Bài Giảng Hóa Sinh Enzym

BẢN CHẤT CỦA SỰ XÚC TÁC TRONG CƠ THỂ SỐNG Chất xúc tác là chất làm tăng cường phản ứng hóa học, nhưng sau khi hoàn thành quá trình phản ứng, nó không bị biến đổi hoặc tiêu hao và khôn

ENZYM

I ĐẠI CƯƠNG

Sự sống là quá trình trao đổi chất liên tục, sự trao đổi chất ngừng thì sự sống cũng không còn nữa Để thực hiện sự trao đổi chất, cơ thể bao gồm vô vàn những quá trình hóa học phức tạp và có liên quan chặt chẽ với nhau Trong tất cả những quá trình hóa học này đều có vai trò của chất xúc tác tự nhiên hay còn gọi là chất xúc tác sinh học Những chất xúc tác sinh học ấy được gọi là enzym, bản chất là protein, có tính đặc hiệu cao và hiệu ứng xúc tác lớn.

II BẢN CHẤT CỦA SỰ XÚC TÁC TRONG CƠ THỂ

SỐNG

Chất xúc tác là chất làm tăng cường phản ứng hóa học, nhưng sau khi hoàn thành quá trình phản ứng, nó không bị biến đổi hoặc tiêu hao và không tham gia vào thành phần sản phẩm của phản ứng Trong quá trình phản ứng, chỉ cần một lượng vô cùng nhỏ chất xúc tác cũng đủ để biến đổi một lượng chất tham gia phản ứng lớn hơn gấp bội.

1 Năng lượng hoạt hóa

Là năng lượng cần thiết để đưa một phân tử gam cơ chất từ trạng thái không hoạt động đến trạng thái hoạt động Năng lượng hoạt hóa có thể là do: quang năng, nhiệt năng, động năng

2 Vai trò của enzym

Enzym với vai trò xúc tác không làm thay đổi chiều hướng phản ứng mà chỉ làm giảm năng lượng hoạt hóa, tăng tốc độ phản ứng giúp phản ứng mau chóng đạt trạng thái cân bằng

Ví dụ: Sự phân hủy H2O2 → H2O + 1/ 2 O2Nếu không có chất xúc tác thì phải cung cho nó một năng lượng hoạt hóa là 18 kcalo/ mol Nếu có mặt chất bạch kim: cần 11,7 kcalo/ mol Nếu dùng enzym catalase của gan: năng lượng hoạt hóa chỉ là 2 kcalo/ mol

Ở điều kiện thích hợp, hầu hết những phản ứng enzym xảy ra với tốc độ nhanh, từ 108 đến

1011 lần so với những phản ứng cùng loại mà không có sự xúc tác của enzym Có loại enzym, trong một phút, một phân tử enzym có thể làm biến đổi hàng triệu phân tử cơ chất

III PHÂN LOẠI VÀ DANH PHÁP ENZYM

1 Phân loại

Theo IUB (International Union of Biochemistry) căn cứ

vào loại phản ứng mà enzym xúc tác, người ta chia enzym ra làm 6 loại lớn:

1.1 Oxidoreductase: xúc tác phản ứng oxy hóa

khử

Ví dụ: Dehydrogenase là những enzym xúc tác phản ứng trao đổi hydro

1.2 Transferase: xúc tác phản ứng vận chuyển

Ví dụ: Methyltransferase là những enzym vận chuyển nhóm methyl

1.3 Hydrolase: xúc tác phản ứng thủy phân

Enzym này thủy phân các liên kết este, peptid,

1.4 Lyase: enzym phân cắt, xúc tác phản ứng chia cắt phân tử lớn thành những phân tử nhỏ không có sự tham gia của nước

Ví dụ: F1.6 di- Glyceraldehyt +

Ví dụ: Glucose Fructose

1.6 Lygase: (Synthetase) xúc tác phản ứng tổng hợp

Lipid Glycerol + A.beïo

Lactat dehydrogenase (LDH)

Vê duû: CH3-CHOH-COOH CH3-CO-COOH

Pyruvat NAD+ NADHH+ Lactat

2.6.1.1.Aspartat α- cetoglutarat amino transferase (ASAT)

