BÀI GIẢNG HÓA SINH Xúc tác sinh học

1 XÚC TÁC SINH HỌC ThS BS Nguyễn Minh Hà Mục tiêu bài giảng Sau khi học bài này, sinh viên Y2 phải 1 Mô tả được cấu tạo và các trung tâm chức năng của enzym 2 Trình bày được tính đặc hiệu của enzym 3 Trình bày được các cơ chế điều hòa hoạt động enzyme 4 Trình bày được đặc điểm của hai giai đoạn của phản ứng enzym 5 Giải thích được ảnh hưởng của các yếu tố lý, hóa đến hoạt động của enzym 6 Trình bày được đặc điểm của coenzym 7 Trình bày được vai trò của vitamin 8 Trình bày được các phương cách tá.

XÚC TÁC SINH HỌC

ThS.BS.Nguyễn Minh Hà

Mục tiêu bài giảng : Sau khi học bài này, sinh viên Y2 phải :

1 Mô tả được cấu tạo và các trung tâm chức năng của enzym

2 Trình bày được tính đặc hiệu của enzym

3 Trình bày được các cơ chế điều hòa hoạt động enzyme

4 Trình bày được đặc điểm của hai giai đoạn của phản ứng enzym

5 Giải thích được ảnh hưởng của các yếu tố lý, hóa đến hoạt động của enzym

6 Trình bày được đặc điểm của coenzym

7 Trình bày được vai trò của vitamin

8 Trình bày được các phương cách tác động lên tế bào đích của hormone

1 ĐẠI CƯƠNG VỀ XÚC TÁC SINH HỌC

1.1 Động học của phản ứng hóa sinh

1.1.1 Năng lượng hoạt hóa và trạng thái chuyển tiếp

Mọi phản ứng bên trong tế bào, kể cả phản ứng phát năng (là phản ứng trên lý thuyết có thể tự xảy ra), đều cần phải được cung cấp một lượng năng lượng nhằm đưa các phân tử cơ chất tham gia phản ứng lên trạng thái kích thích mà tại đó, các va chạm giữa các phân tử cơ chất trở nên có hiệu quả Trạng thái này được gọi là trạng thái chuyển tiếp (tồn tại phức hợp enzym-cơ chất) và năng lượng này được gọi là năng lượng tự do hoạt hóa

Trong tất cả mọi phản ứng, trạng thái chuyển tiếp là trạng thái có năng lượng tự do cao nhất Năng lượng tự do hoạt hóa của Gibbs (G*) là chênh lệch của mức năng lượng tự do

giữa trạng thái chuyển tiếp và cơ chất (hình 1) Như vậy, năng lượng hoạt hóa càng thấp thì phản ứng càng dễ xảy ra và chính enzym làm giảm năng lượng hoạt hóa của phản ứng hóa học, do đó, làm phản ứng xảy ra nhanh hơn Bảng 1 là các ví dụ cho thấy enzym làm giảm năng lượng hoạt hóa của phản ứng

Hình 1 Sự thay đổi năng lượng trong một phản ứng hóa sinh

Bảng 1 Năng lượng hoạt hóa của hoạt động enzym

Phản ứng Saccarose + H2O Glucose + Fructose H2O2 H2O + ½ O2

Không xúc tác G* = 32 000 cal/mol G* = 18 000 cal/mol Xúc tác vô cơ (H+) , G* = 25 000 cal/mol (Pt) , G* = 11 000 cal/mol Enzym Saccarase, G* = 9 400 cal/mol Catalase, G* = 5 500 cal/mol

1.1.2 Phán đoán chiều của phản ứng hóa sinh dựa vào sự thay đổi năng lượng tự do

Sự thay đổi năng lượng tự do cho biết một phản ứng có thuận lợi về mặt năng lượng hay không Phản ứng thuận lợi về năng lượng có nghĩa là phản ứng ở mức năng lượng thấp hơn so với mức năng lượng của cơ chất và ∆G là âm (nghĩa là phản ứng tiến hành tự nhiên) Trong

các hệ thống sinh học, việc cung cấp năng lượng thường được thực hiện bằng cặp phản ứng, kết hợp một phản ứng không thuận lợi với một phản ứng thuận lợi về mặt năng lượng

