Động học xúc tác - Chương 6 pps

Cũng có trường hợp chất cho thêm làm chậm phản ứng, trước kia người ta gọi là xúc tác âm, tuy nhiên khái niệm này hiện nay hầu như không dùng và được quy cho hiện tượng ức chế.. Nhờ khả

Chương 6 Xúc tác ư Hấp phụ CÁC KHÁI NIỆM CHUNG

Xúc tác đóng vai trò quan trọng: có tới khoảng ~ 60% các quá trình công nghệ hoá học, 90% sản phẩm công nghiệp hoá học có sử dụng xúc tác, thị trường xúc tác hiện nay được đánh giá là vào khoảng 12 tỷ US$/năm

Những năm gần đõy trước viễn cảnh nguồn dầu mỏ cạn kiệt, mụi trường bị suy thoỏi nghiờm trọng thỡ xỳc tỏc là niềm hy vọng trong việc sản xuất những nguồn năng lượng mới, vật liệu mới, cỏc quỏ trỡnh sản xuất sạch hơn, ớt thải hơn mà đỉnh cao là hoỏ học xanh, xỳc tỏc đồng thời cũng đó và sẽ là vũ khớ hữu hiệu trong cụng cuộc bảo vệ mụi trường

GS W.A Herrmann (TUM) đó viết: A few years ago, the "Board of Chemical Sciences and Technology” reported to the President of the USA that catalysis has

the significance of a national, key technology: “Our current position of world leadership can be attributed to our strength in the field of chemical catalysis.” It is estimated that 20% of the gross national product of the USA “is generated through the use of catalytic processes that assist in satisfying such diverse societal needs as food production, energy conservation, defense technologies, environment protection, and health care On the horizon, the extensive use of catalysis will tap new energy sources… Chemical catalysis will figure strongly in the health of our chemical industry… Organometallic catalysis will continue as a large active

branch of chemistry involving synthesis” [Opportunities in Chemistry, American Academy of Sciences, Washington 1988]

ụõt tớnh Nhiệt đ

ộng học Cõn bằng

Từ khi được phát minh khái niệm xúc tác đến nay, xúc tác đã và đang đóng vai trò quan trong, nhiều khi mang tính quyết định trong sự phát triển văn minh nhân loại

Ví dụ, sự phát minh xúc tác tổng hợp amôniắc biến công nghiệp hoá chất thành bạn đồng hành không thể thiếu cho nông nghiệp, đảm bảo cái ăn cho 6 tỷ cư dân trái đất, ứng dụng xúc tác zeolit biến hoá dầu thành một thế lực kinh tế hùng mạnh Mặc dù vậy, như hình trên sự phát triển của kiến thức trong khoa học xúc tác còn

xa mới theo kịp sự phát triển của sản xuất Có thể nói xúc tác, nhất là xúc tác dị thể,

là một trong những đối tượng khó nghiên cứu nhất trong hoá học: hiểu xúc tác đòi hỏi rất nhiều kiến thức, từ kiến thức chế tạo vật liệu, đặc trưng vật liệu tới hiểu biết

về cơ chế phân tử của các phản ứng bề mặt

Năm 1836 Berzelius ghi nhận rằng có một số chất tăng vận tốc nhưng bản thân

chúng không đổi sau phản ứng Ông cho rằng các chất này làm dãn các liên kết trong các chất phản ứng, bằng cách đó làm các phân tử chất phản ứng dễ phản ứng

hơn và kết quả là tăng tốc độ phản ứng Sự gia tăng tốc phản ứng được gọi là hiện tượng xúc tác hay catalysis (bắt nguồn từ tiếng Hy Lạp: Kata = hoàn toàn, lein = bị dãn) và chất gây ra là xúc tác-catalyst Cũng có trường hợp chất cho thêm làm

chậm phản ứng, trước kia người ta gọi là xúc tác âm, tuy nhiên khái niệm này hiện

nay hầu như không dùng và được quy cho hiện tượng ức chế Nói chung xúc tác

được coi là “chất tham gia một cách tuần hoàn vào phản ứng, làm tăng tốc độ phản ứng nhưng bản thân không thay đổi về mặt hoá học”

Về mặt vật lí, xét về khía cạnh phân bố theo pha, xúc tác được chia làm hai nhóm

gồm xúc tác mixel, xúc tác chuyển pha, xúc tác men (vi dị thể)

Dung môi: H2O

Mới, đang phát triển, nhiều triển vọng

Sản xuất phân đạm:

Fe(K2O)/Al2O3

N2 + 3H2 ⎯→ 2NH3 450-550 o C, 300-700 atm

Dung môi: n-hexan

Công nghiệp hydrô:

Ni

CH4 + H2O → H2 + CO

700-1000 o C ZnO(Cr2O3)

CO + H2 ⎯⎯⎯→ CH3OH

320-400 o C, 250-350atm MeOX/SiO2

CO + H2 ⎯⎯⎯→ CxHy

220-350 o C, 30-60atm Xúc tác đồng thể thường là các ion, phức kim loại Nhờ khả năng phân bố đồng đều trong môi trường phản ứng nên xúc tác đồng thể có hiệu quả tới từng phân tử xúc tác, trong nhiều trường hợp nó có độ chọn lọc rất cao, tuy nhiên cũng do đặc

điểm này người ta nói xúc tác đồng thể có tính công nghệ kém, nghĩa là nó khó

tách được ra khỏi sản phẩm sau phản ứng nên mặc dù hoạt tính và độ chọn lọc vượt trội so với xúc tác dị thể số quá trình sử dụng xúc tác dị thể trong thực tế vẫn

còn rất ít Nhóm xúc tác đặc thù là xúc tác men hay còn gọi là xúc tác sinh học là

một bước phát triển rất được mong đợi Đây là các quá trình mô phỏng các quá trình chuyển hoá sinh hoá trong thế giới sống, vì vậy nó không cần nhiệt độ cao, áp suất cao mà vẫn có hoạt tính rất cao, đặc biệt độ chọn lọc gần như tuyệt đối Tuy nhiên cũng do tính công nghệ kém nó vẫn chưa được ứng dụng nhiều Để phát huy thế mạnh về hoạt tính và độ chọn lọc, khắc phục tính công nghệ kém của xúc tác