(hay 2.6.1.1 Glutamat Oxaloacetat Transaminase: GOT)

Aspartat + α cetoglutarat Oxaloacetat + Glutamat

NH 2

O COOH

 IV CẤU TẠO ENZYM

 1 Thành phần cấu tạo: gồm 2 loại

 1.1 Enzym protein thuần: cấu tạo bởi acid amin,

ví dụ những enzym thủy phân

 1.2 Enzym protein tạp: gồm 2 phần:

 - Protein thuần: gọi là apoenzym

 - Nhóm ngoạûi: cofactor, thường là

những chất hữu cơ, có tác dụng cộng tác với enzym trong quá trình xúc tác Tuy những tính

chất cơ bản của enzym là phần apoenzym nhưng thiếu cofactor thì enzym không hoạt động được

Cofactor còn chia 2 loại:

liên kết đồng hóa trị

kết phối trí, liên kết ion, hydro, gọi là coenzym.

nhiệt độ

không qua màng thẩm tích

 Coenzym có tính chất chịu được nhiệt độ qua được màng thẩm tích

coenzym là apoenzym quyết định tính đặc hiệu (xúc tác trên cơ chất nào) còn coenzym xem như là phương tiện, chứ không quyết định tính chất

đặc hiệu

ở trạng thái tự do, chỉ kết hợp với nhau khi xúc tác cho phản ứng Có thể có rất nhiều

coenzym để phục vụ cho một apoenzym tạo

thành một enzym và ngược lại có thể một

coenzym kết hợp với nhiều apoenzym để tạo

thành nhiều enzym khác nhau

 Ngoài ra người ta đã phát hiện thấy kim loại

trong thành phần cấu tạo của rất nhiều enzym như Mn, Mg, Zn, Fe, Cu

2 Trung tâm hoạt động (TTHĐ) của enzym

phân tử enzym Trung tâm hoạt động gồm những nhóm hóa học tiếp xúc trực tiếp với cơ chất, hoặc tuy không trực tiếp tiếp xúc với cơ chất

nhưng tham gia trực tiếp trong quá trình phản ứng

để giữ trung tâm hoạt động

cơ chất: cơ chất phải có một cấu trúc phân tử thích hợp với trung tâm hoạt động của enzym để tạo thành phức hợp enzym - cơ chất Có thể ví sự tương ứng enzym - cơ chất giống như ổ khóa “

sự tương ứng enzym - cơ chất giống như ổ khóa “

với chìa khóa , theo Fischer (Hình 1.11)

“ với chìa khóa , theo Fischer (Hình 1.11)“ ’’

nghiệm đa đưa ra một mô hình sinh động hơn, cho rằng khi tiếp xúc với cơ chất, enzym biến đổi

hình dạng phân tử làm cho những gốc acid amin và các nhóm chức năng khác (như các nhóm chức trong cofactor) của trung tâm hoạt động của enzym di chuyển một cách chính xác để gắn cơ chất và thực hiện quá trình xúc tác.Như vậy

theo thuyết này, trung tâm hoạt động của enzym chỉ thực sự được hình thành trong quá trính tiếp xúc giữa enzym và cơ chất Người ta gọi mô hình này là mô hình tiếp xúc cảm ứng, theo Koshland (Hình 1.12)

 Hình 1.11 Sự tương ứng cấu trúc giữa enzym - cơ chất

 Hình 1.12 Tác dụng tiếp xúc cảm ứng của cơ chất đối với trung tâm hoạt động của enzym

Enzym Cơ chất Phức hợp Enzym-Cơ

chất

1’ 12

3 Trung tâm dị lập thể

tác, enzym còn có một trung tâm khác làm

nhiệm vụ điều chỉnh hoạt tính enzym, gọi là trung tâm điều chỉnh hay trung tâm dị lập thể

hóa, có trọng lượng phân tử nhỏ, tác động vào trung tâm dị lập thể Những chất này được gọi là yếu tố dị lập thể

 Khi những yếu tố dị lập thể tác động vào trung tâm dị lập thể làm thay đổi cấu hình không gian của phân tử enzym do đó trung tâm hoạt động của enzym bị biến đổi và hoạt tính xúc tác của enzym cũng biến đổi theo Yếu tố dị lập thể