Nhờ G có thể phán đoán một phản ứng hóa học là thuận nghịch hay không thuận nghịch Xét hai chất A và B trong một hệ thống phản ứng hóa học:

 Với phản ứng A B, G = GA  GB, có 2 trường hợp xảy ra:

- G < 0 nghĩa là GB < GA : phản ứng tự xảy ra, thường là phản ứng thoái hóa

- G > 0 nghĩa là GB > GA : phản ứng chỉ xảy ra khi đưa năng lượng vào phản ứng, thường là phản ứng tổng hợp

 Với phản ứng thuận nghịch AB (chiếm đa số bên trong tế bào) thì G không cố định

mà thay đổi theo nồng độ cơ chất và sản phẩm, có 3 trường hợp xảy ra:

- Khi A > B, G < 0 theo chiều từ A  B: phản ứng xảy ra theo chiều A  B

- Khi A < B, G < 0 theo chiều từ B  A: phản ứng xảy ra theo chiều từ B  A

- Khi G = 0, tại nồng độ nào đó của A và B phản ứng đạt cân bằng

Nếu giá trị G âm nhỏ thì phản ứng dễ dàng xảy ra thuận nghịch

( đại đa số phản ứng trong cơ thể ) vì sự thay đổi nhanh chóng nồng độ các chất làm nhanh chóng thay đổi G, phản ứng nhanh chóng đạt cân bằng Nếu giá trị G âm lớn, phản ứng cần

thời gian rất dài mới đạt cân bằng, do đó, phản ứng xem như không thuận nghịch

Để thuận lợi, người ta sử dụng G được xác định với một số điều kiện thử nghiệm tiêu chuẩn: nồng độ ban đầu của cơ chất và sản phẩm đều lấy là 1,0M và pH là 7,0 Giá trị này được gọi là Go Sự thủy phân ATP để tạo thành ADP và Pi tự do là một ví dụ quan trọng của phản ứng thuận lợi về mặt năng lượng với giá trị Go âm lớn (-30,5 kJ/mol) Do đó, phản ứng này thường đi kèm để giúp những phản ứng không thuận lợi về mặt năng lượng có thể tiến hành được

Một chu trình phản ứng luôn luôn không thuận nghịch để tạo ra sản phẩm cuối cùng (là những chất cần thiết cho cơ thể như protein, acid nucleic…) Do đó, để hoàn thành một chu trình phản ứng đến chất cuối cùng thì ngoài các phản ứng thuận nghịch, chỉ cần một vài phản

ứng không thuận nghịch Kiểm soát sự chuyển hóa của tế bào dựa vào những phản ứng không thuận nghịch

1.2 Đặc điểm chung của xúc tác sinh học

Sự xúc tác sinh học xảy ra trong cơ thể sống bởi chất xúc tác sinh học Chất xúc tác sinh học là sản phẩm của sinh vật do tế bào sản xuất với một lượng nhỏ, làm tăng nhanh phản ứng

và không thay đổi sau khi phản ứng kết thúc

Chất xúc tác sinh học có ba loại: enzym, vitamin và hormon, trong đó enzym đóng vai trò chính Enzym xúc tác phản ứng hóa sinh làm cho vận tốc phản ứng tăng lên nhưng không làm thay đổi cân bằng của phản ứng, không làm thay đổi sản phẩm đầu và cuối

Xét phản ứng hóa sinh sau: Trong đó, vận tốc của phản ứng ban đầu là10-4/giây và

vận tốc của phản ứng ngược là 10-6/giây Ở trạng thái cân bằng, tỷ lệ của nồng độ cơ chất và của sản phẩm là một hằng số không đổi, hằng số cân bằng K

Theo định nghĩa trong nhiệt động học, hằng số K của một phản ứng được tính bằng tỷ lệ của nồng độ sản phẩm chia cho nồng độ chất tham gia ở trạng thái cân bằng Đối với các phản ứng hóa sinh, hằng số K được chấp nhận bằng với tỷ lệ giữa vận tốc phản ứng ban đầu K1 và vận tốc của phản ứng đảo K2:

Như vậy, ở trạng thái cân bằng của phản ứng trên, nồng độ của B gấp 100 lần A dù có mặt của enzym hay không Đối với các phản ứng thuận nghịch, các enzym không làm thay đổi trạng thái cân bằng nhưng thúc đẩy phản ứng nhanh chóng đạt cân bằng

