Bài giảng về enzime trong hóa sinh đại cương

Lớp 1: Oxidoreductase Xúc tác cho các phản ứng oxy hoá khử Bản chất: protein ph.tạp Vận chuyển: hydro, e - , gắn oxy vào cơ chất Phân thành các phân lớp theo nhóm chức năng nhường hyd

CHƯƠNG III ENZYME

NỘI DUNG

I ĐẠI CƯƠNG VỀ ENZYME

o Kh ái niệm

o Tên gọi và phân loại enzyme

II CẤU TRÚC VÀ CÁC DẠNG ENZYME

IV CƠ CHẾ XÚC TÁC CỦA ENZYME

V CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG TỚI HOẠTTÍNH XÚC TÁC CỦA ENZYME

I ĐẠI CƯƠNG VỀ ENZYME

• Khái niệm

• Enzyme: là chất xúc tác sinh học

(biocatalyst), làm tăng tốc độ các phản ứng hoá sinh

• Bản chất: protein (trừ ribozyme - RNA có khả năng xúc tác)

• Pt xúc tác: 1,3 x 103/s; NLHH: 11,7kcal/mol

• catalase xúc tác: 3,7.107/s; NLHH: 2kcal/mol

Ƣu điểm

• Có tính đặc hiệu theo kiểu phản ứng và cơ chất

• Thường xuyên được sử dụng rất nhiều, nhưng luôn

bị phân giải và tổng hợp trở lại theo nhu cầu.

• Tác dụng của enzyme có thể được điều khiển

Nhƣợc

điểm

• Rất mẫn cảm với hàng loạt yếu tố

• Xúc tác trong những điều kiện môi trường tương đối ổn định (to

khoảng 20- 40o C, áp suất khoảng 1 at, pH  7).

1.2 Đơn vị hoạt lực của enzyme

• Năm 1961, IUB (International Union of Biochemistry)

đưa ra đơn vị hoạt lực enzyme chuẩn: U (1U) là lượng enzyme cần thiết để biến đổi 1 mol cơ chất trong thời gian 1 phút ở điều kiện chuẩn (30o C, pH tối ưu, bão hoà

cơ chất)

• Năm 1972, IUB đưa ra đơn vị mới là katal (kat): 1kat là lượng chất xúc tác làm biến đổi 1 mol cơ chất trong thời gian 1 giây ở điều kiện chuẩn

•  kat = 10-6 kat; ηkat = 10-9 kat

• Liên hệ giữa U và kat: 1U = 16,67 ηkat

1.3 Tên gọi và phân loại enzyme

o Tên gọi

• Pepsin

• Trypsin…

Tên enzyme + in

• Tên gọi theo cơ chất:

• VD: amylase, protease, lipase

• Theo kiểu ph.ứng:

• VD: oxidase, hydrolase

Enzyme+ase

• E xúc tác cho cơ chất A nhờ dạng ph.ứng R có tên là ARase : VD:

Glyceraldehyd-3-phosphate-hydrolase

• E x.tác ph.ứng của chất A với chất B (hay cofactor B) nhờ ph.ứng dạng R, có tên A:B-Rase

Tên hệ thống

Phân loại enzyme theo kiểu phản ứng

Lớp 1:

Oxidoreductase

Xúc tác cho các

phản ứng oxy hoá khử

Bản chất:

protein ph.tạp

Vận chuyển:

hydro, e - , gắn oxy vào cơ chất

Phân thành các phân lớp theo nhóm chức năng nhường hydro hay e -

Lớp 2:

Transferase

Vận chuyển nhóm (CH3,

NH2, vv…)

Bản chất:

protein ph.tạp

Phân thành các phân lớp theo nhóm được vận chuyển

R1-CH.NH2-COOH

Amino acid

R2- CO-COOHKeto acid

Lớp 3:

Hydrolase

Xúc tác cho các phản ứng thuỷ phân

Bản chất:

protein đơn giản

Thuỷ phân các liên kết vốn hình thành nhờ sự ngưng tụ như peptide, glycoside, ester …

Lớp 4: Liase (synthase)

Xúc tác cho các phản ứng:

phân giải (không thuỷ phân)

hình thành (không đòi hỏi NL) VD

VD: Pyruvate decarboxylase tách CO2 từ pyruvate tạo ra

Lớp 6: Ligase (Synthetase)

II CẤU TRÚC VÀ CÁC DẠNG ENZYME

• 2.1 Cấu trúc phân tử

• Là các protein hình cầu , phần lớn 70%) có bản chất là protein phức tạp.