đồng thể và men, gần đây người ta đẩy mạnh xu hướng dị thể hoá xúc tác loại này Cách phân loại thứ hai là theo bản chất phản ứng mà chúng thực hiện, ta có hai nhóm chính là xúc tác axit-bazơ và xúc tác ôxi hoá-khử

1 Ví dụ xúc tác

MnO2 (1) 2KClO3 ⎯→ 2KCl + 3O2

CuCl2 (2) 4HCl + O2 ⎯→ 2H2O + 2Cl2

Pt (3) H2O2 ⎯→ H2O + O

Hiện tượng xúc tác thường đi kèm với các hiện tượng ức chế, đầu độc; có thể lẫn với các hiện tượng tự xúc tác, phản ứng kèm nhau Chất xúc tác có thể là bất kể chất nào, một phân tử như trong xúc tác men, xúc tác đồng thể, một tập hợp

nguyên hay phân tử như trong xúc tác kim loại Xúc tác dị thể là hiện tượng phản ứng bề mặt, vì vậy bề mặt càng lớn xúc tác càng hoạt động Trường hợp xúc tác dị thể là kim loại hay ôxit chúng có thể được phân tán để phát triển bề mặt dưới dạng bột mịn, dạng lưới kim loại hay mang trên chất mang, thường là trơ, có bề mặt phát triển Sau đây là các khái niệm vừa nêu

2 Hiện tượng ức chế

Hiện tượng một chất làm chậm phản ứng được gọi là sự làm chậm hay hiện tượng

ức chế, chất gây ra hiện tượng này được gọi là chất ức chế Ví dụ:

[Acetanilide]

(1) 2H2O2 ⎯⎯⎯→ 2H2O + O2

[Alcol]

(2) 4CHCl3 + 3O2 ⎯⎯→ 4COCl2 + 2H2O + 2Cl2

(3) Hiện tượng chống kích nổ động cơ xăng bằng chì tetraetyl

Hiện tượng ức chế thường dễ bị lẫn lộn với hiện tượng đầu độc

Hình 6.1 Đường cong nồng độ sản phẩm - thời gian của phản ứng tự xúc tác

Trong phản ứng tự xúc tác đường cong động học có dạng chữ S (Hình 6.1), theo đó lúc đầu khi nồng độ sản phẩm (chất xúc tác) nhỏ thì tốc độ phản ứng nhỏ, nồng độ sản phẩm không đáng kể, khi nồng độ sản phẩm đạt đến một giá trị nào đó tốc độ phản ứng tăng rất nhanh, sau đó giảm dần và tiến về không khi chất phản ứng tiêu thụ hết

4 Hiện tượng phản ứng kèm nhau

Trong một hệ khi phản ứng này làm tăng tốc độ phản ứng khác, điều này sẽ không

xảy ra nếu phản ứng xảy ra trong các hệ biệt lập, khi đó ta có hiện tượng phản ứng kèm nhau hay cảm ứng hoá học hay cảm ứng xúc tác (induced catalysis)

Ví dụ:

1 Na arsenit không bị ôxi hoá bởi ôxi không khí, tuy nhiên ôxi dễ dàng ôxi hoá Na sulphit Khi trộn hai chất với nhau chúng dễ dàng cùng bị ôxi hoá Như vậy sự ôxi hoá Na sulphit đã tăng tốc sự ôxi hoá Na arsenit

2 Thuỷ ngân clorua bị khử rất chậm bởi axit oxalic, trong khi đó KMnO4 phản ứng tức thì với axit oxalic Nếu trộn lẫn thuỷ ngân clorua với hỗn hợp axit oxalic và KMnO4, cả hai chất ôxi hoá đều bị khử rất nhanh Sự khử KMnO4 đã tăng tốc phản ứng khử thuỷ ngân clorua

lâu hơn, phần thể hiện tính xúc tác được gọi là pha hoạt tính hoặc pha xúc tác Chất mang thường là các vật liệu trơ, có bề mặt lớn Khi pha xúc tác được cố định

trên chất mang, nó sẽ được phân tán đều, trong nhiều trường hợp tới quy mô đám

nguyên (phân) tử, đó là các tâm hoạt động Ngoài vai trò như là giá đỡ pha xúc tác

hoạt động và phân bố lại các tâm hoạt động, chất mang còn có tác dụng như dung lượng “đệm” làm giảm nhẹ tác động xấu của nhiệt phản ứng, chất độc lên bản thân pha xúc tác

Ví dụ, trong phản ứng tổng hợp metanol:

ZnO

CO + 2H ⎯→ CH3OH Cr2O3 vừa là chất mang vừa là là chất xúc tiến cho xúc tác ZnO

Sự tăng hoạt tính xúc tác bởi sự có mặt của các thành phần không có tính xúc tác là hiện tượng thường gặp trong xúc tác dị thể Thông thường chất cho thêm gia tăng

bề mặt hoạt động, đôi khi kết hợp với chất xúc tác tạo thành những tâm hoạt động mới, có hoạt tính cao hơn

Sự tăng hoạt tớnh xỳc tỏc cú thể đạt được nhờ hiệu ứng cộng hưởng Sự cộng

hưởng là hiện tượng xỳc tỏc hỗn hợp cú hoạt tớnh lớn hơn tổng hoạt tớnh của hai pha xỳc tỏc riờng rẽ Hiệu ứng này rất khú dự đoỏn, cựng với cỏc chất xỳc tiến, đõy cũn là vựng đen trong nghiờn cứu xỳc tỏc, vỡ vậy khi lựa chọn xỳc tỏc người ta

thường bắt đầu từ cỏc thớ nghiệm sàng lọc để lựa chọn những nhúm chất cú tiềm

năng nhất để nghiờn cứu sõu hơn

6 Hiện tượng đầu độc và chất độc

Đụi khi xỳc tỏc giảm hoạt tớnh khi cú mặt lượng nhỏ một chất nào đú, chất này

thường là tạp chất trong hỗn hợp phản ứng, đõy là trường hợp xỳc tỏc bị đầu độc, chất gõy ra hiện tượng này gọi là chất độc