1.3 Đặc điểm của hoạt động enzym

1.3.1 Đặc điểm chung

Enzym bản chất là protein, do đó không chịu nhiệt và phần protein quyết định tính đặc hiệu của enzym Tất cả các tế bào của cơ thể đều tổng hợp được enzym tùy theo nhu cầu của tế bào, sau đó hoạt động bên trong tế bào (enzym nội bào) hay ra bên ngoài tế bào mới hoạt động (enzym ngoại bào)

Hầu như tất cả các enzym đều hoạt động tại pH sinh lý của cơ thể, áp suất khí quyển và nhiệt độ cơ thể (khoảng 370C)

Enzym có tính đặc hiệu cao, mỗi enzym chỉ xúc tác một hay một nhóm cơ chất nhất định Enzym có thể thúc đẩy phản ứng nhanh gấp 106 -1011 lần, nhanh hơn rất nhiều so với xúc tác vô cơ Tùy theo điều kiện hoạt động, enzym được chia thành 2 loại:

- Enzym không cần cộng tố: bản chất là protein thuần, hoạt động một mình (ví dụ: enzym

thủy phân)

- Enzym cần cộng tố: gồm 2 phần: Apoenzym là protein và cộng tố (cofactor) có thể là kim

loại (Zn++ , Mg++… ) hay chất hữu cơ (gọi là coenzym), tạo thành dạng có hoạt tính xúc tác hoàn chỉnh được gọi là holoenzym

1.3.2.Tính đặc hiệu của enzym

Đặc hiệu phản ứng: một cơ chất được biến hóa theo nhiều phản ứng khác nhau, mỗi phản

ứng được xúc tác bởi một enzym khác nhau Ví dụ: acid amin được oxy hóa nhờ enzym oxidase, được khử carboxyl nhờ enzym decarboxylase và được chuyển nhóm amin nhờ enzym amino transferase

- Có enzym có tính đặc hiệu kép như aminoayl synthetase trong quá trình tổng hợp protein, tác dụng lên hai cơ chất có cấu trúc hoàn toàn khác nhau là acid amin (hoạt hóa acid amin đặc hiệu) và tRNA của amin đó (chuyển gốc acid amin đã được hoạt hóa cho tRNA đặc hiệu để tạo thành phức hợp acid amin-tRNA)

Đặc hiệu lập thể: enzym chỉ tác dụng lên một trong hai dạng đồng phân quang hoạt Ví dụ

như hầu hết enzym chuyển hóa acid amin chỉ tác dụng lên L-acid amin mà không tác dụng lên D-acid amin

1.3.3 Danh pháp và phân loại

Gọi theo tên quen dùng: từ thập niên 50, sau khi khám phá ra, các nhà khoa học đã đặt tên

riêng cho từng loại enzym và không theo quy luật nào cả như pepsin, trypsin, chymotrypsin…

Gọi theo tên cơ chất (hoặc liên kết) + ASE: thường là enzym thủy phân, ví dụ: thủy phân

ure là urease, thủy phân maltose là maltase, thủy phân liên kết peptide là peptidase, thủy phân liên kết glucoside là glucosidase

Gọi theo ( tên cơ chất +) tên phản ứng +ASE: ví dụ xúc tác phản ứng khử hydro là enzym

dehydrogenase, xúc tác phản ứng khử carboxyl của tyrosin là enzym tyrosin decarboxylase

Để thống nhất cách gọi tên các enzym, Ủy ban enzym thế giới (Enzym committee) đưa ra

hệ thống danh pháp quốc tế như sau: các enzym được chia làm 6 loại chính dựa trên kiểu phản

ứng xúc tác của chúng (bảng 2) Mỗi enzym được xác định bởi một mã số xếp loại gồm 4 chữ

số, trong đó số thứ nhất chỉ loại, số thứ hai chỉ nhóm, số thứ ba chỉ phân nhóm, số thứ tự chỉ thứ tự trong phân nhóm, trước 4 chữ số có chữ EC (Enzym Comission)

Ví dụ: trysin mang mã số EC 3.4.21.4 Số đầu tiên (số 3) cho biết enzym này thuộc nhóm hydrolase Số thứ hai (số 4) cho biết nó thuộc loại protease thủy phân liên kết peptid Số thứ 3 (số 21) cho biết đây là một serin protease, có chứa gốc serin quyết định trong trung tâm hoạt động Số thứ tư (số 4) cho biết enzym này được xếp thứ tư trong nhóm này