(60-• Xét về c.trúc, có hai loại enzyme:

• Đơn giản (một thành phần)

• Phức tạp (hai thành phần):

– Protein (apoenzyme) – Cofactor

• Cofactor gồm 2 loại:

– Nhóm ghép

– Coenzyme

– Loại gắn lỏng lẻo với apoenzyme , dễ tách ra

và nhập lại, chạy từ apoenzyme này tới

apoenzyme kia.

• VD: NAD+; NADP+ của nhiều dehydrogenase

Cấu trúc của cofactor

• Bản chất hóa học khác nhau ; phân tử

thường chứa dị vòng

• Phần trực tiếp tham gia phản ứng hoặc có

chức năng nhận biết các đại phân tử

• Nhiều cofactor là dẫn xuất của các

vitamin tan trong nước và phần lớn

thường chứa phosphate gắn trong

nucleotid.

Cofactor của oxidoreductase

NAD + (Nicotinamid–Adenine-Dinucleotid) – Vit PP

NADP + (Nicotinamid-Adenine-Dinucleotid-Phosphate) – Vit PP FMN (Flavin - Mononucleotid) – Vit B2

FAD (Flavin – Adenine – Dinucleotid) – Vit B2

Lipoate (6,8 dithioctanate)

Coenzyme Q

Hem

Cofactor của các oxidoreductase

Cofactor của các oxidoreductase

• FMN: Flavin - Mononucleotid

• FAD: Flavin – Adenine - Dinucleotid

• Dẫn xuất của vit B2 (Riboflavin)

• FMN và FAD liên kết chặt với apoenzyme, tạo thành flavoprotein

• Dạng OXH (FAD, FMN) có màu vàng Lõi hoạt động là vòng isoalloxasine

(isoalloxasine ring)

•

FMN: Flavin mononucleotid

FAD: Flavin – Adenine - Dinucleotid

Cơ chế hoạt động

• Nhóm ghép của catalase, peroxidase, các cytochrome

• Vận chuyển e

-Cofactor của các transferase

ATP (Adenosine Triphosphate)

TPP (thiamine pyrophosphate) – Vit B1

PLP (pyridoxal phosphate) – Vit B6

Coenzyme A, CoASH (coenzyme acyl hoá)

Cofactor của các transferase

• ATP (adenosine triphosphate): cofactor của các transferase có tên là kinase

TPP (thiaminepyrophosphate)

• Là dẫn xuất của vitamin B1

• Vòng pyrimidine gắn với thiazol nhờ cầu -CH2-

• Phần th.gia p.ứ.là vòng thiazol, vòng pyrimidine và nhóm diphosphate làm n/v gắn với apoenzyme

Vòng thiazol

Vitamin B1 (thiamine)

PLP (pyridoxalphosphate)

• Dẫn xuất của vitamin B6

• Nhóm ghép của:

– transaminase - chuyển amin

– decarboxylase - khử carboxyl cho aa

• Ngoài NAD(P+), PLP là cofactor thứ 2 có nhân pyridine

Pyridoxal

Coenzyme A, CoASH (coenzyme acyl hoá)

• Vận chuyển acyl acyl được gắn vào nhóm thiol (-SH) nhờ liên kết thioester

acyl.CoA (AB hoạt hoá)

R - CO – S - CoA

CH3CO – S - CoA Acetyl – CoA (a acetic hoạt động)

2.3 Trung tâm hoạt động – active site

• 2.3.1 Khái niệm

– Vùng không gian giới hạn nhỏ, chứa các nhóm

chức năng được phân bố, định hướng một cách chính xác Các nhóm chức năng này là thành phần của các gốc aa đôi khi xa nhau trên chuỗi

polypeptide, song lại gần nhau trong không gian

nhờ sự cuộn lại, gấp nếp lại của chuỗi (nhờ ctb 3).– Ở các enzyme phức tạp có coenzyme, TTHĐ có vùng liên kết với coenzyme

• Là nơi gắn cơ chất, chứa các nhóm chức góp phần trực tiếp vào việc cắt đứt hay hình thành các liên kết để tạo ra sản

phẩm.

• Các nhóm chức năng:

– :OH của Ser

– :SH của Cys

– COOH của Glu và Asp

– Vòng imidazol của His

– NH2 của Lys

Nhiệm vụ của các nhóm chức năng

Đặc điểm của trung tâm hoạt động

• E có thể có 1; 2 hay nhiều TTHĐ Các

TTHĐ của 1 p.tử E có thể giống nhau,

song có thể khác nhau về c/tạo và c/n, do

đó 1 p.tử E có thể xt nhiều p.ứ h.học

khác nhau.