Xột vớ dụ là phản ứng:

[Pt]

2H2 + O2 ⎯→ H2O Đõy là phản ứng rất quyết định trong pin nhiờn liệu chạy bằng hyđrụ, hoạt tớnh ụxi hoỏ của Pt bị đầu độc bởi sự cú mặt của vài chục ppm CO

Trong phản ứng tổng hợp amụniắc:

[Fe]

N2 + 3H ⎯→ 2NH3 Chất độc với Fe là H2S, đõy cũng là chất độc đối với phần lớn cỏc xỳc tỏc kim loại

Cơ chế đầu độc khỏ đa dạng Phổ biến là do tương tỏc giữa chất độc với xỳc tỏc tạo thành hợp chất khụng cú hoạt tớnh, (vớ dụ phản ứng Fe + H2S → FeS + H2) hoặc tạo cỏc phức bề mặt do hấp phụ mạnh (vớ dụ trường hợp CO và Pt)

Trong định nghĩa xúc tác cần lưu ý:

ư Trước: xúc tác âm dương Thực ra âm là trường hợp ức chế, có tiêu hao

ư Trước: chưa khẳng định tham gia, bây giờ có

ư Trước: không đổi sau phản ứng, bây giờ: không đổi về mặt hoá học

ư Xúc tác không thay đổi K, chỉ thay đổi W đạt K, ví dụ:

Cơ chế chung:

Theo thuyết phức hoạt động phản ứng không xúc tác xảy ra theo phương trình (i)

A + B [AB]# ⎯→ SP (i) Tương tự, phản ứng xúc tác xảy ra theo phương trình (ii), điều này có nghĩa là xúc tác K đã tham gia một cách tuần hoàn vào phản ứng bằng cách tạo phức trung gian với chất phản ứng và được hoàn trả sau phản ứng như định nghĩa

A + B + K [ABK]# ⎯→ SP + K (ii) Khi thực hiện phản ứng, xúc tác lái phản ứng theo con đường khác, đấy là con

đường tạo phức trung gian mới [ABK]#, có năng lượng hoạt hoá thấp hơn so với con

đường tạo phức không xúc tác [AB]# (hình 6.2), nhờ sự giảm E a hằng số tốc độ k

tăng nhiều lần (xem phương trình Arrhenius)

Hỡnh 6.2 - Cơ chế chung của xỳc tỏc: tạo phức trung gian mới, giảm năng lượng hoạt hoỏ

W = −

dt

]CHOCH[

= k [I2]1/2 [CH3CHO]; k = 1

1-2k

kxt = ko + kH+ [H3O ] (3) Nếu xúc tác là bazơ thì:

R

Để xác định các k tương ứng phải đo động học trong điều kiện lực ion I = const và

pH thay đổi (dùng các dung dịch đệm)

Xét phản ứng xúc tác axit, giả sử kH+ >> k0 (axit mạnh) Khi đó (3) trở thành:

3

4

6.2.2 Xúc tác axit/bazơ chung (mở rộng)

Nếu W phụ thuộc vào nồng độ axit (HA) hoặc bazơ [Aư] ta có xúc tác A/B chung Khi đó: kxt = kHA [HA] + kAư [Aư

Với cân bằng HA = H+ + A- thì nồng độ [A-] là đại lượng phụ thuộc vào giá trị của

pH Lấy hai giá trị pH1 và pH2 ta có

]A[

]HA[

ư = x1 và x2 tương ứng, khi đó (9) có thể viết dưới dạng:

kxt = kHA [HA] + kAư

1

x

]HA[ = ⎜⎜⎝⎛ + ⎟⎟⎠⎞

ư

1

A HA

2

A HA

Hỡnh 6.3- Đồ thị thực nghiệm để giải hệ phương trỡnh (10), (11)

Hình này phải đi qua gốc toạ độ

Như vậy, cùng với (6), (8) ta xác định được tất cả các hằng số k trong (1) → tính

định được kHA và kAư

Ví dụ : Với phản ứng iôt hoá axeton, Bell và Johnes xác định được:

ko = 5.10ư10 sư1, kH+ = 1,6.10ư3 molư1.λ sư1; kOHư = 1,5 molư1.λ sư1; kHA = 5.10ư6

molư1λ sư 1, kAư = 15.10ư6 (mol/λ)ư1.sư1

6.2.3 Biểu thức (định luật) Bronsted

Trong xúc tác A/B, hằng số phân li A/B liên quan với hoạt tính xúc tác

[HA]

Ka =

HA

]A[]OH[ 3 + −

Theo Bronsted, với axit HA: kxt = a K αa (12)

Ka − hằng số phân li của axit, α và a là hằng số đặc tr−ng cho hệ phản ứng ở T

đã định = 0 ữ 1 đặc tr−ng cho dung môi ở nhiệt độ cụ thể

q

q

kxt = a

6.3.1 Khỏi niệm enzim (enzymes)

Là cỏc protein cú khả năng xỳc tỏc (tăng tốc) phản ứng hoỏ học [1 Smith A.D (Ed) et

al (1997) Oxford Dictionary of Biochemistry and Molecular Biology Oxford University Press] Trong cỏc phản ứng enzim (và trong sinh học) cỏc phõn tử chất phản ứng được gọi

là cơ chất (substrates) Hầu hết cỏc phản ứng trong cơ thể sống xảy ra nhờ tỏc dụng

của enzim Do enzim rất chọn lọc đối với cơ chất và chỉ xỳc tỏc một vài phản ứng

cụ thể trong số vụ số khả năng phản ứng nờn tập hợp enzim trong tế bào sẽ quyết định cỏc con đường chuyển hoỏ sinh học xảy ra trong tế bào

Tương tự cỏc loại xỳc tỏc khỏc, enzim tỏc động chủ yếu bằng cỏch giảm năng lượng hoạt hoỏ (E a or ΔH # ) của phản ứng, bằng cỏch đú chỳng tăng rất mạnh tốc

