Enzimlerin Olağanüstü Hızları

Eğer enzimler olmasaydı, tek bir kimyasal reaksiyonun gerçekleşmesine ömrünüz yetmeyebilirdi. Yıllar içinde gerçekleşebilecek olan reaksiyonlar, enzimler tarafından öylesine hızlandırılır ki, saatler veya dakikalar değil; milisaniyeler söz konusudur. Öyle ki, enzimler bir reaksiyonu 1014 kere hızlandırabilirler. Bu sayı, 10 sayısının yanına 14 sıfır getirildiğinde oluşan sayıdır. Böylesine bir sürat olmasaydı 5 saniyelik bir süreç, örneğin bir cümlenin okunması, ancak 1500 yıl sürerdi.- Bilim ve Teknik, Tübitak Yayınları, Kasım 1989, sf. 47

Eğer enzimler olmasaydı, hücrenin saniyeler içinde yaptığı işler binlerce yıldan fazla sürecek, daha açık bir deyişle yaşam mümkün olmayacaktı. Onlar, bir canlı bedeninin hayatta kalabilmesi için gerçekleşmesi gereken sayısız reaksiyonu olağanüstü şekilde hızlandırmakla görevlendirilmişlerdir.

Böyle bir hızı elde edebilmek için enzim ne yapar? Daha önce belirttiğimiz gibi enzimler, reaksiyonun gerçekleşmesi için gereken aktivasyon enerjisini azaltırlar. Peki bu aktivasyon enerjisi tam olarak nedir? Bunu şu şekilde açıklayabiliriz: Karbonun enerji bakımından etkileşeceği en uygun molekül normal şartlarda karbon dioksittir. Bunlar aynı ortamda bulunduklarında birbirlerini etkileyerek tutuşturup yakacak bir etkiye sahiptir. Ancak bir canlı bedeni tüm bunlara sahip olmasına rağmen hiçbir zaman bir anda tutuşup bir kül yığını haline gelmez. Elinizde tuttuğunuz bir kitap da karbondan oluşmasına ve karbon dioksitle sürekli muhatap olmasına rağmen hiçbir zaman aniden alevler içinde kalmaz. Bunun nedeni canlı organizmalardaki ve kitaptaki moleküllerin kararlı yapıda olmaları ve dışarıdan yeni bir enerji girişi olmadan söz konusu kararlı yapılarını bozmamaları, yani aniden tutuşup alev almamalarıdır. Dışarıdan gelecek olan yeni enerji, söz konusu kararlı yapıyı bozacak bir "aktivasyon enerjisidir". Burada söz konusu kararlı yapının bozulması yani "kitabın yanması" için gereken aktivasyon enerjisi bir kibrittir. Hücrenin içindeki sulu solüsyon içindeki moleküller için ise bu enerji, etraftaki moleküllerle rastgele çarpışmaları sonucunda açığa çıkan enerjidir. Enzimler, söz konusu çarpışma sırasında ortaya çıkan bu büyük enerjiyi azaltmakla görevlidirler.

Biyokimyacıların enzimlerin hızlarını ölçmek için kullandıkları en önemli teknik, bir enzimin bir saniye içinde reaksiyona soktuğu substratların sayısını hesaplamaktır. Buna enzimin devir sayısı denir. Bu sayı her enzim için değişim gösterir. Pek çok enzimin devir sayısı, onlar ya da yüzlerle ifade edilir. Ancak bazı enzimlerin devir sayıları binlerle ifade edilmektedir. Buna verilebilecek örnek karbonik anhidrazdır. Dokular tarafından üretilen karbon dioksitin neredeyse yarısı, akciğerlere erimiş halde kan dolaşımı ile taşınır. Sıvı ortamdaki karbon dioksit solüsyon oranı, bu işlem için oldukça ağırdır ve bu nedenle karbonik anhidraz bu işlemi katalize ederek 10 milyon kere hızlandırır. Bir saniye içinde 600.000 su molekülünü ve aynı sayıdaki karbon dioksit molekülünü reaksiyona sokar. Yani enzimin her bir reaksiyona girdiği süre 2 mikrosaniyedir. Bu gerçekten de hayret verici bir süredir. Bunu şu şekilde de açıklayabiliriz. Eğer bir saniyeyi bütün bir seneye yayacak olursanız, bir mikrosaniye ancak bir içecek reklamı kadar olacaktır.

