Enzimler

Tanım ve Kapsam

Enzimler, canlı sistemlerde gerçekleşen biyokimyasal reaksiyonların hızını artıran biyolojik katalizörlerdir. Büyük çoğunluğu protein yapısındadır; ancak bazı RNA molekülleri de katalitik aktivite gösterebilir ve bu moleküller ribozim olarak adlandırılır. Enzimler reaksiyonların termodinamik denge konumunu değiştirmez, reaksiyonun toplam serbest enerji değişimini (ΔG) etkilemez ve kendileri reaksiyon sonunda net olarak tüketilmez. Temel etkileri, reaksiyonun gerçekleşebilmesi için aşılması gereken aktivasyon enerjisini (ΔG‡) düşürerek reaksiyon hızını artırmaktır.

Enzim katalizi yaşamın bütün temel süreçlerinde merkezi öneme sahiptir. Karbonhidrat, lipit, amino asit ve nükleotid metabolizması; DNA replikasyonu; transkripsiyon; translasyon; post-translasyonel modifikasyonlar; hücre içi sinyal iletimi; membran taşınması; enerji üretimi; detoksifikasyon; kan pıhtılaşması; immün yanıt ve hücresel yıkım sistemleri enzimatik reaksiyonlara bağımlıdır.

Genel bir enzimatik reaksiyon şu şekilde gösterilebilir:

E + S ⇌ ES → EP → E + P

Burada:

• E: Enzim
• S: Substrat
• ES: Enzim-substrat kompleksi
• EP: Enzim-ürün kompleksi
• P: Ürün

Enzimler yüksek katalitik etkinliklerinin yanında substrat özgüllüğü, reaksiyon seçiciliği ve düzenlenebilirlik özellikleriyle kimyasal katalizörlerden ayrılır. Hücresel metabolizma, birbirinden bağımsız reaksiyonların rastlantısal toplamı değil; enzimlerin mekânsal dağılımı, ekspresyon düzeyi, post-translasyonel modifikasyonları, allosterik kontrolü ve substrat erişilebilirliği tarafından yönetilen bütünleşmiş bir reaksiyon ağıdır.

Enzim bilimi enzimoloji olarak adlandırılır. Enzimoloji; enzim yapısını, katalitik mekanizmaları, kinetiği, inhibisyonu, düzenlenmeyi, izoenzimleri, klinik tanıdaki kullanımı ve kalıtsal enzim bozukluklarını inceler.

Temel Kavramlar

Enzimlerin anlaşılmasında temel kavramlardan biri aktif merkezdir. Aktif merkez, substratın bağlandığı ve kimyasal dönüşümün gerçekleştiği üç boyutlu bölgedir. Aktif merkez çoğunlukla proteinin primer dizisinde birbirinden uzak bulunan ancak protein katlanması sonucunda uzaysal olarak yan yana gelen amino asit kalıntılarından oluşur.

Substrat bağlanmasını açıklayan iki temel model bulunmaktadır.

Anahtar-kilit modeli, substrat ile aktif merkezin önceden birbirine geometrik olarak uyumlu olduğunu öne sürer.

İndüklenmiş uyum modeli, substrat bağlanmasının enzimin konformasyonunda değişiklik oluşturduğunu ve aktif merkezin kataliz için uygun geometriye bağlanma sırasında ulaştığını ifade eder. Günümüzde birçok enzim sistemi için indüklenmiş uyum ve konformasyonel seçilim modellerinin birlikte rol oynadığı kabul edilmektedir.

Enzim özgüllüğü çeşitli düzeylerde incelenebilir:

• Mutlak substrat özgüllüğü
• Grup özgüllüğü
• Bağ özgüllüğü
• Stereoözgüllük
• Reaksiyon özgüllüğü

Örneğin üreaz, temel olarak üreyi hidroliz ederken; proteazlar belirli peptit bağlarını keser. Stereoözgül enzimler ise substratın yalnızca belirli bir stereokimyasal formunu tanıyabilir.

Birçok enzim yalnızca protein kısmından oluşmaz. Enzimin protein kısmı apoenzim, katalitik olarak aktif tam yapı ise holoenzim olarak adlandırılır.

Apoenzim + Kofaktör → Holoenzim

Kofaktörler metal iyonları veya organik moleküller olabilir. Organik kofaktörler genellikle koenzim olarak adlandırılır.

Önemli kavramlar şunlardır:

Prostetik grup: Enzime sıkı veya kovalent bağlanan kofaktör.

Kosubstrat: Reaksiyon sırasında enzime geçici olarak bağlanan ve kimyasal olarak değişime uğrayan koenzim.

Zimojen veya proenzim: İnaktif sentezlenen ve proteolitik kesimle aktive edilen enzim öncülü.

İzoenzim: Aynı reaksiyonu katalizleyen fakat genetik köken, amino asit dizisi, kinetik özellik veya doku dağılımı bakımından farklı olan enzim formu.

Multienzim kompleksi: Ardışık reaksiyonları katalizleyen birden fazla enzimin yapısal kompleks hâlinde organize olması.