độ phản ứng Phần lớn cỏc phản ứng enzim cú tốc độ lớn hơn phản ứng khụng xỳc tỏc hàng triệu lần Cũng như xỳc tỏc thụng thường, enzim được bảo toàn sau phản ứng, và enzim khụng thay đổi cõn bằng phản ứng Tuy nhiờn enzim cú những đặc trưng khỏc xỳc tỏc hoỏ học

Hiện nay người ta biết được khoảng 4.000 phản ứng enzim [2 Bairoch A (2000) " The ENZYME database in 2000" Nucleic Acids Res 28: 304–305] Mặc dự tất cả cỏc enzim là

cỏc protein, nhưng khụng phải tất cả cỏc xỳc tỏc sinh hoỏ là enzim, vớ dụ một vài

phõn tử RNA ( ribozymes ) cũng xỳc tỏc một số phản ứng [3 Lilley D (2005) "Structure,

folding and mechanisms of ribozymes" Curr Opin Struct Biol 15 (3): 313-23] Hiện đó xuất

hiện enzim tổng hợp nhân tạo (artificial enzymes) có tác dụng như xúc tác enzim [4 Groves JT (1997) "Artificial enzymes The importance of being selective" Nature 389 (6649):

329-30] Đây chính là một hướng phát triển khoa học công nghệ enzim theo hướng

công nghệ chuyển hoá (metabolic engineering)

Hình 6.4- Mô hình enzim TIM (triosephosphate isomeraza) vây quanh bởi không gian protein

TIM là men chuyển hoá đường thành năng lượng trong cơ thể động vật

Hoạt tính enzim bị ảnh hưỏng mạnh bởi các phân tử xung quanh Các chất giảm

hoạt tính enzim gọi là chất ức chế (Inhibitors); các chất tăng hoạt tính enzim gọi là chất hoạt hoá (activators) Nhiều loại thuốc kích thích và chất độc là chất ức chế

enzim Hoạt tính enzim cũng chịu ảnh hưởng mạnh của nhiệt độ, môi trường (ví dụ, pH), và nồng độ cơ chất Một số enzim đã được sử dụng công nghiệp, nhất là trong sản xuất kháng sinh Trong một số sản phẩm dân dụng cũng chứa enzim, ví dụ xà phòng bột chứa enzim để phân huỷ, làm sạch các vết dầu mỡ, thức ăn; một số bột gia vị chứa enzim phân rã protein trong thịt làm thịt mau dừ

Trong thế kỉ 19 khi nghiên cứu hiện tượng lên men rượu, Louis Pasteur cho rằng quá trình lên men được xúc tác bởi những chất đặc biệt mạnh chứa trong các tế bào nấm men và gọi chúng là “men” (ferments), men được cho là có trong các tế bào sống Ông viết “sự lên men rượu liên quan đến sự sống và tổ chức của các tế bào nấm men, không tồn tại trong các tế bào chết hoặc thối rữa” (alcoholic fermentation is an act correlated with the life and organization of the yeast cells, not with the death or putrefaction of the cells)[7 Dubos J (1951) "Louis Pasteur: Free Lance of Science, Gollancz Quoted in Manchester K L (1995) Louis Pasteur (1822–1895)—

chance and the prepared mind." Trends Biotechnol 13 (12): 511–515] Năm 1878 nhà sinh lí

học Đức Wilhelm Kühne (1837–1900) đề xuất thuật ngữ enzyme, xuất xứ từ tiếng

Hy Lạp ενζυμον "trong men bánh", để mô tả quá trình Thuật ngữ enzyme sau này

được sử dụng cho cả các chất không sống như pepsin, và từ ferment sử dụng cho các chất trong cơ thể sống

Năm 1897 Eduard Buchner bắt đầu nghiên cứu khả năng của dịch chiết men bia để lên men đường mặc dầu không có tế bào sống Trong các thí nghiệm ở Trường Tổng hợp Berlin, ông đã ghi nhận là đường vẫn lên men mặc dù không có tế bào

sống trong hỗn hợp [8 Nobel Laureate Biography of Eduard Buchner at http://nobelprize.org] Ông đặt tên cho enzim gây

ra sự lên men đường là "zymase" [9 Text of Eduard Buchner's 1907 Nobel lecture at http://nobelprize.org] Năm

1907 ông nhận giải Nobel hoá học "về nghiên cứu sinh hoá và phát minh sự lên men ngoài tế bào" Sau Buchner; enzim thường được đặt tên theo phản ứng

chúng gây và thêm đuôi –aza (tiếng Anh: -ase) Ví dụ,

lactaza là tên men phân huỷ lactose hoặc đặt tên theo phản ứng, ví dụ, DNA polymeraza là men tạo DNA polyme

protein tinh khiết có thể là enzim cuối cùng được Northrop và Stanley chứng minh,

họ đã nghiên cứu trên cơ sở các enzim phân huỷ pepsin (1930), trypsin và chymotrypsin Năm 1946 hai ông đoạt giải Nobel hoá học [10 1946 Nobel prize for Chemistry laureates at http://nobelprize.org]

Phát minh về khả năng kết tinh enzim riêng rẽ cho phép người ta xác định cấu trúc bằng phương pháp phân tích cấu trúc Rơnghen Đầu tiên, năm 1967 nhóm nghiên cứu của David Chilton Phillips xác định cấu trúc lysozym là enzim tách được từ nước mắt, nước bọt và lòng trắng trứng có khả năng phân huỷ màng vi khuẩn [11 Blake CC, Koenig DF, Mair GA, North AC, Phillips DC, Sarma VR (1965) "Structure of hen

egg-white lysozyme A three-dimensional Fourier synthesis at 2 Angstrom resolution." Nature 22

(206): 757–761] Đây có thể coi là các công trình bắt đầu của ngành sinh học cấu trúc

(sinh học phân tử) cho phép ta tiếp cận cơ chế phản ứng enzim ở mức phân tử ngày

càng chi tiết

6.3.3 Cấu trúc và cơ chế

Enzim là các protein có phân tử khối rất khác nhau, từ loại phân tử khối nhỏ như là 4-oxalocrotonat tautomeraza có 62 đoạn axit amin trong một phân tử [12 Chen LH, Kenyon GL, Curtin F, Harayama S, Bembenek ME, Hajipour G, Whitman CP (1992) "4-