Bir molekülün parçalanması, bir atığın yok edilmesi veya bir besinin ayrıştırılması, saniyeler içinde hiç durmadan hareket eden enzimlerin başarısıdır. İlerleyen satırlarda göreceğimiz gibi, sindirim sistemindeki yiyeceklerin sindirilmesi de, özel sindirim enzimlerinin çalışmaları ile mümkün olabilmektedir. Sindirim işlemi besinin tipine göre insan bedeninde yaklaşık olarak 3 ila 6 saat sürmektedir. Ancak eğer enzimler olmasaydı, yediğimiz tek bir öğünün sindirilmesi 30 yıldan fazla sürecekti. Bunu şu şekilde de açıklayabiliriz:

Sindirimin en önemli elemanlarından pepsin enziminin sadece 30 gramı, 2 ton ağırlığındaki yumurta beyazını sindirebilmektedir. Bu gerçekten büyük bir hızdır. Enzimler olmasa, yediğimiz tek bir yumurtanın sindirilmesi yıllar alacaktı. Yine enzimler olmasaydı, 5 saniyelik bir reaksiyonun süresi 1.585 yıla kadar uzayabilirdi. Örneğin sadece bu bölümü okumak için 115.000 yıla ihtiyacınız olacaktı.( http://sizinti.com.tr/konu.sizinti?SIN=71803cb921&k=546&2017433805)

Evrimci Carl Sagan, enzimlerin bu üstün hızlandırma özellikleri ile ilgili olarak şu açıklamayı yapmıştır: Bir canlı hücresi, çok detaylı ve kompleks bir mimari harikasıdır. Mikroskop altında bakıldığında çılgınca bir hareketliliğin görüntüsü ile karşılaşırız. Daha derinlerde ise, moleküllerin olağanüstü hızlarda sentezlendikleri biliniyor. Neredeyse her enzim, her saniye 100'den fazla molekül sentezlemektedir. On dakika içinde bir bakteri hücresinin toplam hacminin çok büyük bir bölümü sentezlenmektedir. Basit bir hücre içindeki bilgi miktarı yaklaşık 1012 bit olarak tahmin edilmektedir. Bu sayı, yaklaşık yüz milyon sayfalık Britannica ansiklopedisine benzer bir büyüklüktür.( http://www.pathlights.com/ce_encyclopedia/08dna05.htm )

Buradan da anlaşılabileceği gibi, yaklaşık yüz milyon sayfalık Britannica ansiklopedisinden çok daha fazla bilgiye sahip tek bir hücre, 10 dakika içinde üretilmektedir.

Her enzimin reaksiyonları hızlandırma oranı farklıdır. Tek bir cümle ile verdiğimiz bu bilgi aslında çok büyük bir mucizedir. Vücutta bazı reaksiyonların daha hızlı gerçekleşmesi gerekir. Bazıları ise temkinlidir. Örneğin bazı reaksiyonlar, katalizörlerin yardımı ile 1 saniye kadar sürüyor olabilir. Katalizörün yani enzimlerin olmaması durumunda bu reaksiyonun gerçekleşme hızı 108 saniye olacaktır. Bu süre, yaklaşık olarak 3 yıldır. Ancak öyle reaksiyonlar vardır ki, enzim varken dengeye ulaşması 10 dakika kadar sürebilir. Bu, enzimler dünyasında oldukça ağır işleyen bir reaksiyondur ve katalizörün olmaması durumunda bu reaksiyonun dengeye ulaşabilmesi 109 dakika sürecektir. Bu sayı ise, bize 2000 seneyi verecektir.( Harry R. Matthews, Cell and Molecular Biology (Biol. Chem. 410A) Lecture #5, Ekim 2, 1996 10:00 a.m.)

