Enzym và xúc tác sinh học pdf

1-ĐẠI CƯƠNG VỀ ENZYM1.1- Các enzym là những chất xúc tác  Có tác động làm gia tăng vận tốc phản ứng hóa học màkhông thay đổi tiến trình của phản ứng  Vận tốc phản ứng có thể tăng lên t

ROH + RCOOH H+ RCOOR + H2O

to

S + … (E) P + …

ENZYM VÀ XÚC TÁC SINH HỌC

 Trình bày được tính đặc hiệu của enzym

 Giải thích được các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động củaenzym

 Trình bày được động học và sự ức chế của enzym

 Trình bày được sự kiểm soát hoạt động của enzym

ThS Ngô Kiến Đức

1-ĐẠI CƯƠNG VỀ ENZYM

1.1- Các enzym là những chất xúc tác

 Có tác động làm gia tăng vận tốc phản ứng hóa học màkhông thay đổi tiến trình của phản ứng

 Vận tốc phản ứng có thể tăng lên tới 107 lần khi có mặtenzym

 Phản ứng có thể được tiến hành trong những điều kiện tươngđối nhẹ nhàng (nhiệt độ dưới 100 độ C, ở áp suất khí quyểnvà pH trung tính)

 Có tính đặc hiệu cao đối với cơ chất mà nó tác động cũngnhư đối với các sản phẩm mà nó thành lập

1-ĐẠI CƯƠNG VỀ ENZYM

1.1- Các enzym là những chất xúc tác

 Tác động có thể được điều hòa  thường nhạy cảm với nồngđộ cơ chất hay với một số phân tử khác

 Bản chất các enzym là những protein

Ngọai lệ có vài phân tử ARN cũng có tác động xúc tác

Sự thay đổi năng lượng trong một phản ứng hóa sinh

1.2- Năng lượng hoạt hóa và trạng thái chuyển tiếp

- Mọi phản ứng đều phải vượt qua một hàng rào năng lượng thìmới thực hiện được

- Hàng rào năng lượng này tương ứng với năng lượng cần thiếtđể chuyển các phân tử của cơ chất sang trạng thái chuyển tiếp :một dạng hóa học không bền trong tiến trình phản ứng đi từ cơchất đến sản phẫm

- Trạng thái chuyển tiếp : trạng thái trung gian có năng lượng tự

do cao nhất trong tất cả mọi phản ứng

- Năng lượng tự do hoạt hóa của Gibbs (G*) : chênh lệch củamức năng lượng tự do giữa trạng thái chuyển tiếp và cơ chất

1.2- Năng lượng hoạt hóa và trạng thái chuyển tiếp

- Tác động của enzym : ổn định trạng thái chuyển tiếp của phảnứng hóa học với sự giảm G*

Enzym làm gia tăng tốc độ phản ứng nhưng không ảnh hưởng

đến sự thay đổi năng lượng chung của phản ứng

Enzym không làm thay đổi mức năng lượng của cơ chất

hay của sản phẩm

Sự thay đổi năng lượng trong một phản ứng hóa sinh

Năng lượng tự do

G* (năng lượng tự do hoạt hóa)

G (năng lượng tự do)

Phản ứng không xúc tác bởi enzym

S

P

Phản ứng xúc tác bởi enzym

Trạng thái chuyển tiếp

- Không xúc tác : G* = 32.000 calo/mol

- Xúc tác vô cơ (H+) : G* = 25.000 calo/mol

- Enzym (saccarase) : G* = 9.400 calo/mol

 Thí dụ về mức năng lượng hoạt hóa của phản ứng trong điều kiện có và không có chất xúc tác :

Saccarose + H2O Glucose + Fructose

Sự thay đổi năng lượng trong một phản ứng hóa sinh

1.3- Sự thay đổi năng lượng tự do

 Sự thay đổi năng lượng tự do G của Gibbs (kJ mol –1) cho biếtmột phản ứng có thuận lợi về mặt năng lượng hay không

 Biến thiên năng lượng tổng cộng âm thì phản ứng thuận lợi vềmặt năng lượng ( có nghĩa là các sản phẩm của phản ứng ở mứcnăng lượng thấp hơn so với mức năng lượng của cơ chất và Glà âm)