Bảng 2 Phân loại các enzym dựa theo kiểu phản ứng xúc tác

Loại Tên enzym Kiểu phản ứng xúc tác Phân nhóm

2 Chuyển nhóm

(Transferase)

Chuyển các nhóm chức A-B + C  A + B-C

aminotransferase, glucosyltransferase, hexokinase

2 ĐẶC ĐIỂM CẤU TRÚC CỦA ENZYM

- Lactate dehydrogenase (LDH) có trọng lượng phân tử 140 000 gồm 4 bán đơn vị (trọng lượng phân tử mỗi bán đơn vị là 35 000)

- Catalase có trọng lượng phân tử 252 000 gồm 6 bán đơn vị (trọng lượng phân tử mỗi bán đơn vị là 42 000)

2.2 Isoenzym

Các isoenzym (isozym) là những dạng phân tử khác nhau của cùng một enzym dựa vào cấu trúc bán đơn vị của nó Các isoenzym của cùng một enzym xúc tác cùng một phản ứng (cùng một cơ chất và sản phẩm), nhưng có những tính chất động học và vật lý khác nhau như điểm đẳng điện, pH tối ưu, ái lực đối với cơ chất hay đối cới những tác động của các chất ức chế Những isoenzym khác nhau của một enzym nhất định thường tác động trong những mô

cơ thể khác nhau

Một ví dụ về enzym có nhiều dạng isoenzym khác nhau là lactate dehydrogenase (LDH)

LDH được cấu tạo bởi 4 bán đơn vị xuất phát từ 2 loại chuỗi polypeptid khác nhau là chuỗi H (H = heart, có nhiều ở tim) và M (M = muscle, có nhiều ở cơ) Do sự kết hợp ngẫu nhiên của 2 chuỗi này mà tạo nên 5 isoenzym khác nhau là H4 (LDH1), M1H3 (LDH2), M2H2 (LDH3),

M3H1 (LDH4) và M4 (LDH5)

Năm isoenzym này có thể được phân tách bằng phương pháp điện di Bán đơn vị M có nhiều trong mô cơ xương và gan trong khi bán đơn vị H có nhiều trong mô cơ tim Các isoenzym LDH1 và LDH2 có nhiều trong tim và hồng cầu, LDH3 trong não và thận còn LDH4 và LDH5 có nhiều trong gan và cơ xương Như vậy, cấu trúc của mỗi isoenzym đặc trưng cho một mô đặc hiệu Điều này có ý nghĩa lớn trong y học Bệnh nhồi máu cơ tim, viêm gan và các bệnh về cơ làm chết các tế bào của các mô bị tổn thương và phóng thích các chất trong tế bào, trong đó có LDH, vào máu Ở người bình thường, nồng độ LDH2 cao nhất, kế đến là LDH1.Trong nhồi máu cơ tim, LDH1 và LDH2 đều tăng nhưng LDH1 tăng cao hơn so LDH2 Trong bệnh viêm gan thì LDH1 và LDH2 bình thường còn LDH5 tăng cao Do đó, có thể sử dụng sự gia tăng isoenzym đặc trưng cho một mô nào đó như là công cụ để chẩn đoán

và theo dõi điều trị

2.3 Trung tâm hoạt động của enzym

Trung tâm hoạt động của enzym là vùng mà enzym kết hợp với cơ chất (và cộng tố, nếu có) và chuyển đổi nó thành sản phẩm của phản ứng Trung tâm hoạt động là một phần nhỏ của phân tử enzym, có cấu trúc không gian ba chiều được tạo thành bởi các acid amin có thể ở rất

xa nhau trên chuỗi polypeptid Tuy nhiên, sự xoắn cuộn gấp khúc trong không gian của chuỗi polypeptid làm cho các nhóm acid amin này đứng gần lại nhau tạo thành trung tâm hoạt động Các acid amin của trung tâm hoạt động enzym thường là serin, histidin, tryptophan, cystein, arginin, acid glutamic và lysin