Pirüvat dehidrogenaz kompleksi buna klasik örnektir:

Pirüvat → Hidroksietil-TPP → Asetil-lipoamid → Asetil-CoA

Bu süreçte E1, E2 ve E3 enzimleri ile TPP, lipoamid, CoA, FAD ve NAD⁺ görev alır.

Moleküler Yapı ve Bileşenler

Protein yapılı enzimler, bir veya daha fazla polipeptit zincirinden oluşabilir. Enzim aktivitesi protein yapısının bütün düzeylerine bağımlıdır:

Primer yapı → Sekonder yapı → Tersiyer yapı → Kuaterner yapı

Primer yapıdaki tek bir amino asit değişikliği bile aktif merkez geometrisini, substrat bağlanmasını, protein stabilitesini veya kofaktör etkileşimini bozarak enzim aktivitesinde azalmaya neden olabilir.

Enzimlerin aktif merkezinde çeşitli işlevsel amino asit grupları görev yapabilir:

• Histidinin imidazol grubu
• Serinin hidroksil grubu
• Sisteinin tiyol grubu
• Aspartat ve glutamatın karboksilat grupları
• Lizinin amino grubu
• Tirozinin fenolik hidroksil grubu
• Argininin guanidinyum grubu

Örneğin serin proteazlarda katalitik üçlü:

Serin–Histidin–Aspartat

şeklindedir.

Kimotripsin mekanizmasında:

1. Histidin, serinin hidroksil grubundan proton alır.
2. Aktive edilen serin substratın peptit bağındaki karbonil karbonuna nükleofilik saldırı yapar.
3. Tetrahedral ara ürün oluşur.
4. Peptit bağı kırılır.
5. Açil-enzim ara ürünü oluşur.
6. Su molekülü aktive edilir.
7. Açil-enzim bağı hidroliz edilir.
8. Ürün serbestleşir ve enzim başlangıç durumuna döner.

Metalloenzimlerde metal iyonu doğrudan katalitik mekanizmaya katılabilir. Örneğin karbonik anhidrazın aktif merkezinde Zn²⁺ bulunur:

CO₂ + H₂O ⇌ H₂CO₃ ⇌ H⁺ + HCO₃⁻

Zn²⁺, su molekülünün pKa değerini düşürerek hidroksit iyonunun oluşmasını kolaylaştırır. Oluşan OH⁻, CO₂’nin karbon atomuna nükleofilik saldırı yapar.

Enzimler oligomerik yapıda olabilir. Örneğin birçok allosterik enzim birden fazla alt birim içerir ve alt birimler arasındaki konformasyonel iletişim düzenleyici özelliklerin temelini oluşturur.

Enzim molekülünde fonksiyonel olarak şu bölgeler bulunabilir:

• Substrat bağlanma bölgesi
• Katalitik bölge
• Kofaktör bağlanma bölgesi
• Allosterik düzenleyici bölge
• Protein-protein etkileşim yüzeyi
• Membran bağlanma bölgesi
• Sinyal peptidi veya organel hedefleme dizisi

Bu yapısal organizasyon enzimin yalnızca reaksiyon katalizlemesini değil, hücre içindeki doğru yerde ve doğru zamanda çalışmasını da sağlar.

Biyokimyasal / Moleküler Mekanizma

Enzimler aktivasyon enerjisini çeşitli moleküler mekanizmalarla düşürür.

Yakınlık ve yönlendirme katalizi

Enzim, substratları birbirine yaklaştırır ve reaksiyon için uygun yönelimde düzenler:

A + B → AB

Çözeltide A ve B’nin rastlantısal olarak doğru geometride karşılaşması gerekirken, enzim aktif merkezi bu iki molekülü reaksiyona uygun konumda tutar.

Asit-baz katalizi

Enzim aktif merkezindeki amino asit kalıntıları proton vericisi veya proton alıcısı olarak görev yapabilir.

Genel mekanizma:

B: + H–A → B–H + A⁻

Histidin bu amaçla sık kullanılan bir amino asittir çünkü fizyolojik pH yakınında proton alıp verebilir.

Kovalent kataliz

Enzim ile substrat arasında geçici kovalent bağ oluşur:

E + S → E–S → E + P

Serin proteazlar, aldolazlar ve bazı dekarboksilazlar kovalent kataliz mekanizmalarını kullanır.

Metal iyon katalizi

Metal iyonları:

• Elektrik yüklerini stabilize edebilir.
• Redoks reaksiyonlarına katılabilir.
• Suyu aktive edebilir.
• Substratları uygun konumda tutabilir.

Örnekler:

• Zn²⁺: karbonik anhidraz
• Fe²⁺/Fe³⁺: sitokromlar
• Cu²⁺: sitokrom c oksidaz
• Mg²⁺: ATP kullanan kinazlar
• Mn²⁺: bazı transferaz ve süperoksit dismutaz izoformları

Geçiş durumunun stabilizasyonu

Enzimlerin temel katalitik etkilerinden biri, reaksiyonun geçiş durumunu substrattan daha güçlü bağlayarak ΔG‡ değerini düşürmeleridir.

Termodinamik açıdan:

ΔG = ΔH − TΔS

Enzim toplam reaksiyon ΔG değerini değiştirmez. Sadece reaksiyon koordinatı üzerindeki en yüksek enerji bariyerini düşürür.

