Enzimlerin işleyişinde kuantum tünelleme nasıl bir rol oynar? Kuantum tünellemede, bir parçacık klasik fizik yasalarına göre geçemeyeceği kadar yüksek bir engeli aşabilir. Bilimciler kimya ve biyolojide tünellemenin rol oynadığı çeşitli süreçleri zaten bir süredir biliyorlar; özellikle de hidrojen atomları gibi küçük parçacıkların aktarımıyla ilgili olan çok sayıda tepkimede tünellemenin payı var. Ayrıca Taramalı Tünelleme Mikroskobu ve yarı-iletken tünel diyot gibi modern cihazlar da önemli uygulama alanları arasında sayılabilir.

Ancak enzimlerle ilgili bazı deneysel gözlemler, enzimlerin işin içine girdiği kimyasal tepkimelerde kuantum tünelleme modellerinin yetersiz kaldığına işaret ediyordu. Bu da akla, enzimlerin bir şekilde tünellemenin özel bir biçimde gerçekleşmesini sağlayabileceğini getirdi; dolayısıyla enzimlerin nasıl işlediği konusunda yeni modellere gereksinim olduğu düşünülmeye başladı. Acaba enzimleri anlamamızı sağlayacak kuramsal araçlar elimizde miydi, yoksa yeni modellere ve kavramlara mı gerek vardı?

2012 yılında Nature Chemistry dergisinde yayımlanan bir çalışmada, Bristol Kimya Okulu'ndan Dr. David Glowacki, Prof. Jeremy Harvey ve Prof. Adrian Mulholland'dan oluşan ekip basit bir matematik kullanarak, kuantum tünellemeyi tanımlayan standart modellerin, enzimlerin çok sayıda olası farklı yapılar arasında çalkalanmakta olduğu gerçeği hesaba katıldığında, deneysel enzim verilerini açıklayabildiğini göstermişti.

Enzimler, tüm proteinler gibi sürekli olarak birbirinden azıcık farklı biçimlere girip çıkar. Ama yapıları azıcık farklılaşırken, katalitik özellikleri önemli ölçüde farklı hâle gelebilir. Proteinlerin dinamik yapılarına, protein katlanması üzerinde çalışan bilimciler tarafından da dikkat çekilmişti. Bristol araştırmacılarının makalesi, enzimlerin bu yapısal çalkalanmalarının çok önemli olduğunu ve modellemeye dahil edildiği takdirde enzimlerin işleyişini açıklayabileceklerini vurgulamıştı. Deneyler ve bilgisayar simülasyonları yardımıyla, konu üzerinde çalışmalar sürüyor.

Enzimler ve Enerji Profili Değişimi

Enzimler nasıl çalışır? Olağan kimyasal tepkimeleri hızlandıran maddeler olan katalizörler, tepkimeye katılmaksızın ya da değişmeksizin tepkime hızını artırır. Enzimler de esasında inorganik katalizörlerden farklı değildir. Katalizörler farklı mekanizmalarla çalışır ama bu mekanizmaların çoğu, katalizörlerin tepkimeleri nasıl hızlandırdığına basit bir açıklama sunan Geçiş Durumu Kuramı (GDK) yoluyla anlaşılabilir.

GDK'yı anlamak için meseleye önce başka bir taraftan bakıp, tepkimeleri hızlandırmak için neden katalizörlere gereksinim olduğunu düşünmekte fayda var. Bunun nedeni, yaşadığımız ortamdaki kimyasal maddelerin çoğunun oldukça kararlı olması, yani tepkimeye girmeye elverişli olmamasıdır. Bu maddeler ne kendiliğinden parçalanır ne de diğer kimyasallarla reaksiyona girer; zaten aksi olsaydı, bugün ortamda bu kadar yaygın bulunmazlardı.

Yaygın kimyasalların kararlı olmasının nedeni, yapılarındaki bağların, madde içinde kaçınılmaz olarak varolan moleküler türbülans tarafından parçalanmamasıdır. Reaktan moleküllerin ürünlere dönüşebilmesi için aşması gereken tepeler vardır. Bu tepeleri aşmalarını sağlayacak enerji, ısı biçiminde verilebilir. Yiyecekleri pişirdiğimizde, kısa sürede tatlarında oluşan değişikliğin temelinde de bu gerçek vardır. Isının kimyasal tepkimeleri nasıl hızlandırdığını gözünüzde canlandırmak için reaktan moleküllerini yan yatmış bir kum saatinin solundaki cam haznede bulunan kum taneleri olarak düşünelim. Kendi hâline bırakılırsa, kum taneleri hep orada kalır çünkü tanecikler kum saatinin boynuna ulaşıp, tepkimenin nihai ürünlerini temsil eden sağ hazneye geçecek enerjiye sahip değildir. Reaktan molekülleri ısıtarak, hareketliliklerini yani enerjilerini artırabilir ve ürüne dönüşmelerini sağlayabiliriz.