Trung tâm hoạt động là nơi phản ứng hóa học xảy ra, gồm một nhóm hóa học gọi là gốc xúc tác, trực tiếp tham gia tạo thành hay cắt đứt liên kết hóa học của cơ chất Các cơ chất kết hợp với trung tâm hoạt động bởi nhiều tương tác yếu như tương tác tĩnh điện, liên kết hydro,

Hình 2 Trung tâm hoạt động của chymotrypsin, được tạo thành từ sự đứng gần nhau trong không gian 3 chiều của các acid amin histidin (vị trí thứ 97), aspartat (vị trí thứ 102) và serin (vị trí thứ 195), và

vị trí gắn với cơ chất

lực hút Van der Walls, tương tác kỵ nước…Sau khi phức hợp enzym-cơ chất được hình thành, các gốc xúc tác sẽ tác động trên phân tử cơ chất để chuyển chúng sang trạng thái chuyển tiếp, rồi sau đó thành sản phẩm của phản ứng và phóng thích trong dung dịch Kế đó, enzym tự do lại kết hợp với phân tử cơ chất mới và bắt đầu lại một chu trình xúc tác mới

2.4 Mô hình kết hợp của cơ chất tại trung tâm hoạt động

Có hai mô hình đã được đề nghị để giải thích sự kết hợp của enzym với cơ chất:

- Mô hình ổ khóa-chìa khóa (tác giả Fisher đề nghị năm 1894): cấu trúc không gian giữa

trung tâm hoạt động của enzym và cơ chất giống như là chìa khóa và ổ khóa, không thay đổi

và hoàn toàn ăn khóp với nhau Mô hình này không giải quyết thỏa đáng được một số kết quả thu được trong thực nghiệm

- Mô hình tiếp xúc cảm ứng (tác giả Koshland đề nghị năm 1958): trung tâm hoạt động

của enzym chỉ được hình thành trong quá trình tiếp xúc giữa enzym với cơ chất Do tác dụng cảm ứng không gian, chính cơ chất (hoặc một chất kết hợp khác tương tự) đã làm biến đổi cấu hình không gian của enzym và làm cho các nhóm chức năng của trung tâm hoạt động di chuyển, định hướng một cách thích hợp và chính xác để gắn với cơ chất

Hình 3 Sự kết hợp của cơ chất và enzym

2.5 Dạng hoạt động và dạng không hoạt động của enzym

Có những enzym được tế bào tiết ra ở dạng không hoạt động, sau một số phản ứng hóa học mới trở nên hoạt động như các phương cách sau:

- Trở nên hoạt hóa nhờ bị cắt đi một số vùng cấu trúc: như những enzym tiêu hóa được

tiết ra bên trong tế bào ống tiêu hóa ở dạng không hoạt động gọi là tiền enzym (zymogen, proenzym hoặc preenzym) Dạng không hoạt động này được đưa vào lòng ống tiêu hóa, tại đó, dưới các tín hiệu như sự thay đổi pH hoặc sự hiện diện của một số chất đặc hiệu, tiền enzym được cắt bớt một số acid amin để trở thành dạng hoạt động Phương cách này giúp cho enzym tiêu hóa chỉ hoạt động trong lòng ống tiêu hóa

Ví dụ như chymotrypsinogen được tiết ra bởi tuyến tụy, là dạng không hoạt động có 245 acid amin, sau đó được đưa vào tá tràng, dưới sự hiện diện của trypsin, chymotrypsinogen bị cắt loại đi 4 acid amin, vị trí 15 (arginin), 13 (leucin), 146 (tyrosin) và 148 (asparagine) để trở thành chymotrypsin hoạt động

- Trở nên hoạt hóa nhờ được phosphoryl hóa: như enzym phosphorylase có dạng b là dạng không hoạt động do không gắn gốc phosphat Phân tử phosphorylase b được kinase gắn thêm gốc phosphat và trở thành phosphorylase a, là dạng có hoạt tính xúc tác phản ứng gắn

thêm gốc phosphate vào cơ chất

2.6 Enzym dị lập thể và trung tâm dị lập thể

Một số loại enzym có nhiều hơn một trung tâm hoạt động Đối với các enzym này, liên kết của một phân tử cơ chất với trung tâm hoạt động ảnh hưởng đến liên kết của những phân tử cơ chất với các trung tâm hoạt động khác trong phân tử enzym đó Do đó, các enzym này đặc biệt nhạy với những thay đổi nhỏ của nồng độ cơ chất