Kataliz sonucunda:

Substrat → Geçiş durumu → Ürün

dönüşümü daha hızlı gerçekleşir.

Enzimatik reaksiyon hızı basitleştirilmiş Michaelis-Menten modeliyle açıklanabilir:

E + S ⇌ ES → E + P

Başlangıç hızı:

v₀ = (Vmax × [S]) / (Km + [S])

Burada:

• v₀: Başlangıç reaksiyon hızı
• Vmax: Enzim substratla tamamen doygunken maksimum hız
• Km: Reaksiyon hızının Vmax/2 olduğu substrat konsantrasyonu

Basit Michaelis-Menten sistemlerinde düşük Km çoğu zaman daha yüksek görünür substrat afinitesi ile ilişkilidir; ancak Km’nin doğrudan bir bağlanma sabiti olmadığı ve reaksiyonun mikroskobik hız sabitlerine bağlı olduğu unutulmamalıdır.

Katalitik etkinlik:

kcat/Km

oranıyla ifade edilebilir.

kcat, bir enzim molekülünün substratla doygunluk koşullarında birim zamanda ürüne dönüştürdüğü substrat molekülü sayısını ifade eder.

Metabolizma / Fizyoloji

Enzimler metabolik yolların temel organizasyon birimleridir. Bir metabolik yol genel olarak:

Substrat → Ara ürün 1 → Ara ürün 2 → Ara ürün 3 → Son ürün

şeklinde ilerler ve her basamak genellikle belirli bir enzim tarafından katalizlenir.

Örneğin glikolizin başlangıç bölümü:

Glukoz
→ Glukoz-6-fosfat
→ Fruktoz-6-fosfat
→ Fruktoz-1,6-bisfosfat
→ Gliseraldehit-3-fosfat / Dihidroksiaseton fosfat

İlgili enzimler:

Glukoz —hekzokinaz/glukokinaz→ Glukoz-6-fosfat

Glukoz-6-fosfat —fosfoglukoz izomeraz→ Fruktoz-6-fosfat

Fruktoz-6-fosfat —fosfofruktokinaz-1→ Fruktoz-1,6-bisfosfat

Metabolik yollarda bütün enzimler eşit düzenleyici öneme sahip değildir. Termodinamik olarak geri dönüşümsüz veya denge durumundan uzak reaksiyonları katalizleyen enzimler sıklıkla düzenleme noktasıdır.

Örneğin glikolizde:

• Hekzokinaz/glukokinaz
• Fosfofruktokinaz-1
• Pirüvat kinaz

başlıca düzenleyici basamakları katalizler.

Enzimler hücresel kompartımanlaşma ile metabolik yolları mekânsal olarak ayırır.

Örnekler:

Sitozol:

• Glikoliz
• Pentoz fosfat yolu
• Yağ asidi sentezinin önemli bölümü

Mitokondri matriksi:

• TCA döngüsü
• β-oksidasyon
• Pirüvat dehidrogenaz reaksiyonu
• Üre döngüsünün ilk iki reaksiyonu

İç mitokondriyal membran:

• Elektron taşıma zinciri
• ATP sentaz

Endoplazmik retikulum:

• Lipit metabolizmasının bazı reaksiyonları
• Sitokrom P450 reaksiyonlarının önemli bölümü

Lizozom:

• Asit hidrolazlar
• Protein, glikozaminoglikan, sfingolipit ve glikoprotein yıkımı

Amino asit metabolizmasında enzimler azot ve karbon metabolizmasını birbirine bağlar.

Genel transaminasyon:

Amino asit + α-ketoglutarat ⇌ α-ketoasit + Glutamat

Enzim:

Aminotransferaz

Kofaktör:

Piridoksal fosfat (PLP, vitamin B6 türevi)

Glutamatın oksidatif deaminasyonu:

Glutamat + NAD(P)⁺ + H₂O ⇌ α-Ketoglutarat + NH₄⁺ + NAD(P)H + H⁺

Enzim:

Glutamat dehidrogenaz

Oluşan amonyak üre döngüsüne aktarılabilir:

NH₄⁺ + HCO₃⁻ → Karbamoil fosfat → Sitrülin → Arjininosüksinat → Arjinin → Üre

Bu sistem enzimlerin metabolik ağların birbirine bağlanmasındaki rolünü gösterir.

Düzenlenme Mekanizmaları

Enzim aktivitesinin düzenlenmesi, metabolik homeostazın temelidir. Düzenleme hızlı veya uzun süreli olabilir.

Allosterik düzenleme

Allosterik enzimlerde düzenleyici molekül aktif merkez dışındaki bir bölgeye bağlanır ve enzimin konformasyonunu değiştirir.

Örneğin fosfofruktokinaz-1:

Aktivatörler:

• AMP
• ADP
• Fruktoz-2,6-bisfosfat

İnhibitörler:

• ATP
• Sitrat
• Düşük pH

Bu mekanizma hücrenin enerji durumuyla glikoliz hızını eşleştirir.

Geri besleme inhibisyonu

Bir metabolik yolun son ürünü erken basamaklardan bir enzimi inhibe edebilir:

A → B → C → D → E

Burada E’nin ilk enzimi inhibe etmesi, gereksiz ürün sentezini önler.