V TIỀN ENZYM (PROENZYM, ZYMOGEN)

thành chúng ở dạng bất hoạt, gọi là zymogen hay proenzym Đó là những tiền chất để tạo thành enzym Sau đó dưới tác dụng của môi

trường phản ứng, do sự xúc tác của chính

enzym đó, hoặc một số enzym khác, tạo thành dạng hoạt động

phân protid) thường được tổng hợp ra dưới dạng zymogen Ví dụ: Pepsinogen, Trypsinogen,

VI ISOENZYM: (CÁC DẠNG PHÂN TỬ CỦA

ENZYM)

tồn tại dưới nhiều dạng phân tử khác nhau và có tính chất hóa lý, miễn dịch khác nhau Các dạng phân tử khác nhau của một enzym được gọi là isoenzym

Ví dụ: Các dạng phân tử của Lactat

dehydrogenase (LDH), enzym xúc tác phản ứng khử hydro thuận nghịch giữa Lactat và Pyruvat. LDH

Lactat

Pyruvat

NAD+ NADHH+

chuỗi polypeptid, gồm 2 loại:

 - Loại M (Muscle): cơ

 - Loại H (Heart): tim

phân tử Ký hiệu như sau:

được 5 loại này nhưng cả 5 loại đều xúc tác trên cùng 1 cơ chất Lactat

gan

VII MULTIENZYM: PHỨC HỢP ĐA ENZYM

quá trình chuyển hóa nhất định

Ví dụ: Trong quá trình đường phân hiếu khí:

Pyruvat → Acetyl CoA, có 3 enzym tham gia:

 - Dihydrolipoyl transacetylase

VIII TÍNH ĐẶC HIỆU CỦA ENZYM

một cơ chất nhất định và đối với một loại

phản ứng hóa học nhất định Tính chất xúc

tác chon lọc được gọi là tính đặc hiệu của

enzym Enzym có tính đặc hiệu rất cao so với

những chất xúc tác thông thường khác

1 Đặc hiệu tuyệt đối (đặc hiệu cơ chất)

Agrinase chỉ tác dụng lên Agrinin

Có những enzym chỉ tác dụng lên L-Acid amin và ngược lại, ví dụ: L-Lactat dehydrogenase chỉ tác dụng lên L-lactat mà không tác dụng lên D-lactat

2 Đặc hiệu tương đối (đặc hiệu theo kiểu phản ứng hay loại liên kết)

Thường mỗi enzym có tính đặc hiệu với một

loại phản ứng nhất định

Ví dụ:

Vậy những cơ chất nào có liên kết esterphosphat sẽ bị nó cắt đứt

nhiều cơ chất khác nhau có dây nối α-glucozid như tinh bột, glycogen, dextran

IX SINH TỔNG HỢP ENZYM

enzym cũng giống như sinh tổng hợp protein

Thường các phân tử enzym được tổng hợp dưới sự điều khiển của các hệ gen và cấu trúc

phân tử enzym là do những hệ gen quyết định

một số gen nào đó hoặc gen mất hoạt tính sẽ dẫn đến không thực hiện được chức năng sinh tổng hợp enzym, tạo nên những bệnh lý cơ thể

Ví dụ thiếu một trong số những enzym tổng hợp glucose sẽ dẫn dến hạ đường huyết liên tục khi đói

chia làm hai loại:

1 Enzym cấu tạo

Là những enzym được tổng hợp với tốc độ ổn định và tồn tại với một số lượng ổn định không phụ thuộc vào trạng thái chuyển hóa của cơ thể Tốc độ tổng hợp và tốc độ phân hủy luôn luôn

bằng nhau, do đó nó luôn luôn có nồng độ nhất định trong các cơ quan cơ thể, ví dụ các enzym xúc tác trong chu trình Krebs, chuỗi hô hấp tế bào.

2 Enzym cảm ứng

ít, hoặc hầu như không có, nhưng khi có chất cảm ứng, do tác dụng của chất cảm ứng nó sẽ được tổng hợp nhiều với tốc độ rất nhanh.

- Penicillinase: Enzym cảm ứng xúc tác phân hủy

penicillin Hiện tượng này tạo cho vi khuẩn khả

năng đề kháng penicillin.

