirtmeliyiz:

• Enzimler girdikleri tepkimeye özgüdür. Bazı tepkimeler birden fazla enzimin birlikte çalışmasını gerektirir. Bu durumda bir canlının vücudunda ne kadar farklı tepkime varsa en az o kadar fazla çeşitte enzim olması gerektiği anlaşılır.
• Enzimler takım hâlinde çalışabilir. Bazı tepkimelerin birden fazla enzim gerektirdiğini söylemiştik. Enzimlerden ilki tepkimenin ilk basamağında iş görürken, diğeri ikinci, bir diğeri ise üçüncü basamakta iş görebilir. Örneğin; amilaz enzimi nişastayı maltoza parçalar, maltaz enzimi ise maltozu daha da küçük moleküller olan glikoza parçalar. Yani nişastanın kendisini oluşturan glikoz moleküllerine dönüşmesi bir değil iki basamakta iki farklı enzimle mümkün olur.
• Enzimler genellikle çift yönlü çalışırlar. Bu ne demek? Yani bir enzim iki molekülün birbirleriyle birleşmesini ve başka bir molekül oluşmasını sağlıyorsa, aynı enzim o molekülün başlangıçtaki tek tek moleküllere parçalanmasını da sağlar. Ee bu durumda kendi yaptığı işi sabote etmiş olmuyor mu? Hayır olmuyor. Çünkü enzimin hangi yönde iş göreceği (yani büyük molekülü parçalayacak mı yoksa küçük molekülleri birleştirip büyüğü mü oluşturacak) ortamdaki moleküllerin mevcut durumu, ortamdaki ısı ve basınç gibi farklı faktörler tarafından belirleniyor. Tüm enzimler de aynı duruma göre hareket ettikleri için birbirlerinin işini sabote etmiş olmuyorlar.
• Enzimler ancak hücre içinde sentezlenebilirler. Hatırlayalım, enzimler protein yapılıdır, proteinler ise ancak ve ancak hücre içinde sentezlenebilirler. O hâlde enzimler de ancak hücre içinde sentezlenebilirler. Ancak unutmamanız gereken bir nokta; enzimler hem hücre içindeki tepkimelerde hem de hücre dışındaki tepkimelerde iş görürler. Hücre dışında ne iş görecek diye düşünüyorsanız, en basitinden bir örnek olarak tek hücreli canlıları düşünün. Bu canlılar tek bir hücreden oluştukları için sindirim sistemi denilen bir yapıya sahip değillerdir. Bu işi hücre içi sindirimde görevli enzimleri barındıran lizozom organeli yürütür. İşte bazı tek hücreli canlılar bir besin maddesi ile karşılaştıklarında enzimleri bulunduran lizozom organelini hücre zarına kadar yaklaştırır, ardından da lizozomun zarının hücre zarı ile birleşmesini sağlayarak enzimlerini hücre dışı ortama aktarır. hücre dışında enzimlerle parçalanan besin molekülüne ait yapıtaşları yine hücre zarından oluşturulan kofullarla hücrenin içine alarak istenilen şekilde kullanılır.
• Enzimler tepkimeleri başlatmaz, tepkimenin başlama ihtimalini azaltır ve başlamış tepkimelerin daha hızlı gerçekleşmelerini sağlar. 

Enzimlerin çalışmasını etkileyen faktörler nelerdir?

Enzimlerin çalışmasına etki eden faktörler sınavlarda en sık karşımıza çıkan konulardandır. Bu konu genellikle tepkime hızı denilen bir kavram üzerinden işlenir ve sorulur. Peki tepkime hızı kavramından ne anlıyoruz? Örnek bir tepkimeyi şu şekilde özetleyelim, sonra da bu kavrama bakalım:

Substrat 1 + Substrat 2 = Ürün 1 + Ürün 2

Tepkime hızı herhangi bir andaki ürün miktarının substrat miktarına bölünmesi ile elde edilir. 

Ürün 1 + Ürün 2 / Substrat 1 + Substrat 2

Yani ürün miktarı substrat miktarından ne kadar fazla ise tepkime o kadar hızlıdır. Şimdi bu kavramı gözönünde bulundurarak enzim çalışmasını etkileyen faktörlere bakalım.