Kovalent modifikasyon

Fosforilasyon ve defosforilasyon en yaygın düzenleyici mekanizmalardandır.

Protein + ATP —protein kinaz→ Fosfoprotein + ADP

Fosfoprotein + H₂O —protein fosfataz→ Protein + Pi

Örneğin glikojen fosforilaz fosforilasyonla aktive olurken glikojen sentaz fosforilasyonla inhibe edilir. Böylece glikojen sentezi ve glikojen yıkımı karşılıklı olarak düzenlenir.

Proteolitik aktivasyon

Bazı enzimler inaktif zimojen şeklinde sentezlenir.

Sindirim sisteminde:

Tripsinojen —enteropeptidaz/tripsin→ Tripsin

Kimotripsinojen —tripsin→ Kimotripsin

Proelastaz —tripsin→ Elastaz

Benzer mekanizma koagülasyon sisteminde de görülür. Ardışık proteolitik aktivasyon reaksiyonları sinyal amplifikasyonu sağlar.

Enzim sentezinin düzenlenmesi

Transkripsiyonel kontrol yoluyla enzim miktarı değiştirilebilir. Açlık, beslenme, hormonlar ve metabolitler enzim ekspresyonunu etkileyebilir.

Örneğin insülin, lipogenezle ilişkili bazı enzimlerin ekspresyonunu artırabilirken; glukagon ve katekolamin sinyalleri katabolik yolları destekler.

Substrat erişilebilirliği

Enzim aktivitesi yeterli substrat bulunmasına bağlıdır. Bu nedenle taşıma sistemleri, membran geçirgenliği ve kompartımanlar arası metabolit geçişi enzimatik akışı düzenler.

Kompartımanlaşma

Yağ asidi sentezi sitozolde, β-oksidasyon ise esas olarak mitokondri matriksinde gerçekleşir. Bu ayrım karşıt metabolik süreçlerin aynı anda kontrolsüz şekilde çalışmasını engeller.

Görev Alan Enzimler, Proteinler ve Kofaktörler

Enzimler kataliz ettikleri reaksiyon tipine göre Enzyme Commission sisteminde ana sınıflara ayrılır.

Oksidoredüktazlar

Redoks reaksiyonlarını katalizler:

AH₂ + B ⇌ A + BH₂

Örnekler:

• Dehidrogenazlar
• Oksidazlar
• Redüktazlar
• Peroksidazlar
• Oksijenazlar

Yaygın kofaktörler:

• NAD⁺
• NADP⁺
• FAD
• FMN
• Hem
• Fe-S merkezleri
• Cu²⁺

Transferazlar

Fonksiyonel grupları moleküller arasında taşır.

Örnek:

Amino asit + α-ketoglutarat ⇌ α-ketoasit + glutamat

Enzim:

Aminotransferaz

Kofaktör:

PLP

Diğer örnekler:

• Kinazlar
• Metiltransferazlar
• Açiltransferazlar
• Glikoziltransferazlar

Metilasyon reaksiyonlarında:

SAM → SAH

dönüşümü sırasında metil grubu substrata aktarılır.

Hidrolazlar

Bağları su kullanarak kırar:

A–B + H₂O → A–H + B–OH

Örnekler:

• Proteazlar
• Lipazlar
• Fosfatazlar
• Nükleazlar
• Glikozidazlar

Liyazlar

Hidroliz veya redoks reaksiyonu olmaksızın bağ kırılması veya çift bağ oluşumunu katalizler.

Örnek:

Pirüvat → Asetaldehit + CO₂

Enzim:

Pirüvat dekarboksilaz

Kofaktör:

TPP

İzomerazlar

Molekül içi yeniden düzenlenmeleri katalizler.

Örnek:

Glukoz-6-fosfat ⇌ Fruktoz-6-fosfat

Enzim:

Fosfoglukoz izomeraz

Ligazlar

ATP veya benzeri enerji kaynaklarını kullanarak iki molekül arasında bağ oluşturur.

Örnek:

Glutamat + NH₄⁺ + ATP → Glutamin + ADP + Pi

Enzim:

Glutamin sentetaz

Translokazlar

İyonların veya moleküllerin membranlar boyunca taşınmasını katalizler.

Önemli kofaktörler ve vitamin kökenleri:

• TPP: Vitamin B1
• FAD/FMN: Vitamin B2
• NAD⁺/NADP⁺: Vitamin B3
• Koenzim A: Vitamin B5
• PLP: Vitamin B6
• Biotin: Vitamin B7
• THF: Vitamin B9
• Kobalamin koenzimleri: Vitamin B12

Enzimatik reaksiyonların büyük bölümü vitamin türevi koenzimlere bağımlı olduğundan vitamin eksiklikleri çoklu metabolik yolları etkileyebilir.

Doku, Organ ve Hücresel Dağılım

Enzim dağılımı dokuya, hücre tipine ve organel kompartımanına göre değişir. Bu dağılım hem fizyolojik uzmanlaşmayı hem de klinik enzim ölçümlerinin yorumlanmasını belirler.