Ngoài ra, hoạt động của các enzym này có thể được kiểm soát bởi chất tác động (hoạt hóa hoặc ức chế) Các chất này liên kết với enzym tại một vị trí khác với trung tâm hoạt động,

được gọi là trung tâm dị lập thể Bằng cách này, chúng gây ra sự thay đổi cấu hình của trung

tâm hoạt động và làm thay đổi vận tốc phản ứng Enzym có trung tâm dị lập thể được gọi là

enzym dị lập thể

- Enzym được hoạt hóa nhờ gắn AMP vòng: ở dạng không hoạt động, bán đơn vị điều hòa (R) (chứa trung tâm dị lập thể dương) trống, không gắn AMP vòng, do đó, bán đơn vị tác dụng (C)(chứa trung tâm hoạt động) gắn với bán đơn vị điều hòa khiến enzym bị bất hoạt Bán đơn

vị điều hòa sẽ rời khỏi bán đơn vị tác dụng sau khi tiếp nhận chất hoạt hóa dị lập thể là AMP vòng Do đó, trung tâm hoạt động trên bán đơn vị tác dụng trở nên trống, sẵn sàng nhận cơ chất (dạng hoạt động) (hình 5)

Hình 5 Cơ chế hoạt hóa dị lập thể nhờ gắn AMP vòng (cAMP)

Hình 4 Chất hoạt hóa dị lập thể tạo thuận lợi cho enzym tiếp nhận cơ chất

2.6.2 Enzym dị lập thể âm và cơ chế ức chế phản hồi

Enzym dị lập thể âm hoạt động theo cơ chế dị lập thể âm (hay ức chế dị lập thể) Khi này, chất tác động được gọi là chất ức chế dị lập thể Cơ chế dị lập thể âm quan trọng và phổ biến

trong các hệ thống sinh học là cơ chế ức chế phản hồi (feed back inhibition): enzym tham gia

đầu tiên vào quá trình chuyển hóa bị ức chế bởi sản phẩm cuối của quá trình đó Sự điều hòa theo phương cách này cho phép tiết kiệm năng lượng dự trữ của cơ thể và tránh tích tụ một lượng lớn chất chuyển hóa trung gian vô ích

(a) Sự ức chế theo chuỗi (b) Sự ức chế cộng gộp

Hình 6 Ví dụ về cơ chế ức chế phản hồi ở E.Coli

Có hai dạng ức chế phản hồi:

- Sự ức chế theo chuỗi: thường gặp trong hệ thống multienzym, sản phẩm của enzym sau

sẽ ức chế chính enzym đó Ví dụ như sự tổng hợp một số acid amin ở E.Coli (hình 6a)

- Sự ức chế cộng gộp: ví dụ sự điều hòa tổng hợp glutamin ở E.Coli 6 sản phẩm dẫn xuất

từ glutamin đều là chất hoạt hóa dị lập thể âm của enzym glutamine synthetase và sự phối hợp của cả 6 chất này làm làm tăng tác dụng ức chế enzym (hình 6b)

Các sản phẩm cuối của một quá trình chuyển hóa nhiều phản ứng thường ít khi tương đồng với hợp chất ban đầu về mặt cấu trúc phân tử, do đó, nó trở thành chất ức chế dị lập thể, liên kết với enzym đầu tiên (của quá trình chuyển hóa đó) ở vị trí trung tâm dị lập thể

2.7 Hệ thống multienzym

Các phản ứng xảy ra trong hệ thống sinh học do enzym xúc tác thường là một chuỗi liên tiếp từ phản ứng thứ 1 đến phản ứng thứ n để tạo ra sản phẩm cuối cùng Hệ thống enzym xúc tác chuỗi phản ứng được gọi là multienzym, trong đó, sản phẩm của enzym thứ nhất là cơ chất của enzym tiếp theo Hệ thống multienzym thường ở ba dạng:

- Dạng hòa tan: trộn lẫn trong bào dịch (ví dụ các enzym tham gia chu trình HDP)

- Dạng phức hợp: các enzym gắn với nhau thành một khối (ví dụ enzym acid béo synthetase gồm 7 enzym tạo thành phức hợp enzym)