Sıcaklık: Başta gelen faktörlerdendir. Enzimlerin yapılarında bulunan protein molekülleri nedeniyle sıcaklığa hassas olduklarını söyleyebiliriz. Bir enzimin etkinliğini en fazla miktarda gerçekleştirdiği sıcaklık (optimum sıcaklık) canlının vücut ısısıdır. Düşük sıcaklığa maruz kalan enzimlerin etkinliği önce yavaşlar, ardından durur, ancak sıcaklık yeniden uygun seviyeye getirilirse yeniden hızlanır. Yüksek sıcaklığa maruz kalan enzimlerin etkinliği de önce yavaşlayıp ardından durur. Ancak enzimin yapısında geri dönülmez değişiklikler meydana geldiği için bu noktadan sonra sıcaklığın düşürülmesi enzimin yeniden çalışmasını sağlamaz. 

Ortamdaki pH derecesi: Enzimlerin en iyi çalıştıkları pH derecesine optimum pH adı verilir. Her enzim belirli bir pH aralığında iyi çalışır. Ancak enzimlerin genellikle pH7 gibi nötr bir değerde iyi çalıştıkları söylenebilir.

Enzim konsantrasyonu: Eğer substrat miktarı yeterince fazla ise ortamdaki enzim miktarı arttıkça daha fazla enzim daha fazla substrat ile tepkimeye gireceği için tepkime hızı artar. Peki substrat miktarı sabitse ne olur? eğer substrat miktarı sabitse (sınırlıysa) siz enzim miktarını arttırdığınızda önce daha fazla sayıda enzim daha önce enzim olmadığından boşta bekleyen substratlarla tepkimeye gireceğinden tepkime hızı artacaktır. Ancak bir süre sonra substrat miktarı azaldıkça (ortamdaki substrat miktarının azaldığını düşünün, çünkü birçoğu artık ürüne dönüştü) bazı enzimler bağlanacak substrat bulamayacaklardır, yani tepkime hızı düşmeye başlayacaktır. En sonunda ise ortamda hiç substrat kalmadığında tepkime hızı sıfıra düşecektir.

Substrat konsantrasyonu: Eğer enzim miktarı yeterince fazla ise ortamdaki substrat miktarı arttıkça daha fazla enzim bu substratlara bağlanacak ve bunun sonucunda daha fazla ürün oluşacak, yani tepkime hızı artacaktır. Eğer enzim miktarı sabitse (sınırlı ise), o zaman substrat miktarı arttıkça tüm enzimler substrat ile bağlanana dek tepkime hızı artacaktır. Ama bu bağlanmadan sonra siz substrat miktarını ne kadar arttırırsanız arttırın bir anda bir enzime ancak bir substrat bağlı olacağı için tepkime hızı sabit kalacaktır.

Ortamdaki su miktarı: Enzimler etkinliklerini ancak sulu ortamlarda gerçekleştirebilirler. Ortamdaki su miktarının kritik bir değer olan %15'in altına düşmesi enzimlerin çalışmasına engel olur. Annelerimizin yaptığı ev reçellerini hatırlayın. Bu reçeller buzdolabında durmamalarına rağmen bozulmazlar değil mi? Reçel yapmak besinleri bakteri ve mantarların enzimlerinden korumanın yollarından biridir. Reçel yapılırken kullanılan şeker miktarı o kadar yüksektir ki reçeldeki su miktarı %15'in altına düşer, bu da bakteri ve mantarların enzimlerinin çalışmalarına engel olur.

Substrat yüzeyi: Enzimler etkiledikleri maddeye dış yüzeylerinden başlayarak bağlanır. Bu durumda substratın yüzeyi ne kadar genişse o kadar fazla miktarda enzimi bağlar. Yani substrat yüzeyi arttıkça tepkime hızı da artar.

Enzimlerin etkinliğine etki eden faktörler arasında aktivatörler ve inhibitörler denilen maddeler de vardır. Aktivatörler, enzimin etkinliğini arttıran maddelerdir. Mangan, nikel, klor, magnezyum gibi bazı iyonlar enzim etkinliğini arttırır. İnhibitörler ise enzim etkinliğini azaltan maddelerdir. Civa, kurşun, arsenik, siyanür gibi çeşitli zehirler bunlara örnek olarak verilebilir.

Enzimlerin etkinliği ile ilgili bilmemiz gereken bir başka nokta, enzim faaliyetinin nasıl düzenlendiğidir. Birçok tepkimede ürün miktarının çok fazla artmasını engellemek için bir geri bildirim mekanizması iş görür. Ürün miktarı belirli bir düzeye ulaştığında ürün molekülleri ortamdaki enzimlere bağlanarak onların çalışmalarını engeller. Böylece ürün birikiminin önüne geçilmiş olur. Tabii enzim etkinliğini etkileyen pek çok farklı faktör ve molekül var ancak şimdilik bu kadarını bilmemiz yeterli.