Karaciğer, metabolik enzim çeşitliliği en yüksek organlardan biridir. Karaciğerde:

• Glikoliz
• Glukoneogenez
• Glikojen metabolizması
• Yağ asidi sentezi
• β-oksidasyon
• Ketogenez
• Kolesterol sentezi
• Üre döngüsü
• Amino asit metabolizması
• İlaç biyotransformasyonu

ile ilişkili çok sayıda enzim bulunur.

Kas dokusunda:

• Kreatin kinaz
• Glikolitik enzimler
• Glikojen fosforilaz
• Laktat dehidrogenaz
• Mitokondriyal oksidatif metabolizma enzimleri

yüksek düzeyde bulunabilir.

Kalpte oksidatif fosforilasyon, yağ asidi oksidasyonu, laktat ve keton kullanımına ilişkin enzim sistemleri önemlidir.

Pankreasın ekzokrin bölümünde:

• Tripsinojen
• Kimotripsinojen
• Proelastaz
• Lipaz
• Fosfolipaz öncülleri
• Amilaz

sentezlenir.

Lizozomal enzimler birçok hücre tipinde bulunur ve düşük pH optimumunda çalışan asit hidrolazlardan oluşur.

Peroksizomlarda:

• Açil-CoA oksidaz
• Katalaz
• Çok uzun zincirli yağ asidi oksidasyon enzimleri

bulunur.

Enzimlerin serumdaki varlığı farklı mekanizmalardan kaynaklanabilir:

• Fizyolojik sekresyon
• Hücre membranı geçirgenliğinde artış
• Hücresel nekroz
• Kolestaz
• Enzim sentezinde artış
• Enzim klirensinde azalma

Bu nedenle serum enzim aktivitesindeki artış yalnızca enzimin üretildiği dokuyu değil, hücresel hasarın tipini ve enzimin hücre içindeki lokalizasyonunu da yansıtabilir.

Biyolojik Fonksiyonlar

Enzimler biyolojik sistemlerde hemen her işlevin doğrudan veya dolaylı yürütücüsüdür.

Enerji metabolizması

ATP üretimi:

Glukoz → Pirüvat → Asetil-CoA → TCA döngüsü → NADH/FADH₂ → Elektron taşıma zinciri → ATP

şeklindeki bağlantılı enzimatik sistemlerle sağlanır.

Azot metabolizması

Amino asit azotu:

Amino asit → Glutamat → NH₄⁺ → Karbamoil fosfat → Üre

yoluyla güvenli biçimde uzaklaştırılır.

Glutamin ve alanin azot taşınmasında önemlidir:

Glutamat + NH₄⁺ → Glutamin

ve kas-karaciğer arasında:

Pirüvat + Glutamat ⇌ Alanin + α-Ketoglutarat

reaksiyonları dokular arası azot metabolizmasının temelini oluşturur.

Genetik bilgi akışı

DNA polimerazlar:

dNTP’ler → DNA zinciri

RNA polimerazlar:

NTP’ler → RNA zinciri

Aminoasil-tRNA sentetazlar:

Amino asit + tRNA + ATP → Aminoasil-tRNA

reaksiyonlarını katalizler.

Protein sentezi ve yıkımı

Protein sentezi ribozomal peptidil transferaz aktivitesine bağımlıdır. Bu aktivitenin temel katalitik bileşeni ribozomal RNA’dır ve ribozomun ribozim özelliğini gösterir.

Protein yıkımında iki ana sistem görev yapar:

Ubikuitin-proteazom sistemi

Hedef protein:

E1 → E2 → E3 → Poliubikuitinlenmiş protein → 26S proteazom → Peptitler

Otofaji-lizozom sistemi

Hücresel bileşen:

Otofagozom → Lizozomla füzyon → Asit hidrolazlarla yıkım → Amino asitlerin geri kazanılması

Hücresel sinyal iletimi

Protein kinazlar ve fosfatazlar sinyal iletiminde karşılıklı düzenleme sağlar:

Protein-OH + ATP → Protein-OPO₃²⁻ + ADP

Fosforilasyon; enzim aktivitesini, protein etkileşimini, hücresel lokalizasyonu ve protein stabilitesini değiştirebilir.

Antioksidan savunma

Önemli reaksiyonlar:

2 O₂⁻ + 2 H⁺ —SOD→ H₂O₂ + O₂

2 H₂O₂ —katalaz→ 2 H₂O + O₂

H₂O₂ + 2 GSH —glutatyon peroksidaz→ 2 H₂O + GSSG

GSSG + NADPH + H⁺ —glutatyon redüktaz→ 2 GSH + NADP⁺

Bu sistem pentoz fosfat yolundan sağlanan NADPH ile bağlantılıdır.

Klinik ve Patofizyolojik Önemi

Enzimler klinik biyokimyada tanısal belirteç, hastalık mekanizması ve ilaç hedefi olarak önem taşır.

Hücre hasarı sonucunda hücre içi enzimlerin dolaşıma salınması serum enzim aktivitelerinde artışa yol açabilir.

Karaciğer enzimleri

Alaninin transaminasyonu:

Alanin + α-Ketoglutarat ⇌ Pirüvat + Glutamat

Enzim:

ALT

Aspartatın transaminasyonu:

Aspartat + α-Ketoglutarat ⇌ Oksaloasetat + Glutamat

Enzim:

AST

Hepatosit hasarında membran bütünlüğünün bozulması ALT ve AST’nin dolaşıma salınmasını artırır.