Oxalocrotonate tautomerase, an enzyme composed of 62 amino acid residues per monomer" J

Biol Chem 267 (25): 17716-21], tới loại lớn với hơn 2.500 axit amin như men fatty acid synthaza tổng hợp axit béo trong cơ thể động vật [13 Smith S (1994) " The animal fatty acid synthase: one gene, one polypeptide, seven enzymes" FASEB J 8 (15): 1248–59]

Hoạt tính của enzim được quyết định bởi cấu trúc không gian của chúng [14

Anfinsen C.B (1973) "Principles that Govern the Folding of Protein Chains"

Science: 223–230] Phần lớn các phân tử enzim có kích thước lớn hơn nhiều kích

thước cơ chất chúng sẽ chuyển hoá, mặc dù chỉ có phần nhỏ phân tử enzim (khoảng 3-4 axit amin) thực sự có tác dụng xúc tác [15 The Catalytic Site Atlas at The European Bioinformatics Institute] Vùng phân tử chứa nhóm xúc tác này được gọi là tâm hoạt động Enzim cũng chứa các nhóm hỗ trợ xúc tác được gọi là yếu tố trợ enzim???? (cofactors) Phần phân tử enzim xung quanh tâm hoạt động có tác dụng định hướng cơ chất hoặc sản phẩm thông qua các tương tác phân tử Các tương tác

này có thể tăng hoặc giảm hoạt tính enzim và được gọi là sự điều chỉnh ngược

(feedback regulation)

Tương tự các protein, enzim được cấu tạo từ các axit amin mạch dài, nhờ vậy chúng có thể thay đổi cấu hình tạo các cấu trúc không gian thứ cấp Mỗi trật tự axit amin sẽ có một cấu trúc đặc trưng, từ đây dẫn tới các tính chất đặc trưng của enzim Các “dây” protein riêng biệt có thể tương tác tạo nhóm gọi là phức protein (protein complex) Các enzim có thể bị mất tính chất tự nhiên (denatured), ví dụ, các cấu trúc phức bị phá, dây protein bị doãng ra, khi đó chúng bị mất hoạt tính do mất cấu trúc không gian đặc trưng Tuỳ loại enzim, quá trình này có thể thuận nghịch hoặc bất thuận nghịch

Một số enzim thể hiện khả năng copi và tái tạo genome Các enzim này có cơ chế

"đọc -thử” (proof-reading) Ví dụ, enzim DNA polymeraza xúc tác phản ứng ở bước 1 sau đó kiểm soát sản phẩm ra ở bước hai có đúng không [17 Shevelev IV,

Hubscher U (2002) "The 3' 5' exonucleases." Nat Rev Mol Cell Biol 3 (5): 364–376] Quá

trình hai bước này có xác suất sai lệch nhỏ hơn 1 phần triệu, nghĩa là độ chính xác

rất cao được thực hiện trong các quá trình polime hoá trong cơ thể động vật có vú [18 Berg J., Tymoczko J and Stryer L (2002) Biochemistry W H Freeman and Company]

Tương tự, RNA polymeraza [19 Zenkin N, Yuzenkova Y, Severinov K (2006)

"Transcript-assisted transcriptional proofreading." Science 313: 518–520], aminoacyl tRNA synthetaza

[20 Ibba M, Soll D (2000) "Aminoacyl-tRNA synthesis." Annu Rev Biochem 69: 617–650] và

ribosome [21 Rodnina MV, Wintermeyer W (2001) "Fidelity of aminoacyl-tRNA selection on

the ribosome: kinetic and structural mechanisms." Annu Rev Biochem 70: 415–435] cũng có

cơ chế “đọc - thử”

Một số emzim sinh ra các cơ chất thứ cấp sẽ tham gia các quá trình chuyển hoá tiếp theo (secondary metabolites), khi đó, do tính đa dạng của cơ chất chúng sẽ phải phản ứng với nhiều cơ chất khác nhau (giảm tính chọn lọc, tạm gọi là chọn lọc băng rộng) Tính chọn lọc băng rộng được coi là quan trọng trong sự tiến hoá của các con đường sinh tổng hợp [22 Firn, Richard The Screening Hypothesis - a new explanation of secondary product diversity and function ]

6.3.5 Cofactor và coenzym

Cofactor-Tác nhân hỗ trợ

Có một số enzim có thể không cần tác nhân thứ ba cũng hoạt động Tuy nhiên, một

số enzim lại cần có các chất hỗ trợ mới thể hiện đầy đủ hoạt tính, các chất này là

các phân tử không-protein, chúng được gọi là chất (yếu tố) trợ enzim (cofactor)

Các chất trợ enzim có thể là chất vô cơ (ví dụ như các ion kim loại hoặc cặp nhóm sắt-sulphua) hoặc các hợp chất hữu cơ đặc thù (ví dụ như flavin hay heme) Các chất trợ enzim còn được gọi là (coenzymes) thường có các nhóm chức phù hợp với các enzim mà chúng hỗ trợ và có thể liên kết với phân tử enzim mà chúng hỗ trợ ở

vị trí thích hợp cho phản ứng Các chất hỗ trợ nếu liên kết chặt với enzim, ví dụ NADH sẽ không rời khỏi phân tử enzim trong quá trình phản ứng

Ví dụ enzim chứa cofactor là carbonic anhydraza, mô hình 6.XX cho thấy nguyên

tử Zn, yếu tố trợ enzim, nằm gần như ở tâm của tâm hoạt động [39 Fisher Z, Hernandez Prada JA, Tu C, Duda D, Yoshioka C, An H, Govindasamy L, Silverman DN and McKenna R (2005) "Structural and kinetic characterization of active-site histidine as a proton

shuttle in catalysis by human carbonic anhydrase II." Biochemistry 44(4): 1097-115] Các

cofactor liên kết mạnh này thường gặp ở tâm hoạt động và chúng tham gia tích cực vào cơ chế phản ứng enzim Ví dụ, cofactor flavin và heme thường tham gia vào các phản ứng ôxi hoá khử