- Dạng gắn với màng tế bào: ví dụ hệ thống enzym oxy hóa khử

3 ĐỘNG HỌC CỦA ENZYM

3.1 Vận tốc phản ứng enzym – Phương trình Michaelis-Menten

Enzym xúc tác phản ứng theo nguyên tắc làm tăng nhanh phản ứng, nhưng không làm thay đổi cân bằng của phản ứng Phản ứng có enzym xúc tác sẽ qua hai bước Đầu tiên, enzym kết hợp cơ chất (S) thành hợp chất tạm thời enzym –cơ chất (E-S), làm giảm độ bền trong liên kết

cơ chất, khiến cho phản ứng xảy ra nhanh hơn , và sau đó, tạo sản phẩm (P) và trả enzym về dạng tự do Khảo sát phản ứng có enzym xúc tác chính là khảo sát vận tốc phản ứng

Xét một phản ứng có xúc tác enzym với vận tốc phản ứng (V) và nồng độ cơ chất ([S]) Đồ thị biểu diễn tương quan giữa (hình 7) cho thấy phản ứng qua giai đoạn tuyến tính và không tuyến tính Trong giai đoạn tuyến tính, khi nồng độ S nhỏ thì vận tốc phản ứng (V) tỷ lệ thuận với S, sản phẩm được tạo thành một cách nhanh chóng Khi nồng độ S tăng đến mức nào đó (giai đoạn không tuyến tính), V không tỷ lê thuận với S nữa mà đạt đến vận tốc tối đa là

Vmax Lúc này, V gần như không phụ thuộc vào nồng độ cơ chất nữa (các điều kiện khác cố định) Khi V đạt Vmax là trạng thái enzym đã bão hòa cơ chất

Hình 7 Tương quan giữa vận tốc phản ứng enzym và nồng độ cơ chất

Cách để enzym thúc đẩy nhanh phản ứng hóa học mà không làm thay đổi cân bằng phản ứng được chứng minh bằng động học của enzym với năng lượng hoạt hóa và mô hình Michaelis- Menten Diễn tiến phản ứng có enzym xúc tác gồm 2 bước như sau, với ET là toàn bộ enzym, E là enzym tự do và E-S là phức hợp enzym kết hợp cơ chất

E + S E-S E + P

Do ET = E + ES nên E = ET  ES Từ đó:

-Tốc độ tạo thành E-S là : V1 = K1 E S (1)

-Tốc độ phân ly phân ly E-S là : V2 = K2 ES (2)

V3 = K3 ES

K1

K2

K3

-Khi V = Vmax , enzym không còn ở dạng tự do nữa mà tất cả ở dạng kết hợp với cơ chất, nên ES = ET và lúc đó V3 = K3 ET (3)

-Ở trạng thái cân bằng, tốc độ tạo thành E-S bằng tốc độ phân ly E-S : V1 = V2 + V3 -Thay thế các trị số của V1, V2 , V3, sẽ có:

-Từ (1), (2), (3) và (4) rút ra được phương trình Michaelis –

Menten như sau, với Km là hằng số Michaelis –Menten:

Đồ thị tương quan giữa vận tốc phản ứng enzym và nồng độ cơ chất cho thấy:

- Trong giai đoạn tuyến tính, [S] nhỏ hơn K m nhiều, thế vào phương trình

Michaelis-Menten sẽ thành V = (Vmax [S]) / Km cho thấy khi này V tỷ lệ thuận với nồng độ cơ chất [S]

- Tại thời điểm nồng độ cơ chất [S] = K m, thế vào phương trình Michaelis-Menten sẽ thành V = (Vmax [S]) / ([S] + [S]) = ½ Vmax Nhưvậy, Km chính là nồng độ cơ chất tại thời điểm vận tốc V= ½ vận tốc tối đa Vmax

- Khi phản ứng tiến đến vô cực (giai đoạn không tuyến tính), [S] lớn hơn K m nhiều, thế

vào phương trình Michaelis-Menten sẽ thành V = (Vmax [S]) / [S]  Vmax cho thấy khi này phản ứng đã đạt vận tốc tối đa, không còn phụ thuộc nồng độ cơ chất [S]

3.2.Ý nghĩa của hằng số tốc độ Km

Hằng số tốc độ Km phản ánh hoạt tính enzym và ái lực của enzym đối với cơ chất, giúp các nhà nghiên cứu có thể gián tiếp so sánh các enzym với nhau