Kolestazda ALP ve GGT artışı farklı mekanizmalara dayanır. Safra akışındaki bozukluk, safra kanalı membranlarıyla ilişkili enzimlerin sentezini ve dolaşıma geçişini artırabilir.

Kas ve miyokard enzimleri

Kreatin kinaz reaksiyonu:

Kreatin + ATP ⇌ Fosfokreatin + ADP + H⁺

Kas hücresi hasarında CK aktivitesi artabilir. CK izoenzimlerinin doku dağılımı farklıdır.

Pankreas enzimleri

Akut pankreatik hasarda amilaz ve özellikle lipaz düzeyleri artabilir. Enzimlerin dolaşıma geçişi asiner hücre hasarı, kanal obstrüksiyonu ve enzimlerin interstisyel alana kaçışıyla ilişkilidir.

Enzimlerin hastalık nedeni olması

Kalıtsal enzim eksikliklerinde temel mekanizma şu şekilde ifade edilebilir:

Substrat —X→ Ürün

Enzim eksikliği sonucunda:

Substrat birikimi + Alternatif toksik metabolit oluşumu + Ürün eksikliği

ortaya çıkabilir.

Bu üçlü mekanizma birçok doğuştan metabolizma hastalığının biyokimyasal temelini oluşturur.

Örneğin fenilketonüride:

Fenilalanin —fenilalanin hidroksilaz/BH₄→ Tirozin

basamağı bozulur.

Sonuç:

• Fenilalanin artar.
• Fenilketonlar oluşur.
• Tirozin göreceli olarak azalır.
• Beyinde amino asit taşınması ve nörotransmitter sentezi etkilenir.

Enzimlerin farmakolojik hedef olması da klinik açıdan önemlidir. İlaçlar enzimin aktif merkezine, allosterik bölgesine veya düzenleyici sistemlerine etki edebilir.

Eksiklik, Fazlalık ve Bozukluk Durumları

Enzim bozuklukları genetik, beslenmeye bağlı, toksik, immünolojik veya kazanılmış nedenlerle ortaya çıkabilir.

Kalıtsal enzim eksiklikleri

Genetik varyantlar şu sonuçlara yol açabilir:

• Enzim sentezinin tamamen kaybı
• Azalmış katalitik aktivite
• Düşük substrat afinitesi
• Kofaktör bağlanmasının bozulması
• Protein katlanma kusuru
• Hücresel hedeflenme bozukluğu
• Artmış proteolitik yıkım

Metabolik sonuç genel olarak:

A —E1→ B —E2→ C

E2 eksikliğinde:

A → B ↑

C ↓

ve alternatif yol varsa:

B → Toksik metabolit ↑

şeklinde ortaya çıkar.

Kofaktör eksiklikleri

Enzim proteini normal olsa bile gerekli koenzimin eksikliği fonksiyonel enzim yetersizliği oluşturabilir.

Örneğin vitamin B6 eksikliğinde PLP bağımlı:

• Aminotransferazlar
• Dekarboksilazlar
• Serin hidroksimetiltransferaz
• Sistationin β-sentaz

gibi enzimlerin fonksiyonları etkilenebilir.

Enzim indüksiyonu

Bazı ilaç ve çevresel maddeler özellikle sitokrom P450 enzimlerinin ekspresyonunu artırabilir. Bunun sonucunda ilaçların metabolizma hızı değişebilir.

Enzim inhibisyonu

İnhibisyon temel olarak geri dönüşümlü ve geri dönüşümsüz olabilir.

Kompetitif inhibisyon:

İnhibitör aktif merkez için substratla yarışır.

Tipik kinetik sonuç:

• Görünür Km artar.
• Vmax değişmez.

Nonkompetitif ideal inhibisyon:

• Vmax azalır.
• Km değişmeyebilir.

Unkompetitif inhibisyon:

İnhibitör yalnızca ES kompleksine bağlanır.

• Km azalır.
• Vmax azalır.

Karışık inhibisyon:

İnhibitör hem E hem ES formuna farklı afinitelerle bağlanır.

Geri dönüşümsüz inhibisyon:

Enzim kovalent veya çok güçlü bağlanmayla kalıcı olarak inaktive edilir.

Organofosfatlar asetilkolinesterazı inhibe ederek:

Asetilkolin yıkımı ↓ → Sinaptik asetilkolin ↑ → Aşırı kolinerjik uyarı

mekanizmasına yol açar.

İlişkili Hastalıklar ve Klinik Tablolar

Enzim bozuklukları çok geniş bir hastalık grubuyla ilişkilidir.

Fenilketonüri

Eksik enzim:

Fenilalanin hidroksilaz

Bloke reaksiyon:

Fenilalanin → Tirozin

Kofaktör:

BH₄

Sonuçlar:

• Fenilalanin birikimi
• Fenilketon oluşumu
• Tirozin azalması
• Beyinde büyük nötral amino asit taşınmasının bozulması
• Nörotransmitter sentezinde bozulma

Bazı hiperfenilalaninemi olguları BH₄ metabolizması bozukluklarına bağlıdır.