Hızlı işlemesi gereken reaksiyonlar için gereken hız, enzim dünyasına göre ağır işlemesi gereken reaksiyonlar için büyük bir yıkım olabilir. DNA'yı kopyalayan enzimin daha hızlı hareket etmemesi gerekirken, vücuttaki zehirli maddeleri parçalayan enzimlerin de yavaşlamaması gerekmektedir. Örneğin bazı enzimler tepkimelerinde yan ürün olarak hidrojen peroksit açığa çıkarırlar ve bilindiği gibi hidrojen peroksit yakıcı bir maddedir. İnsan bedenindeki tüm organları eritip yok edebilme gücüne sahiptir. Böylesine tehlikeli bir maddenin hücrenin bir ürünü olarak ortaya çıkması hem şaşırtıcı bir durumdur, hem de oldukça tehlikelidir. Dolayısıyla vücut dokularına zarar vermeden ortadan kaldırılması gerekir. Bunun için bedenin içinde alınmış önemli bir önlem vardır. Hidrojen peroksiti üreten enzimlerin içlerinde peroksizom adı verilen özel organeller bulunmaktadır. Bu organellerin içinde büyük miktarda katalaz enzimi bulunur. Katalaz enziminin görevi ise, hidrojen peroksit vücut dokularına dağılmadan önce onu parçalamaktır. Bu enzim, bir dakikada 5.000.000 hidrojen peroksit molekülünü parçalayarak su ve oksijene dönüştürebilir. Ve bunun için gerekli olan aktivasyon enerjisi molekül başına 18.000 kaloridir. Eğer katalaz enzimi bu işi üstlenmeseydi ve demir atomunun yalnız başına bu görevi gerçekleştirmesi gerekseydi, tek bir hidrojen peroksit molekülü yaklaşık 300 yılda parçalanabilirdi. 5 milyon hidrojen peroksit molekülünün parçalanması için ise 5.000.000 x 18.000 = 90.000.000.000 kalorilik bir aktivasyon enerjisine ihtiyaç duyulacaktı. Yeryüzündeki tüm canlıların tükettikleri besin ve ürettikleri enerji bile bu miktarı karşılamaya yetmeyecekti. (http://sizinti.com.tr/konu.sizinti?SIN=71803cb921&k=546&2017433805)

Duane T. Gish katalaz enziminin önemini ve tesadüfen ortaya çıkmasının imkansızlığını şu sözlerle açıklamıştır:

Yaşamın olmadığı bir ortamda hiçbir seleksiyon olamaz. Örneğin, canlı hücreler için oldukça zehirli olan hidrojen peroksit, hücresel aktivitelerin metabolik bir ürünüdür. Bu nedenle, hidrojen peroksitin yıkımını katalize eden oldukça önemli bir enzime sahibiz. Bu enzim, yani katalaz, bir dakika içinde birkaç milyarı bulan bir devir sayısına sahiptir. Hidrojen peroksitin yüksek derecede zehir ihtiva etmesi nedeniyle, bu zehirin ayrıştırılması için hücrelerimizin oldukça etkili bir enzime ihtiyaçları vardır. Bu enzim olmadan hayatta kalabilmemiz kesinlikle mümkün değildir.( http://www.icr.org/pubs/imp/imp-043.htm )

Enzimler, reaksiyonları çok fazla hızlandırabildikleri için bizim için önemlidirler. Peki ama ya enzimler bu derece hızlı olmasaydı ne olurdu? Olmamaları durumunda 10.000 yılda gerçekleşebilecek olan bir reaksiyonu, örneğin 100 senede gerçekleşecek hale getirselerdi, bu bizim için yeterli olur muydu? Bunu 100 değil 10 yılda gerçekleştirmiş olsalar, yine bir faydaları dokunur muydu? Yılları, ayları saatleri bir kenara bırakalım, tek bir reaksiyon sadece 10 dakika sürseydi yaşamımıza devam edebilir miydik? Değil 10 dakika, kendi kataliz sürelerinde meydana gelebilecek milisaniyelik bir aksama bile, söz konusu fonksiyonu devre dışı bırakmaya yetecektir. Örneğin katalaz enziminin DNA polimeraz enzimi hızında hareket etmesi, açığa çıkan tüm hidrojen peroksit moleküllerinin hücrelere yayılmasına ve dolayısıyla hücrelerin ölümüne sebep olacaktır.

Enzimlerin olmaları ve olmamaları durumunda meydana gelen olağanüstü süre farkı, bu muhteşem proteinlerin ne kadar büyük bir iş yaptıklarını açıkça göstermektedir. Bu olayda tesadüf kavramına geçit vermeyen bir olağanüstülük vardır. Hatta böylesine kompleks bir sistemi, bilinç sahibi olarak bir insanın tasarlayıp gerçekleştirmesi dahi mümkün değildir.