• Chỉ S đ/hiệu, có c/trúc p.tử thích hợp với TTHĐ của E mới tạo ra được ph/hợp E-S

và q/trình xt chỉ xảy ra khi S được gắn vào TTHĐ của E

2.4 Các tổ hợp đa enzyme và các

enzyme dị lập thể

• Các tổ hợp đa enzyme (multienzyme

complex)

• Nhiều p.tử E chỉ là một chuỗi polypeptide (đơn nguyên)

• Nhiều E có ctb4, do nhiều chuỗi tổ hợp lại Đây là những

E đa nguyên (oligomer) Các E này thay đổi h.tính xt khi các chuỗi tách rời nhau

• Phần lớn các E hđ theo 1 dây chuyền p.ứ trong tổ hợp

đa E (SP của 1 p.ư E là S cho p.ứ của E tiếp theo)

– VD: Tổ hợp pyruvate dehydrogenase

– Tổ hợp đa enzyme t/hợp acid béo

VD: Acyl synthase (phức hợp enzyme tổng hợp acid béo)

• 6 enzyme và một protein mang gốc acyl

ACP (Acyl carrier protein)

Ý nghĩa của các tổ hợp đa enzyme

• C/trúc bậc cao của E tạo ra các t/chất mới mà

– SPTG chuyển từ 1 TTHĐ sang TTHĐ tiếp

theo, không bị g/ph ra khỏi kh/vực p.ứ.

– SPTG không dồn đống lại, q.t xt xảy ra rất

nhanh.

2.4.2 Enzyme dị lập thể (allosteric enzyme)

• Ngoài TTHĐ, có TTĐK (TT dị lập thể) để đ/chỉnh h/tính của E Tuy có t.dụng t/hỗ, song 2 TT này

Chất ức chế làm mất khả năng xúc tác của E

2.5 Sự phân bố và các dạng enzyme

• Sự phân bố của các enzyme

– Enzyme nội bào: chiếm đa số, có mặt và

th.hiện c/n bên trong TB nơi đã sinh ra nó

– Enzyme ngoại bào: Được TB tiết ra bên

ngoài, có mặt trong các dịch bào (t/hoá, não tuỷ, máu)

• Một số VSV tiết E (th/phân các chất dd) vào mt nuôi cấy

Các dạng enzyme

Enzyme

Zimogen(Proenzyme)

Dạng tiền chất, chưa hoạt động

Isozyme (Isoenzyme)

Nhiều dạng khác nhau của

1 enzyme

Các zimogen hay proenzyme

• Dạng tiền chất, dạng chưa h/đ của E

• Có tiếp đầu ngữ "pro" hay đuôi “ogen" gắn với tên E

– VD: Procarboxypeptidase, pepsinogen,

trypsinogen, …

• Các zymogen được v/c nhờ dịch bào từ

nơi hình thành đến nơi th/gia các hđ h/học

Cơ chế hoạt hóa các zimogen

• Cắt đi 1 đoạn p/tử chưa hđ → bộc lộ TTHĐ

• Phá vỡ 1 hay một vài lk mấu chốt để s/xếp lại c/trúc kh/gian, tạo TTHĐ

– VD: chymotrypsinogen

• Quá trình hoạt hoá thực hiện nhờ:

– Protease đặc hiệu

– Dạng hđ của chính E ấy (tự h/hoá).

• Đây là cơ chế điều hòa hàm lượng E, đồng thời bảo vệ cho TB đã sản xuất ra E này

Các isozyme hay isoenzyme

• Nhiều dạng khác nhau của 1 E cùng xt cho 1 pứ nào đó (cùng c/năng x/tác)

– Có thể là các dạng  của 1 E được thay thế dần trong qt phát triển của cơ thể

– Hay các dạng của một E đảm nhiệm những v/trò giống nhau ở những m/bào khác nhau.

Các isozyme hay isoenzyme

• VD: lactate dehydrogenasa (LDH), ptử có

4 tiểu phần thuộc 2 dạng: H và M

– Các t/phần này có thể k/hợp tạo ra 5 isozyme:

H4, H3M1, H2M2, H1M3 và M4; chiếm t/lệ khác nhau ở những mô khác nhau.

• Các isozyme của 1E khác nhau về ctb1 do chúng là SP của các gen độc lập.