Những Enzym cần cofactor nhưng không tạo liên kết cofactor được gọi là các

apoenzym (apoenzymes) Khi apoenzym đi cùng với các cofactor của chúng thì gọi là holoenzym (holoenzyme) (dạng hoạt động) Phần lớn cofactor không liên

kết cộng hoá trị với enzim nhưng liên kết vẫn rất bền, trừ các nhóm chức hữu cơ của cofactor hữu cơ là có thể tạo liên kết (ví dụ, cofactor tiamin pyrophosphat trong enzym pyruvat dehydrogenaza)

Coenzym

Hình 6.5- Mô hình không gian ( Space-filling model ) của coenzym NADH

Coenzym là các phân tử nhỏ, chúng có chức năng vận chuyển các nhóm, phân tử

cơ chất từ enzim này đến enzim khác [40 AF Wagner, KA Folkers (1975) Vitamins and

coenzymes Interscience Publishers New York] Một số chất hoá học, ví dụ riboflavin, thiamin và folic axit là các vitamin, chúng không thể tổng hợp trong cơ thể mà chỉ

có trong thức ăn Các nhóm cần vận chuyển bao gồm ion hydrua (H-) được vận chuyển bởi NAD hoặc NADP+, nhóm axetyl được vận chuyển bởi coenzym A, nhóm formyl, metenyl hay metyl được vận chuyển bởi folic axit và nhóm metyl được vận chuyển bởi S-adenosylmetionin

Vì coenzym cũng có thể chuyển hoá trong phản ứng enzim, vì vậy có thể coi chúng

là các cơ chất đặc biệt, và khá nhiều enzim cần tới chúng mới phát huy được hoạt tính Ví dụ, hiện nay đã tìm được tới 700 enzym sử dụng coenzym là NADH [41 BRENDA The Comprehensive Enzyme Information System] Coenzym có thể được tái tạo

để tồn tại trong cơ thể ở mức ổn định, ví dụ NADPH được tái sản xuất thông qua chu trình sinh hoá pentoza phosphat (pentose phosphate pathway) và S-adenosylmetionin bởi men metionin adenosyltransferaza

6.3.6 Cơ chế “chìa và khoá”

Ngay từ 1894 Emil Fischer đã giải thích độ chọn lọc, tính rất đặc trưng của enzim bằng cấu trúc phức tạp của nó chỉ phù hợp với cơ chất đặc trưng [23 Fischer E (1894) " Einfluss der Configuration auf die Wirkung der Enzyme" Ber Dt Chem Ges 27: 2985–

2993] Đây là nội dung cơ chế “chìa – khoá” trong đó enzim là khoá, cơ chất là chìa

Cơ chế này phù hợp khi giải thích tính chọn lọc của enzim, tuy nhiên không phù hợp khí lí giải sự ổn định của các trạng thái trung gian hình thành trong phản ứng

Hình 6.6- Cơ chế chìa và khoá

Cơ chế mô hình cảm ứng phù hợp

Năm 1958 Daniel Koshland đề xuất thay đổi cơ chế chìa – khoá bằng cơ chế cảm ứng phù hợp Bản thân enzim là một đại phân tử có cấu trúc mềm dẻo linh hoạt, khi đó tâm hoạt động có thể thay đổi cấu hình để phù hợp với cơ chất khi S tới gần ,

sự thay đổi này tiếp diễn liên tục qua các giai đoạn trung gian tới khí giải phóng sản phẩm [24 Koshland D E (1958) " Application of a Theory of Enzyme Specificity to Protein Synthesis" Proc Natl Acad Sci 44 (2): 98–104; 26 Boyer, Rodney [2002] "6",

Concepts in Biochemistry, 2nd ed (in English), New York, Chichester, Weinheim, Brisbane,

Singapore, Toronto.: John Wiley & Sons, Inc., 137–138]

Hình 6.7- Sơ đồ mô tả cơ chế cảm ứng phù hợp

Sự thay đổi này có được nhờ các cấu trúc chuỗi axit amin xung quanh tâm hoạt động, phân tử S không đơn giản là liên kết với tâm hoạt động mà vào khớp với cấu trúc của tâm sao cho thuận lợi nhất cho hoạt động xúc tác của tâm Trong một số trường hợp, ví dụ các men glycosidase, phân tử cơ chất cũng thay đổi cấu hình chút ít để phù hợp với tâm hoạt động [25 Vasella A, Davies GJ, Bohm M (2002)

"Glycosidase mechanisms." Curr Opin Chem Biol 6 (5): 619–629]

Enzym có độ chọn lọc gần như tuyệt đối Ví dụ zymaza chiết từ nấm men xúc tác

phản ứng lên men dextrose rất mạnh hoàn toàn không lên men được đường mía

6.3.7 Nhiệt động học

Xét giản đồ năng lượng của một phản ứng sinh hoá, ví dụ phản ứng ôxi hoá glucô

để tạo năng lượng Trường hợp không xúc tác hàng rào năng lượng lớn hơn nhiều

so với trường hợp phản ứng enzim Điều này có nghĩa là để leo tới trạng thái chuyển tiếp trường hợp đầu cần cấp nhiều năng lượng cho các phân tử để chúng có thể chuyển thành trạng thái chuyển tiếp Trong trường hợp phản ứng enzim, nhờ tương tác đặc thù nó dễ dàng tạo phức chuyển tiếp với chi phí năng lượng rất thấp, nhờ đó phản ứng có thể xảy ra ở nhiệt độ thường

Tương tự như các xúc tác hoá học, enzym không thể thay đổi cân bằng hoá học, chúng chỉ tăng tốc độ đạt cân bằng Trong thế giới enzim cũng có trường hợp phản ứng kèm nhau, đó là trường hợp một phản ứng enzim rất thuận về mặt nhiệt động

có thể kéo theo một phản ứng khác nghịch về mặt nhiệt động Ví dụ, sự thuỷ phân ATP thường kèm theo nhiều phản ứng khác