Akçaağaç şurubu idrar hastalığı

Eksik kompleks:

Dallı zincirli α-ketoasit dehidrogenaz kompleksi

Bloke metabolizma:

Lösin/İzolösin/Valin
→ α-ketoasitler
—X→ Açil-CoA türevleri

Biriken metabolitler:

• Dallı zincirli amino asitler
• İlgili α-ketoasitler

Özellikle lösin ve ketoasitleri santral sinir sistemi üzerinde toksik etki gösterir.

Kompleks TPP bağımlı olduğundan bazı varyantlarda yüksek doz tiamin yanıtı görülebilir.

Homosistinüri

Klasik formda eksik enzim:

Sistationin β-sentaz

Reaksiyon:

Homosistein + Serin → Sistationin

Kofaktör:

PLP

Blok sonucunda:

• Homosistein artar.
• Metiyonin artabilir.
• Sistationin ve sistein azalabilir.

Vasküler endotelyal hasar, oksidatif stres ve koagülasyon dengesindeki bozukluk tromboz riskini artırır. Bazı hastalarda piridoksin yanıtı bulunabilir.

Galaktozemi

Klasik galaktozemide eksik enzim:

Galaktoz-1-fosfat üridiltransferaz

Yol:

Galaktoz
→ Galaktoz-1-fosfat
—X→ UDP-galaktoz metabolizması

Galaktoz-1-fosfat birikimi özellikle karaciğer, böbrek ve santral sinir sistemini etkiler.

Lizozomal depo hastalıkları

Lizozomal hidrolaz eksikliğinde:

Kompleks substrat —X→ Yıkım ürünleri

sonucunda sindirilemeyen makromoleküller lizozomlarda birikir.

Örnekler:

• Gaucher hastalığı
• Tay-Sachs hastalığı
• Niemann-Pick hastalıkları
• Pompe hastalığı
• Mukopolisakkaridozlar

Klinik özellikler biriken substratın yapısına ve enzimin hangi dokularda kritik olduğuna bağlıdır.

Glikojen depo hastalıkları

Glikojen sentezi veya yıkımında görev alan enzimlerin bozukluğu:

• Hipoglisemi
• Hepatomegali
• Kas güçsüzlüğü
• Egzersiz intoleransı
• Kardiyomiyopati

gibi farklı klinik tablolar oluşturabilir.

Buradaki klinik fenotip, metabolik blokun karaciğer, kas veya lizozomal sistemde bulunmasına bağlıdır.

Beslenme, İlaç ve Çevresel Faktörlerle İlişki

Enzim aktivitesi besinlerle alınan kofaktörlerden, enerji durumundan, hormonlardan, ilaçlardan ve toksik maddelerden etkilenir.

Vitaminler birçok enzimatik reaksiyonun koenzim kaynağıdır.

Örnekler:

Vitamin B1 → TPP

TPP bağımlı enzimler:

• Pirüvat dehidrogenaz
• α-Ketoglutarat dehidrogenaz
• Dallı zincirli α-ketoasit dehidrogenaz
• Transketolaz

Vitamin B2 → FAD ve FMN

Redoks enzimlerinde elektron taşıyıcı olarak görev yapar.

Vitamin B3 → NAD⁺ ve NADP⁺

Katabolik ve anabolik redoks reaksiyonlarında rol oynar.

Vitamin B6 → PLP

Özellikle amino asit metabolizmasında:

• Transaminasyon
• Dekarboksilasyon
• Transsülfürasyon

reaksiyonlarında önemlidir.

Folat → THF türevleri

Tek karbon birimlerinin taşınmasında rol oynar.

Vitamin B12

Metiyonin sentaz ve metilmalonil-CoA mutaz reaksiyonlarında görev alır.

Beslenme durumu enzim ekspresyonunu da etkiler. Karbonhidrattan zengin beslenme insülin aracılığıyla lipogenez ve glikolitik yol enzimlerini etkileyebilir. Açlık sırasında glukagon ve düşük insülin düzeyi; glukoneogenez, lipoliz, yağ asidi oksidasyonu ve ketogenez yönündeki metabolik programı destekler.

İlaçlar enzimleri çeşitli yollarla etkileyebilir:

• Kompetitif inhibisyon
• Geri dönüşümsüz inhibisyon
• Enzim indüksiyonu
• Enzim ekspresyonunun baskılanması
• Koenzim metabolizmasının bozulması

Çevresel toksinler de enzim fonksiyonlarını değiştirebilir. Ağır metaller proteinlerin tiyol gruplarıyla etkileşerek enzim yapısını bozabilir. Organofosfatlar asetilkolinesterazı inhibe eder. Siyanür, sitokrom c oksidazı inhibe ederek elektron taşıma zincirini bloke eder:

Elektron akışı ↓ → Proton gradyanı ↓ → ATP sentezi ↓ → Hücresel hipoksi

Oksijen mevcut olsa bile mitokondriyal oksijen kullanımının durması nedeniyle histotoksik hipoksi gelişir.