X ĐỘNG HỌC ENZYM VÀ CÁC YẾU TỐ

ẢNH HƯỞNG ĐẾN HOẠT ĐỘ CỦA

ENZYM

quá trình hoạt động của enzym trong cơ thể được thể hiện qua tốc độ phản ứng và ảnh hưởng của những yếu tố vật lý, hóa học khác nhau có thể làm biến đổi tốc độ phản ứng này

chất bị biến đổi hay sản phẩm hình thành bởi một đơn vị thời gian

 k1 k2

 E + S ES E + P

k -1 k -2

 (E: enzym, S: Substrate, P: Product)

đổi 1 µmol cơ chất/ phút trong những điều kiện xác định (hay 1 mol của cơ chất /1 giây: đơn vị

Katal)

t t (Hình 1.13) Tốc độ phản ứng phụ thuộc thời gian

2 Tốc độ phản ứng phụ thuộc vào hàm

lượng enzym

V = f (E) với nồng độ cơ chất [S] hằng định

 Tốc độ phản ứng thường tỷ lệ thuận với lượng enzym Tuy nhiên trong thực mghiệm nếu người ta tăng nồng độ enzym đến một mức độ nào đó thì tốc độ phản ứng tăng chậm dần không còn tuyến tính với sự tăng nồng độ

 Hình 1.15: Biểu diễn tốc độ phản ứng theo nồng độ cơ chất

 Cho nồng độ enzym [E] hằng định, sau đó thêm dần cơ chất vào từ nồng độ thấp đến cao Đồ thị biểu diễn tốc độ phản ứng được xúc tác bởi enzym có nồng độ cố định khi thêm dần

 Nồng độ cơ chất mà tại đó làm tốc độ

phản ứng xúc tác bởi enzym đạt 1/2 tốc độ tối đa gọi là hằng số Michaelis- Menten, ký hiệu KM.

 - Thuyết Michaelis - Menten Ý nghĩa của K M

 Phản ứng xúc tác bởi enzym được khái quát như sau:

 k2: hằng số tốc độ phản ứng tạo sản phẩm P.

 k-2: hằng số tốc độ phản ứng phân huỷ sản phẩm

P (không đáng kể).

 Gọi tốc độ phản ứng tạo ES là V1 Tốc độ

phản ứng phân hủy ES là V2, ta có:

 V1 = k1[E td] [S]

 V2 = k2 [ES] + k -1 [ES] = (k2 + k -1)[ES]

thành và tốc độ phân hủy [ES] bằng nhau nghĩa là V1 = V2

 Nếu ta gọi [Etp] (tp: toàn phần), Etd (td: tự do), thì:

 [E tp] = [E td] + [ES] [Etd] = [E tp] - [ES]

phản ứng xúc tác bởi enzym phụ thuộc vào

quá trình chuyển ES thành P (sản phẩm) , nghĩa là tốc độ của cả quá trình phản ứng phụ

thuộc nồng độ ES và k2, vậy V = k2 [ES],

 Từ (2) biến đổi tiếp như sau:

nồng độ enzym sao cho tất cả mọi enzym có mặt đều ở dưới dạng ES nghĩa là [ES] = [Etp] thì tốc độ phản ứng sẽ đạt tới cực đại

 Vmax

 Vậy Vmax = k2 [E tp] , suy ra [Etp] = (4)

 K2

tạo thành sản phẩm, nghĩa là V = k2 [ES]

Michaelis-Menten, thể hiện tốc độ phản ứng phụ thuộc vào [S]

Ở phương trình này, có 3 trường hợp xảy ra:

 (1): [S] >> KM: bỏ qua KM

tốc độ tối đa

 (2): [S] << KM:     

 Tốc độ phản ứng phụ thuộc vào nồng độ cơ chất

 (3): [S] = KM: tốc độ phản ứng enzym đạt được nửa tốc độ tối đa Phương trình Mịchaelis - Menten: tốc độ phản ứng enzym phụ thuộc vào nồng độ cơ chất với đồ thị là 1 đường cong hyperbol nên việc khảo sát nồng độ cơ chất làm cho V = Vmax là khó khăn, do đó Lineweaver và Burk đã chuyển thành phương trình có đồ thị dạng tuyến tính bằng cách biến đổi như sau:  1 kM + [S]  =