Hình 6.8- Mô hình dạng băng (Ribbon-diagram) của carbonic anhydraza II Hình cầu xám ở

giữa tâm hoạt động là cofactor zinc (lấy từ PDB 1MOO )

Enzym xúc tác cho phản ứng thuận và nghịch tương tự nhau, điều này có nghĩa là chúng không thay đổi cân bằng nhưng tăng tốc độ đạt cân bằng Ví dụ enzim carbonic anhydraza xúc tác cả hai phản ứng, phản ứng nào thì phụ thuộc vào nồng

độ cơ chất:

Carbonic anhydraza

CO2 + H2O ⎯⎯⎯⎯⎯⎯→ H2CO3 (phản ứng trong tế bào, nơi nồng độ CO2 cao)

Carbonic anhydraza

H2CO3 ⎯⎯⎯⎯⎯⎯→ CO2 + H2O (phản ứng trong phổi, nơi nồng độ CO2 thấp)

6.3.8 Động học enzim

Cơ chế của phản ứng enzym là cơ chế tạo phức hoạt động được mô tả trên sơ đồ sau:

Trong thực tế nồng độ cơ chất thường lớn hơn nhiều so với nồng độ enzym, vì vậy phần cơ chất tham gia tạo phức ES rất nhỏ Nồng độ tổng của enzym [E]T được coi

là tổng của enzym [E] và nồng độ phức [ES], nghĩa là:

[E] T = [E] + [ES]

1 S

k k

S E k E

1

k k

S E k E

E T

+ +

=

[ ]S k k k

E k k

1 2

' 1 2

' 1 + +

E S k

1 2

' 1

1 + +

k k

E S k S k k k

E S k k

M

T T

T

+

= + +

= +

+

2

1 2

' 1

2 1

2

' 1

2

Trong đó K M là hằng số Michaelis Menten

Nếu [S] rất nhỏ, ta có [S] << K M khi đó phương trình (5) đơn giản thành:

W = (k 2 /K M )[E] T [S] (6) Trong trường hợp này phản ứng tuân theo luật bậc 1 đối với cơ chất S và đồ thị W-[S] có dạng đường thẳng qua gốc toạ độ ở vùng nồng độ thấp (Hình 6.9)

Hình 6.9- Đồ thị vận tốc - nồng độ cơ chất trong phản ứng xúc tác enzym

Khi nồng độ cơ chất S rất lớn, ứng với [S] >> KM, phương trình tốc độ có dạng:

Như vậy, phản ứng bậc không theo S và tốc độ là hằng số, ta gọi là tốc độ đã bão hoà và đồ thị W - [S] là đoạn nằm ngang như trên Hình 6.9 Khi [S] rất lớn giá trị

W đạt maximum, nghĩa là Wmax = k2[E] T

Thay k2 [E] T =Wmax vào phương trình (5) ta có:

W= [ ]

[ ]S K

S M

Như vậy, hằng số K M có ý nghĩa là nồng độ cơ chất S mà ở đó W = (1/2)W m

Giá trị của đại lượng K M là hằng số phụ thuộc bản chất enzym và cơ chất, ngoài ra

các yếu tố môi trường như nhiệt độ, pH, độ muối, lực ion cũng ảnh hưởng K M

nói lên khả năng tương tác enzym-cơ chất

Từ phương trình (8), để xác định các hằng số Wm và KM bằng thực nghiệm ta xử lí phương trình (8) bằng cách nghịch đảo hai vế, ta có:

[ ] m m

M S

K

W

1 W

Hỡnh 6.10- Đồ thị Lineweaver – Burk xỏc định W(R) max và K M

W

− max (8’)

Pt (8’) sử dụng tiện lợi hơn do số liệu thực nghiệm khi xử lí để đ−a lên đồ thị sẽ phân bố đều hơn (Chú ý: hình vẽ ng−ợc chiều????)

Ví dụ: Phản ứng phân huỷ [S] là metylhiđroxinamat khi có men ximotripxin ở 25oC,

1

và

]S[

W = f(W)

max

max

K W

1 W

tgα = 1

W [S]

WK

Từ (a): tgα =

max

W

K = 1,98.104.s

max

W

1 = 0,45.107 (λ/mol).s

Đồ thị (b) cho số liệu tốt hơn vì phân bố điểm thực nghiệm đều hơn

Khi pH thay đổi (vớ dụ tăng dần) tốc độ phản ứng enzim sẽ đạt giỏ trị cực đại ở giỏ

trị pH tối ưu nào đú như ở Hỡnh 6.7 Ảnh hưởng của yếu tố pH được giải thớch trờn

cơ sở coi tõm hoạt động sẽ tồn tại ở ba trạng thỏi phõn li là EH2, EH và E

EH2 là trạng thỏi tớch điện dương nhất (hay là ớt õm nhất) so với EH nú cú nhiều hơn một điện tớch dương, về phần mỡnh EH cú hơn E một điện tớch dương Để đơn

giản hoỏ trong sơ đồ dưới đõy sẽ khụng ghi số điện tớch Ka và Kb là cỏc hằng số

cõn bằng tương ứng Về phần mỡnh mỗi trạng thỏi của enzim đều cú thể tạo phức với cơ chất S, và giả sử chỉ cú phức EHS tạo thành sản phẩm, khi đú ta cú sơ đồ:

K b K a

EH2 == EH == E || K’ b k 1|| k 1 ’ K’ a ||

EH2S == EHS == ES ↓ k 2

Nếu đơn giản hoỏ cơ chế trờn bằng cỏch bỏ qua cỏc cõn bằng EH2+S = EH2S và E+S = ES ta cú sơ đồ:

K b K a

EH2 == EH == E K’ b k 1|| k 1 ’ K’ a

EH2S == EHS == ES ↓k2

KM = 4,51.10−3 mol/L

Wmax = 4,6.10−7 mol/L.s

KM = 4,6.10−3 mol/L

Wmax = 2,3.10− 7mol/L.s

2 1 1

b

a M

b

a

K

H H

K K

K

H H

K

S E k

Khi tiến hành thí nghiệm với các nồng độ [S] khác nhau ở các giá trị pH cố định ta

xác định được các giá trị k2, KM, Ka, K’a, Kb và K’b

Hình 6.11- Sự phụ thuộc tốc độ phản ứng enzim vào pH

Trong thực tế sự phụ thuộc tốc độ phản ứng enzim vào pH thường có dạng như

Hình 6.11

6.3.10 Ức chế trong phản ứng xúc tác enzym

Có một số hợp chất khi được đưa vào hỗn hợp phản ứng, dù với một lượng nhỏ, sẽ

làm giảm vận tốc, chúng được gọi là chất ức chế và hiện tượng tương ứng là hiện tượng ức chế

Đây chính là hiện tượng mà trước kia người ta quy cho là xúc tác “âm” Tuy nhiên

khác với xúc tác chất ức chế tham gia và bị tiêu hao trong phản ứng Hiện tượng ức

chế thường gặp trong các phản ứng dây chuyền, phản ứng enzym, phản ứng xúc tác dị thể

Ví dụ về chất ức chế: enzim catalyaza (catalyase) có M = 250.000 xúc tác phân

huỷ H2O2 đã giảm Ea từ 75 kJ/mol xuống 8 kJ/mol Phần lớn enzim có các tâm hoạt động chiếm một vị trí rất nhỏ so với toàn bộ đại phân tử protein Nếu một chất

lạ không phải cơ chất gắn vào các tâm hoạt động này enzim có thể đánh mất một

phần hoặc hoàn toàn hoạt tính Ví dụ: enzim ureaza (urease) xúc tác cho phản ứng

phân huỷ ure thành NH3 và CO2 Nếu cho một liều nhỏ các ion kim loại nặng như

Ag+, Pt2+, Hg2+ hoạt tính enzim sẽ giảm mạnh Trường hợp chất ức chế tương tác

bất thuận nghịch với enzim chúng được coi là chất độc Với các enzim peroxidaza, catalaza, và cytochrome oxidaza thì chất độc là HCN, H2S, và azit Một số dược phẩm có tác dụng tương tự chất ức chế những loại enzim cụ thể

Trong phản ứng xúc tác enzym Inh có thể tương tác thuận nghịch hoặc bất thuận nghịch với enzym hoặc với phức hoạt động Trong các tương tác bất thuận nghich

chất ức chế tạo sản phẩm mới với enzym, thực tế là chuyển thành chất khác, bằng cách đó vô hiệu hoá enzym Trong phản ứng ức chế thuận nghịch chất ức chế tạo

phức Inh-enzym Tuỳ vào các đặc trưng của tương tác này ta có ba kiểu ức chế

Nồng độ enzym tổng [E]T được tính theo:

[E] T = [E] + [ES] + [EInh] (iv) Theo nguyên lí nồng độ ổn định tìm được biểu thức tính [ES]:

[ES] = [ ][ ]

2

' 1

1

k k

S E k

Nồng độ EInhtính từ cân bằng (ii):

[EInh] = K I [E] [Inh] (vi) Thế [ES] từ (v), [EInh] từ (vi) vào (iv) ta có biểu thức tính [E] từ [E] T:

[ ]S K K [ ]Inh K

E K

I M M

T M

+

Tốc độ phản ứng bằng tốc độ giai đoạn phân huỷ phức [ES] nên ta có:

Tốc độ = k2[ ]ES (viii) Phối hợp (v), (vii) và (viii) ta thu được phương trình tốc độ phản ứng:

Tốc độ = k 2 [ ]

2

' 1

1

k k

S k

+

[ ] [ ]S K K [ ]Inh K

E K

I M M

T M

+ +

T

+ +

1

trong đó

1 2

' 1

k

k k

E

I M T

1 1

1 W

1

2 2

+ +

=

K E

M T

1 1

W

1

2

' 2

khác biệt nằm ở giá trị KM đã tăng thêm (1 + K I [Inh]) lần Từ độ dốc và điểm cắt

trục tung của đồ thị thực nghiệm (1/W) – (1/[S]) ta xác định được k2 và KM’ Khi

biết giá trị KM (từ thí nghiệm không có ức chế) ta có thể xác định được K I

2 Ức chế không cạnh tranh (phản ứng với ES)

Trong ức chế không cạnh tranh Inh tạo phức với phức ES tạo phức mới không hoạt động InhES:

[ES] = [ ][ ]

2

' 1

1

k k

S E k

+

2

' 1

1 2

' 1

1 1

k k

S Inh K k k k

I

T

1 1 2

' 1

2

' 1 + + +

I

T

1 1 2

' 1

1 + + +Như trước đây ta có phương trình vận tốc:

W = k2[ ]ES = [ ][ ]

[ ]S { K [ ]Inh}

K

E S k

I M

T

+ 1

k

Inh K

2 2

1 W

K E

M T

1 1

W

1

2

' 2

+

trong đó K M' =K M /(1 +k I[ ]Inh)

Hình 6.13- Đồ thị Lineweaver – Burk trong trường hợp thay đổi nồng độ ức chế [Inh]([I]) theo

cơ chế ức chế không cạnh tranh (phản ứng với ES)

Các giá trị của k2 và KM′ xác định được bằng đồ thị thực nghiệm

3 Ức chế “không” cạnh tranh-tạo phức với E

Trong ức chế “không” cạnh tranh, Inh tạo phức với cả enzym tạo phức EInh lẫn

phức với ES tạo phức mới không hoạt động InhES, phản ứng có thể xảy ra ở các

tâm khác trên phân tử E nhưng “không” cạnh tranh tâm hoạt động với S:

I I

M

' 2

1

Từ đây có thể nhận thấy là khi sự hình thành InES không xảy ra thì phương trình

(16) trở thành (12), và nếu InE không hình thành thì phương trình tốc độ có dạng

không cạnh tranh như (14)

T

+ +

I M

T

+ 1

Hình 6.14- Đồ thị Lineweaver – Burk trong trường hợp thay đổi nồng độ ức chế [Inh]([I]) theo

cơ chế ức chế „không” cạnh tranh