G khác với G*

 G : không lệ thuộc vào chiều phản ứng và không cho

biết thông tin gì về vận tốc phản ứng

 G* : ảnh hưởng đến vận tốc phản ứng

Ví dụ: Sự thủy giải ATP để thành lập ADP và Pi tự do

Go = -30,5kJ mol –1 (thuận lợi)

 G âm : phản ứng thuận lợi về mặt nhiệt động học theochiều chỉ định (có nghĩa là phản ứng tiến hành tự nhiên)

 G dương : phản ứng không thuận lợi về mặt năng lượng vàcần phải được cung cấp năng lượng mới có thể thực hiệntheo chiều chỉ định

Hệ thống sinh học : năng lượng thường được cung cấp bằngviệc kết hợp một phản ứng không thuận lợi với một phảnứng thuận lợi về mặt năng lượng : các cặp phản ứng

1.3- Sự thay đổi năng lượng tự do

1.4- Cân bằng hóa học

Xét phản ứng sau :

[B] cb[A] cb

=

K =

 Như vậy, ở trạng thái cân bằng của phản ứng trên, nồng độ của B gấp 100 lần A dù có hay không có mặt của enzym.

 Enzym không làm thay đổi trạng thái cân bằng  thúc đẩy phản ứng nhanh chóng đạt cân bằng

- Không có mặt enzym, cần khoảng một giờ để đạt đến cân bằng

- Có mặt của enzym, phản ứng có thể đạt đến cân bằng trong vòng một giây.

1.5- Trung tâm hoạt động (TTHĐ)

 Là vùng mà enzym kết hợp với cơ chất và chuyển đổi nóthành sản phẩm của phản ứng

 Là một phần nhỏ của phân tử enzym được thành lập bởi cácacid amin có thể ở rất xa nhau trên chuỗi polypeptid

 Các acid amin của TTHĐ thường là Serin, Histidin,Tryptophan, Cystein, Lysin, Arginin, Glutamat

 TTHĐ thường giống như một khe nứt hay rãnh trên bề mặtphân tử enzym thành lập một khoảnng không gian thường làkhông phân cực tạo thuận lợi cho việc liên kết giữa enzym và

cơ chất

 Các cơ chất + TTHĐ = tương tác yếu

 tương tác tĩnh điện, liên kết hydro, liên kết Van der Walls,tương tác kỵ nước)

 trong một số trường hợp bởi những liên kết đồng hóa trịthuận nghịch

Phức hợp enzym – cơ chất

Cơ chất ở trạng thái chuyển tiếp

Tiếp xúc cảm ứng (1958 bởi Daniel E Koshland Jr) trong đó liên kết của cơ chất cảm ứng làm thay đổi cấu dạng của TTHĐ của enzym.

Hai mô hình được đề nghị để giải thích về sự kết hợp của

cơ chất và enzym

1.6- Tính đặc hiệu của enzym

 Tính đặc hiệu rõ rệt và cao hơn nhiều so với các chất vô cơ

1.6.1- Tính đặc hiệu phản ứng :

 Enzym chỉ xúc tác cho một trong vô số những chuyển hóa cóthể có được đối với một cơ chất

 Thí dụ: 3 phản ứng sau đây của acid amin

- Acid amin bị oxy hóa nhờ oxydase cho acid -cetonic và

1.6.2- Tính đặc hiệu cơ chất :

 Urease chỉ xúc tác quá trình thủy phân ure : đặc hiệu tuyệtđối

 Lactate dehydrogenase ngoài việc tác dụng vào lactat, còncó thể tác dụng vào nhiều chất khác cũng có nhóm-CHOH-như lactat : đặc hiệu tương đối

 Tính đặc hiệu kép như aminoacyl-syntetase trong quá trìnhtổng hợp protein tác dụng lên hai cơ chất có cấu trúc hòantoàn khác nhau : hoạt hóa acid amin và gắn vào ARNt

1.6.3- Tính đặc hiệu lập thể :

 Các enzym chuyển hóa acid amin chỉ tác dụng lên L-acidamin mà không tác dụng lên D-acid amin

1.7- Danh pháp và phân loại :

1.7.1- Danh pháp :

 Urease là enzym xúc tác sự thủy giải urê

 Fructose 1,6-di phosphatase thủy giải fructose 1,6-diphosphat

 Một số các enzym khác có tên gọi không liên quan gì đến cơchất: Trypsin và Chymotrypsin là hai enzym thủy phân cácliên kết peptid của chuỗi polypeptid