Reaktanları ürüne dönüştürmenin bir başka yolu ise moleküllerin aşması gereken enerji engelini aşağıya çekmektir. İşte katalizörler bunu yapar. Bu benzetmede kum saatinin boynunu genişletmeye karşılık gelen bir işlev üstlenerek, sol haznedeki kumun az bir ısıl uyarımla sağ hazneye aktarılabilmesini sağlar. Katalizörlerin enerji profilini bu şekilde değiştirebilme becerisi, substratların ürüne çok daha hızlı dönüşmesini sağlayarak tepkimeyi büyük ölçüde hızlandırır.

Kollajenaz Enzimi

Geçiş durumu kuramına göre, katalizörler peptid bağının kırılması gibi kimyasal olayları, geçiş durumunu daha kararlı hâle getirerek, dolayısıyla nihai ürünlerin oluşma şansını artırarak hızlandırır. Örneğin kollajenaz enzimi adlı molekül, kollajen lifinin üzerine bir istiridye gibi kapanır ve lif boyunca kayarak ilerlerken, üçlü sarmal yapıyı bir fermuar gibi açar. Ardından da amino asitler arasındaki bağları keser. Milyonlarca yıl boyunca sağlam kalabilecek protein zincirini ânında parçalar. Etrafındaki moleküllerin gelişigüzel itiş-kakışının tersine, enzim, kollajen life sarılarak, zarif ve kesin bir moleküler dansla lifin sarmalını çözer ve zincir üzerindeki iki amino asit arasında bulunan peptid bağını kestikten sonra sarıldığı yerden ayrılıp, bir sonraki peptid bağına doğru ilerler.

Söz konusu kesme işlemine daha yakından bakmak için enzimin, protein zincir ile tek bir su molekülünden oluşan substratları yerinde tutan çene benzeri yarığına girelim. Burası enzimin "aktif bölge"sidir; yani enerji kum saatinin boynunu eğip bükerek, peptid bağlarının parçalanmasını hızlandıran işlevsel kısmıdır. Bu moleküler yönetim merkezinde gerçekleşen koreografi, dışarıda ve enzimin etrafındaki bütün o gelişigüzel itiş-kakıştan çok farklıdır.

Enzim, peptid bağını, kırılmadan öne ulaşılması gereken kararsız geçiş durumunda tutar. Şekilde noktalı çizgilerle gösterilen ve aslında substrat ile enzim arasında ortaklaşılan elektronlardan ibaret olan zayıf kimyasal bağlar, subsratları yerinde tutar. Böylece substratlar, enzimin moleküler çeneleri tarafından doğranmaya hazır bir konfigürasyondan tutulur.

Enzim, çeneleri kapanırken bağı "ısırmak"tan çok daha incelikli bir şey yapar: Katalizin gerçekleşebileceği araçları sağlar. Yerleşen, hedefteki peptid bağının tam altında, pozitif yüklü büyük bir atom dikkatimizi çeker. Bu, pozitif yüklü çinko atomudur. Eğer enzimin aktif bölgesini onun çeneleri olarak düşünürsek, çinko iki kesici dişten biridir. Pozitif yüklü atom, substratlardaki oksijenden bir elektronu çekip, geçiş durumunu kararlı hâle geirir ve böylece enerji profilini değiştirir. Artık kum saatinin boynu genişlemiştir.

İşin geri kalanını, enzimin ikinci moleküler kesici dişi halleder. Bu kesici, enzimin kendi amino asitlerinden biri olan ve negatif yüklü oksijen atomu hedef peptid bağının üzerinde gelecek şekilde konumlanan glutamattır. Görevi, ilk olarak bağlı su molekülünden pozitif yüklü bir proton koparmaktır. Ardından bu protonu, hedefteki peptid bağının bir ucundaki azot atomuna aktararak, ona bir pozitif yük kazandırır ki bu, peptid bağındaki elektronları çeker. Elektronlar kimyasal bağların tutkalı gibidir. Dolayısıyla, elektronu bağdan çekip çıkarmak, ek yerinin zayıflayıp kırılmasına neden olur. Birkaç elektronun daha yeniden düzenlenmesinin ardından, tepkimenin ürünleri olan kırık peptid zincirleri enzimin moleküler çenelerinden dışarı atılır. Böylece, başka türlü milyonlarca yıl sonra gerçekleşebilecek bir tepkime nanosaniyeler içinde tamamlanır.

McFadden ve Al-Khalili, "Kuantum Sınırında Yaşam" adlı kitaplarında enzimlerin, insan yapımı makinelerin (yani moleküler düzeyde işleyişleri, gelişigüzel hareket eden trilyonlarca parçacığın bilardo topu benzeri kaotik hareketinden kaynaklanan makinelerin) minyatür biçimleri olmadığının altını çiziyor. Doğanın bu nano-makinelerinin, moleküler düzeyde, milyonlarca yıllık doğal seçilimin titiz mühendisliğinden, maddenin temel parçacıklarının hareketini yönlendirmek için geçmiş ve koreografisi dikkatle planlanmış bir dans sergilediklerini belirtiyor.