Burada düşünülmesi gereken çok önemli bir detay daha vardır: Her bir enzim, farklı hızlandırma gücüne nasıl sahip olur? Enzimler her reaksiyonun farklı hızda gerçekleşmesi gerektiğini nereden bilirler? Enzimlerin kendi kendilerine, bir reaksiyonun ne işe yaradığını bilerek onu ne kadar hızlandırmaları gerektiğini hesaplamaları, buna göre bir oran belirlemeleri ve bunu diğer enzimlere haber verebilmeleri mümkün değildir. Tüm bu özellikleri tesadüfen kazanabilmeleri de imkansızdır.

Enzimlerin hızları ile ilgili olarak yapılan en çarpıcı araştırmalardan biri North California Üniversitesi'nden biyokimya, biyofizik ve kimya profesörü olan aynı zamanda Ulusal Bilimler Akademisi üyesi olan Dr. Richard Wolfenden tarafından yapılmıştır. Wolfenden'in 1998'de yaptığı açıklama, enzimlerin olağanüstü hızını daha yakından anlayabilmek bakımından önemlidir. Wolfenden, daha önceki araştırmalarında, DNA ve RNA'nın yapı taşlarını oluşturan en temel yapıların biyolojik reaksiyonlarının suda, enzimlerin olmadığı dolayısıyla katalize edilmeyen bir ortamda 78 milyon yıl süreceğini hesaplamıştı. Ancak sonraki keşfi çok daha şaşırtıcıdır. Bunu şu şekilde açıklar:

Şu anda ise bundan 10.000 kat daha ağır olanını bulduk. (Bu yeni reaksiyonun gerçekleşmesi için) gereken yarı zaman –reaksiyona girecek olan maddenin sadece yarısının harcanmasına yetecek kadar zaman– 1 trilyon yıldır. Bu sayı, evrenin yaşından 100 kez daha fazladır. Enzimler ise bu reaksiyonu 10 milisaniyede gerçekleştirebilmektedirler. (http://www.sciencedaily.com/releases/2003/05/030506073321.htm )

Wolfenden, İngiltere'deki Sheffield Üniversitesi'nden Chetan Lad ve Nicholas H. Williams ile birlikte bu yeni keşfini 29 Nisan 1998'de Ulusal Bilimler Akademisi'nin internet sayfasında yayınladı.

Wolfenden'in dikkat çektiği enzim, fosfataz enzimi idi. Fosfataz enziminin katalitik gücü, fosfat monoesterleri adı verilen belirli bir grup kimyasal maddenin suda reaksiyon hızını olağanüstü düzeyde artırıyordu. Bu monoesterler üzerinde çalışan fosfataz enzimleri, hücreler arasındaki bağlantıları ve hücre sinyalleşme yollarını düzenlemekteydi. Wolfenden, esterlerin önemini şu şekilde açıklamaktadır: Vücudun her türlü işlevi için hücrelerimizin içinde dolaşıp duran esterlere sahibiz. Her türlü hücre sinyalleşme işlemini, bir fosfataz enziminin fosfat monoesterlerini parçalaması işlemi takip eder. Diğer fosfatazlar da nişastadan karbonhidratları toplar ve hormonlarla sinyal iletiminde bir rol oynarlar.(http://www.sciencedaily.com/releases/2003/05/030506073321.htm )

Wolfenden, karşılaştığı bu büyük buluş karşısındaki şaşkınlığını şu şekilde ifade etmiştir: Bu raporda belirttiğimiz enzimler gerçek anlamda büyüleyicidir, çünkü katalizör olarak bilinen diğer tüm enzimlerin gücünü aşmışlardır. Şu anda sadece, kimyasal katalizörlerin reaksiyonları nasıl hızlandırdığını anlamaya başladık. Ancak henüz kimse, onların katalitik güçlerini üretmenin yanına bile yaklaşamamıştır.

Enzimlerin olmaması durumunda sürecek 1 trilyon yıllık reaksiyon, bir evrimci olan Wolfenden'in buradaki olağanüstülüğü kabul etmesine sebep olmuştur. Elde edilen bu büyük sayı Wolfenden'in de açıkça belirttiği gibi hiç kimsenin kavrayamayacağı bir süredir: Bu sayı, 'yavaşlık' anlamında evrende bildiğimiz tüm değerleri bir kenara attı. (Enzim reaksiyonu) katalize edilmemiş halinden 1021 kez daha hızlıdır. Bu konuda bildiğimiz en büyük değer 1018 idi. Hiç kimsenin kavrayamayacağı değerlere artık yaklaşmış olduk.( http://www.sciencedaily.com/releases/2003/05/030506073321.htm )