 Một số các enzym lại được gọi dưới nhiều tên khác nhau

 Hệ thống danh pháp quốc tế:

- Các enzym được chia thành sáu loại chính dựa theo kiểuphản ứng xúc tác của chúng

- Xác định bởi một mã số xếp loại gồm bốn số:

o số thứ nhất chỉ loại enzym

o số thứ hai chỉ nhóm

o số thứ ba chỉ phân nhóm

o số thứ tư chỉ thứ tự của enzym đó trong phân nhóm

 Trypsin mang mã số EC (Enzyme Classification) 3.4.21.4

+ số đầu tiên (số 3) chỉ rằng enzym này thuộc loại hydrolase

+ số thứ hai (số 4) cho biết nó thuộc nhóm protease thủy phâncác liên kết peptid

+ số thứ ba (21) cho biết đây là một serin protease có chứa gốcserin quyết định trong trung tâm hoạt động

Ø+ số thứ tư (4) cho bietá đây là enzym được xếp thứ tư trongnhóm này

 Chymotrypsin có mã số EC 3.4.21.1 và Elastase EC 3.4.21.36

Ví dụ:

1.7.2- Phân loại enzym

Chuyển vận điện tử A - + B  A + B

-Chuyển vận các nhóm chức A-B + C  A+ B-C Phản ứng thủy phân A-B+H2O  A-H + B-OH Phân cắt liên kết C-C, C-O, C-N và các liên kết khác để thành lập thường là một liên kết đôi

A-B  A=B + X-Y

| |

X Y Chuyển đổi các nhóm chức nội phân tử (chuyển đồng phân) A-B  A-B

Trypsine

Pyruvat decarboxylase

Maleat isomerase

Pyruvat carboxylase

2- CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN HOẠT ĐỘ CỦA ENZYM

2.1- Định lượng enzym

 Có thể được thực hiện dựa theo tác động xúc tác của chúng tươngứng với việc chuyển đỗi một cơ chất thành một sản phẩm

 Để định lượng enzym cần phải:

- biết phương trình cân bằng của phản ứng được xúc tác

- thiết lập qui trình phân tích cho phép định lượng hoặc là sự mất

đi của cơ chất, hoặc là sự xuất hiện của sản phẩm

- chú ý vai trò của các chất đồng phối hợp (cofactor), pH, vànhiệt độ Ơ ûloài hữu nhũ, các enzym thường họat động trongkhoảng nhiệt độ từ 25 – 37 độ C

- Vận tốc của phản ứng cũng ảnh hưởng đến việc đo lường hoạtđộ của enzym (cung cấp đầy đủ cơ chất để vận tốc phản ứngban đầu tỷ lệ với nồng độ enzym)

2- CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN HOẠT ĐỘ CỦA ENZYM2.1- Định lượng enzym

 Nếu cơ chất (hay sản phẩm) hấp thu ánh sáng ở một bướcsóng nhất định, sự biến thiên của nồng độ của những chấtnày có thể được đo bằng cách khảo sát sự biến thiên của độhấp thu ở bước sóng đó.

 Mật độ quang học tỷ lệ với nồng độ; tốc độ biến thiên của độhấp thu tỷ lệ với tốc độ phản ứng enzym được biểu thị bằngsố mol cơ chất được tiêu thụ (hay số mol sản phẩm được tạothành) trong một đơn vị thời gian

Định lượng enzym : đo tốc độ xuất hiện của sản phẩm hoặc tốc độ biến mất của cơ chất

NADH và NADPH là hai phân tử thường được sử dụng để đo sự

thay đổi độ hấp thu trong các định lượng hoạt độ enzym và chúng hấp thu trong vùng tử ngọai ở bước sóng 340 nm

Thí dụ: đo hoạt độ của lactat dehydrogenase với cơ chất là lactat

- Hoạt độ enzym có thể được định lượng bằng cách đo sự gia tăngcủa độ hấp thu ở 340 nm với phương trình phản ứng sau:

2.2- Định lượng enzym kết hợp

Nếu muốn định lượng chính xác hoạt độ của enzym đầu tiên(glucose oxydase) thì enzym thứ hai (peroxydase) và nhữngđồng cơ chất cũng như các coenzym của chúng phải có một

lượng thừa để không rơi vào “bước chậm” làm ảnh hưởng đếnvận tốc của enzym kết hợp