Ý nghĩa của các isozyme

• Để cùng 1 p.ứ ph/vụ những m/đích khác nhau hay được đ/khiển theo 1 cách khác, đòi hỏi E khác đi một chút

• Sự t/tại các dạng E đ/hiệu trong m/bào với k/năng x/t

được đ/hoà, biến đổi, làm SV có thể th/nghi với những

ĐK thay đổi của MT

– VD: LDH dạng M4 có k/n biến pyruvate thành lactate rất mạnh, k/n này ở H4 lại thấp M/bào nào được c/cấp đ/đặn và đủ O2 (cơ tim), b/thường không tạo lactate, chứa nhiều LDH dạng H4

Ngược lại, cơ vân có thể bị thiếu O2, lại cần dạng M4 (M =

muscle, cơ; H = heart, tim).

III TÍNH ĐẶC HIỆU CỦA ENZYME

• 3.2.1 Đặc hiệu cơ chất tuyệt đối

– VD: alcol deh x.t sự oxy hóa của nhiều rượu

hexokinase chuyển phosphoryl từ ATP tới các hexose khác nhau.

3.2 Đặc hiệu cơ chất

3.3 Các yếu tố quyết định tính đặc

hiệu của enzyme

• Tính đặc hiệu S do phần protein E quyết định

IV CƠ CHẾ XÚC TÁC CỦA ENZYME

• E + S  ES

– Tạo NLHH

– Một phần E tham gia xuc tác, phần còn lại tạo cấu trúc 3 chiều  ổn định lk giữa E và S

∆G1: NL hoạt hóa của p.ứ không được xúc tác

∆G2: NL hoạt hoá của p.ứ có E xúc tác

Hình 3.1: Tiến trình phản ứng và sự biến đổi năng lƣợng tự do

• Pứ tạo phức hợp ES diễn ra rất nhanh, ES không bền vững.

• Chỉ có S có cấu trúc đặc hiệu mới gây

cảm ứng và kết hợp với TTHĐ của E.

• Khi S tương tác với E:

– S bị biến đổi theo hướng hoạt động hơn

– Cấu tạo điện tử bị biến đổi:

Hình 3.2 Sucrase thủy phân sucrose thành

glucose và fructose

Yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả

• TTHĐ cố định S theo một phương thức nhất

định  NL cho pứ.

Bản chất hóa học của hiện tượng

xúc tác bằng E

• Các nhóm xt trong TTHĐ là nhóm ái nhân

- có các cặp e- tự do, có k/n tạo lk với các nhóm ái e- của S:

– VD: OH, SH, N trong vòng imidazol

– Trong 1 số tr/hợp, ngược lại, các nhóm xt lại nhận e- từ nhóm ái nhân của S:

• VD: các ion kim loại và NH3+ trong TTHĐ

Bản chất hóa học của hiện tượng

V CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG TỚI HOẠT TÍNH XÚC TÁC CỦA ENZYM

Km = hằng số Michaelis-Menten

5.2 Các yếu tố lý hoá hoá của môi trường

• Nhiệt độ

– Tốc độ của pứ , khi t°  Nhưng, khi t° tăng đ/thời có thể làm E mất h/tính (apoenzyme b/tính, cofactor có thể bị tách ra) Vì 2 h/tượng trái ngược trên → E h/đ tốt nhất ở t°op

• E là chất polyampholite, t/chất của E (cả h/tính x/tác) phụ thuộc vào pH; pứ của E và S ph/thuộc k/n tách H+

của các nhóm chức này  các E chỉ có kn x/tác ở một khoảng pH nh/định

– VD: pHop ở các protease có thể th/đổi ph/thuộc loại protein được ph/giải.

Trypsin (sắp xếp lại cấu trúc phân tử)

Sự h/thành các enzyme từ các zymogen t/ứng là c/chế đ/h h/lƣợng

E, đ/thời là c/chế b/vệ cho TB đã sinh ra loại E này.

– Làm thay đổi cấu trúc ph/tử enzyme làm enzyme mất

kh/năng x/tác (ức chế không cạnh tranh).

– Cạnh tranh với cơ chất về TTHĐ  tốc độ ph/ứng, hoặc không làm enzyme bị biến tính nhưng làm cho phức hợp ES không thể tạo ra s/phẩm và gi/phóng enzyme được (ức chế cạnh tranh).

Ức chế cạnh tranh

Ức chế không cạnh tranh

• Ý nghĩa :

– Là công cụ điều hoà của TB và có rất nhiều ý nghĩa thực tiễn:

• Y học, vệ sinh (chống nhiễm trùng),

• Nông nghiệp (s/dụng thuốc trừ sâu, diệt côn trùng)

– Ức chế E là hiện tượng rất phổ biến trong đời sống