Kısaltmalar ve Açılımları

ADP: Adenozin difosfat

ALP: Alkalin fosfataz

ALT: Alanin aminotransferaz

AST: Aspartat aminotransferaz

ATP: Adenozin trifosfat

BH₄: Tetrahidrobiyopterin

CK: Kreatin kinaz

CoA: Koenzim A

dNTP: Deoksiribonükleozid trifosfat

EC: Enzyme Commission

ES: Enzim-substrat kompleksi

FAD: Flavin adenin dinükleotid

FMN: Flavin mononükleotid

GGT: Gama-glutamil transferaz

GSH: İndirgenmiş glutatyon

GSSG: Oksitlenmiş glutatyon

Km: Michaelis sabiti

LDH: Laktat dehidrogenaz

NAD⁺: Nikotinamid adenin dinükleotid

NADP⁺: Nikotinamid adenin dinükleotid fosfat

Pi: İnorganik fosfat

PLP: Piridoksal fosfat

SAH: S-Adenozilhomosistein

SAM: S-Adenozilmetiyonin

SOD: Süperoksit dismutaz

TCA: Trikarboksilik asit döngüsü

THF: Tetrahidrofolat

TPP: Tiamin pirofosfat

Vmax: Maksimum reaksiyon hızı

Kaynakça

1. Nelson DL, Cox MM. Lehninger Principles of Biochemistry. 8th ed. W.H. Freeman; 2021.
2. Rodwell VW, Bender DA, Botham KM, Kennelly PJ, Weil PA. Harper’s Illustrated Biochemistry. 32nd ed. McGraw Hill; 2023.
3. Berg JM, Tymoczko JL, Gatto GJ, Stryer L. Biochemistry. 9th ed. W.H. Freeman; 2019.
4. Voet D, Voet JG. Biochemistry. 4th ed. Wiley; 2011.
5. Ferrier DR. Lippincott Illustrated Reviews: Biochemistry. Wolters Kluwer.
6. Devlin TM. Textbook of Biochemistry with Clinical Correlations. Wiley.
7. Murray RK, Granner DK, Mayes PA, Rodwell VW. Harper’s Biochemistry. Appleton & Lange.
8. Alberts B, Heald R, Johnson A, Morgan D, Raff M, Roberts K, Walter P. Molecular Biology of the Cell. 7th ed. W.W. Norton; 2022.
9. Lodish H, Berk A, Kaiser CA, et al. Molecular Cell Biology. W.H. Freeman.
10. Lieberman M, Peet A. Marks’ Basic Medical Biochemistry: A Clinical Approach. Wolters Kluwer.
11. Rifai N, Horvath AR, Wittwer CT, eds. Tietz Textbook of Laboratory Medicine. Elsevier.
12. Burtis CA, Bruns DE. Tietz Fundamentals of Clinical Chemistry and Molecular Diagnostics. Elsevier.
13. Saudubray JM, Baumgartner MR, Walter J, eds. Inborn Metabolic Diseases: Diagnosis and Treatment. Springer.
14. Blau N, Duran M, Gibson KM, Dionisi-Vici C, eds. Physician’s Guide to the Diagnosis, Treatment, and Follow-Up of Inherited Metabolic Diseases. Springer.
15. Valle DL, Antonarakis S, Ballabio A, Beaudet AL, Mitchell GA, eds. The Online Metabolic and Molecular Bases of Inherited Disease. McGraw Hill.
16. Michaelis L, Menten ML. Die Kinetik der Invertinwirkung. Biochemische Zeitschrift. 1913;49:333–369.
17. Briggs GE, Haldane JBS. A note on the kinetics of enzyme action. Biochemical Journal. 1925;19:338–339.
18. Monod J, Wyman J, Changeux JP. On the nature of allosteric transitions: a plausible model. Journal of Molecular Biology. 1965;12:88–118.
19. Koshland DE Jr, Némethy G, Filmer D. Comparison of experimental binding data and theoretical models in proteins containing subunits. Biochemistry. 1966;5:365–385.
20. Cornish-Bowden A. Fundamentals of Enzyme Kinetics. Wiley-Blackwell.
21. Copeland RA. Enzymes: A Practical Introduction to Structure, Mechanism, and Data Analysis. Wiley.
22. Fersht A. Structure and Mechanism in Protein Science: A Guide to Enzyme Catalysis and Protein Folding. W.H. Freeman.
23. Palmer T, Bonner PL. Enzymes: Biochemistry, Biotechnology, Clinical Chemistry. Woodhead Publishing.
24. Cleland WW. The kinetics of enzyme-catalyzed reactions with two or more substrates or products. Biochimica et Biophysica Acta. 1963.
25. Walsh CT. Enzymatic Reaction Mechanisms. W.H. Freeman.
26. Price NC, Stevens L. Fundamentals of Enzymology: The Cell and Molecular Biology of Catalytic Proteins. Oxford University Press.
27. Cornish-Bowden A, Cárdenas ML. Metabolic analysis and control theory in biochemical systems. Academic literature on metabolic control analysis.
28. IUBMB. Enzyme Nomenclature: Recommendations of the Nomenclature Committee of the International Union of Biochemistry and Molecular Biology.
29. Dixon M, Webb EC. Enzymes. Academic Press.
30. Haldane JBS. Enzymes. Longmans, Green and Co.