Trong những điều kiện này, tốc độ tạo ra hợp chất có màu tỷlệ với tốc độ tạo H2O2 và chính tốc độ này tỷ lệ với hoạt độcủa glucose oxydase

2.3- Vận tốc phản ứng enzym

 Vận tốc của phản ứng được xúc tác bởi enzym thườngđược gọi là tốc độ của phản ứng

 Vận tốc phản ứng enzym thường liên quan đến giá trị củavận tốc khởi đầu, ở thời điểm zero (biểu thị Vo,

Sự liên quan giữa việc tạo thành sản phẩm theo thời gian trong

phản ứng được xúc tác bởi enzym

Biểu thị đơn vị hoạt độ enzym :

 Thông thường bằng vận tốc ban đầu (Vo) của phản ứng đượcxúc tác (thí dụ : bằng mol cơ chất được chuyển hóa trong 1phút)

 2 đơn vị tiêu chuẩn khác cho hoạt độ của enzym là đơn vịenzym (U) và katal (kat)

- U : lượng enzym cần thiết để xúc tác việc chuyển 1 mol cơchất trong 1 phút ở 25 độ C trong những điều kiện tối ưu củaenzym này

- Katal là đơn vị tiêu chuẩn quốc tế SI đo hoạt độ enzym đượcđịnh nghĩa như là tác động xúc tác làm tăng tốc độ phản ứngcủa một mol/giây trong một hệ thống đặc hiệu

Sự chuyển đổi giữa những đơn vị

Mối liên quan giữa {S} và Vo

2.4- Nồng độ cơ chất

Đối với những nồng độ cao của cơ chất, enzym đã bị bảo hòa va øsự tăng [S] thêm sẽ chỉ làm tăng rất ít Vo.

Biểu đồ biễu thị mối liên quan giữa

Vo theo [S] là một đồ thị dạng hyperbol

2.5- Nồng độ enzym

 Khi nồng độ cơ chất bảo hòa, một sự tăng gấp đôi nồng độenzym dẫn đến việc tăng gấp đôi Vo

 Nếu biểu diễn bằng đồ thị sự thay đổi của Vo theo nồng độenzym, ta sẽ có một đường thẳng

2.6- Nhiệt độ

Hai khả năng :

 Gia tăng nhiệt độ : tăng năng lượng nhiệt cung cấp cho cácphân tử cơ chất  gia tăng vận tốc của phản ứng

 Ở những nhiệt độ quá cao  nguy cơ phá vỡ các liên kếtyếu không đồng hóa trị (liên kết hydrogen, lực Van derWalls….) là những liên kết làm ổn định cấu trúc không gian

ba chiều của enzym  biến tính enzym

 Chỉ cần có một thay đổi nhỏ trong cấu hình 3 chiều của

enzym cũng làm thay đổi cấu trúc của TTHĐ: giảmhoạt tính enzym

4 37 50

Vo

o C

Tác động của nhiệt độ phản ứng trên hoạt độ enzym

Tác động chung củasự gia tăng nhiệt độtrên vận tốc phản ứngcủa enzym tạo ra haihiệu ứng ngược nhau

 Đối với loài hữu nhũ, nhiều enzym hoạt động ở nhiệt độ gần

37 độ C

 Taq polymerase tham gia trong phản ứng trùng hợp chuỗi cótrong vi khuẩn sống ở các nguồn nước nóng và enzym nàythích nghi họat động trong những điều kiện nhiệt độ cao

 Một sự thay đổi lớn pH có thể làm biến tính proteinenzym do ảnh hưởng đến các liên kết yếu không đồnghóa trị duy trì cấu trúc 3 chiều của enzym.

Sự thay đổi của vận tốc Vo theo pH dưới dạng hình chuông

2.8- Coenzym và các nhóm ngoại

- Để xúc tác một phản ứng, nhiều enzym cần có sự hiện diệncủa những tiểu đơn vị không phải là protein được gọi là chấtcộng tác hay cofactor

- Các chất cộng tác này có thể là một hay nhiều ion vô cơ như

Zn 2+ hay Fe2+, hoặc có thể là một phức hợp các phân tử hữu

phân tử Hemoglobin)

- Holoenzym : dạng có hoạt tính xúc tác hoàn chỉnh của mộtenzym phối hợp với coenzym của nó hay với ion kim loạicủa chúng

(Phần protein)

 Một số coenzym, chẳng hạn NAD+ , được gắn với enzym rồitiếp đến lại được giải phóng ra khỏi enzym trong quá trình xúctác và đóng vai trò như là một chất đồng cơ chất.

 Nhiều coenzym là những dẫn xuất từ các tiền chất là các

vitamin

Coenzym Tiền chất Bệnh do thiếu vitamin

Đồng cơ chất trong sự

hydroxyl hóa Prolin

thành collagen

Pyridoxal phosphat

Acid pantothenic Riboflavine (vitamin B2) Niacine

Thiamine (vitamin B1)

Acid folic Cobalamin (vitamin B12) Vitamin C (acid ascorbic)

Pyridoxin (vitamin B6)

Viêm da Chậm lớn Pellagre Tê phù (Béri-béri)

Thiếu máu Thiếu máu ác tính Scorbut

Viêm da

 Nicotinamide adenin dinucleotid (NAD+) và nicotinamideadenin dinucleotid phosphat (NADP+) là hai coenzym mà cấutrúc gồm có một base Adenin, hai đường ribose, glucid đượcliên kết với nhau bởi nhóm phosphat và một nhânnicotinamid.

 NADP+ khác với NAD+ do có thêm một nhóm phosphat gắnvới một phân tử ribose

 Chức năng giống nhau : hoạt động như những chất vậnchuyển điện tử và tham gia vào các phản ứng oxy hóakhử

 NAD+ thường được sử dụng trong các phản ứng dị hóa (phânhủy) trong khi NADP+ tham gia vào các phản ứng đồng hóa(sinh tổng hợp).

 Phần hoạt động của hai phân tử : nhân nicotinamid (dạngoxy hóa hay dạng khử ) hoạt động bằng cách nhận hay chođiện tử tùy theo phản ứng enzym

 Phản ứng kéo theo cũng là sự vận chuyển proton theophương trình sau :

Cấu trúc của coenzym NAD+ và NADP+

N

OH HO

CH2O

 Flavin adenin dinucleotid (FAD) và flavin mononucleotid(FMN) cũng là những chất chuyển vận điện tử và có cấutrúc hóa học gần nhau

 Mỗi một coenzym này được thành lập bởi một đơn vịflavin mononucleotid có chứa trung tâm hoạt động FAD

có chứa thêm một nhóm bổ sung glucid (Ribose) vàAdenin

 FAD và FMN tác động với 2 proton và 2 điện tử đểchuyển luân phiên từ trạng thái khử sang trạng thái oxyhóa

CH2O P O

2.9- Các isoenzym

 Isoenzym (isozym) : dạng khác nhau của một enzym xúctác cùng một phản ứng nhưng chúng có những tính chấtđộng học và vật lý khác nhau ( như điểm đẳng điện, pHtối ưu, ái lực đối với cơ chất hay đối với những tác độngcủa các chất ức chế)

 Những isoenzym khác nhau của một enzym nhất địnhđược tổng hợp do những gen khác nhau và thường tácđộng trong những mô khác nhau của cơ thể

Ví dụ :

 Lactat dehydrogenase (LDH) : cấu tạo bởi bốn tiểu đơn vị

xuất phát từ hai lọai tiểu đơn vị khác nhau gọi là H và M

 Hai loại này có những khác nhau nhỏ trong trình tự chuỗi acidamin của chúng

 Hai loại tiểu đơn vị này có thể kết hợp một cách ngẫu nhiênđể tạo nên 5 isoenzym có cấu tạo là H4, H3M, H2M2, HM3 và

M4

 Năm isoenzym này : phân lập bằng phương pháp điện di

 Tiểu đơn vị M có nhiều trong cơ xương (cơ vân) và gan trongkhi H có nhiều trong tim Các isoenzym H4 và H3M có nhiềutrong tim và hồng cầu; H2M2 trong não và thận, trong khi đó

HM3 và M4 có nhiều trong gan và cơ xương

Ý nghiã của isoenzym

cấu trúc của mỗi isoenzym thì đặc trưng cho một mô đặchiệu

ý nghĩa to lớn trong y họcmột công cụ để chẩn đoán (dùng chẩn đoán nhồi máu cơtim , theo dõi tiến triển của quá trình trị liệu)