 V VM [S]

max max

max

1 ] [1 ]

[[ ]

1

V S

x

V K S

V K S

Ý nghĩa của hằng số K M :

 (1) KM là nồng độ cơ chất cần thiết để tốc độ phản ứng enzym đạt được nửa tốc độ tối đa Khi [S] = KM,

 2) KM biểu thị ái lực của enzym đối với cơ chất,

KM càng nhỏ thì ái lực càng lớn, khả năng

phản ứng càng cao và ngược lại

xúc tác cho nhiều cơ chất thì cứ một cơ chất có một hằng số KM riêng

thì phải có [S] lớn gấp 100 lần KM

khác nhau như pH, T0, ion, nếu yếu tố nào làm tăng KM thì ức chế hoạt động enzym, giảm KM thì hoạt hóa enzym

 4 Aính hưởng của nhiệt độ đến hoạt tính

enzym

enzym Phần lớn các enzym bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ như sau:

 Từ 00C - 400C: mỗi lần tăng nhiệt độ lên 100C thì tốc độ phản ứng tăng gấp 2 lần

 Từ 400C - 700C: nhiệt độ tăng thì tốc độ phản ứng giảm

 Trên 700C: enzym mất hoạt tính, bị biến tính

Mỗi enzym có một nhiệt độ hoạt động thích nghi riêng được gọi là nhiệt độ tối thuận Nhiệt độ tối thụân là nhiệt độ enzym hoạt động mạnh

nhấtü Mỗi enzym có một nhiệt độ tối thuận

riêng Người ta thấy ở 00C hoạt động enzym rất ít hay không hoạt động Nếu ở - 200C, - 300C enzym thường không hoạt động Tính chất này được

ứng dụng trong việc bảo quản enzym, bảo quản sinh vật phẩm, thực phẩm

5 Aính hưởng của pH

Enzym rất nhạy cảm với pH, pH tối thuận là

pH mà enzym hoạt động cao nhất Mỗi enzym có một pH tối thuận riêng

Ví dụ: Pepsin ở dạ dày: pH tối thuậûn

1,5 - 2,5 Amylase nước bọt: - 6,9

- 7

Trypsin, Chymotrypsin: - 8 - 9

6 Aính hưởng của chất hoạt hóa

Chất hoạt hóa là chất có khả năng làm tăng hoạt động xúc tác của enzym hoặc làm cho enzym không hoạt động trở thành hoạt động

Ví dụ: Amylase: chất hoạt hóa là NaCl (do Cl-)

Phosphatase kiềm: chất hoạt hóa là Mg++

7 Aính hưởng của chất ức chế

Chất ức chế là những chất khi kết hợp với

enzym sẽ làm giảm hoạt tính xúc tác của

enzym Gồm 2 loại:

 *Chất ức chế không đặc hiệu: Chất ức chế làm biến tính hay phá hủy, đảo lộn cấu trúc của phân tử enzym, ví dụ T0 cao, pH, acid mạnh hay kiềm mạnh,

 *Chất ức chế đặc hiệu: Chất ức chế gắn vào trung tâm hoạt động enzym Gồm có:

 Chất ức chế cạnh tranh:

tranh với cơ chất để gắn vào trung tâm hoạt

động của enzym Do đó làm giảm ái lực của enzym với cơ chất Kết quả: KM tăng, nhưng VM sẽ không đổi

nhiễm khuẩn của Sulfamid

trọng để tổng hợp Acid Folic, một coenzym quan trọng của sự phát triễn các vi khuẩn Sulfamid có cấu tạo tương tự như acid PAB, nó sẽ ức

chế cạnh tranh với acid PAB ở trung tâm hoạt

động của enzym vi khuẩn xúc tác biến đổi PAB thành A.Folic, do đó quá trình tổng hợp A Folic

bị ức chế và sự phát triễn vi khuẩn cũng bị ức chế bởi Sulfamid

COOH

 Chất ức chế không cạnh tranh:

enzym, với một lượng chất ức chế nhỏ cũng

có thể ức chế một lượng lớn enzym

thời vào trung tâm hoạt động enzym tạo thành

1/V và 1/[S] có hoặc không có chất ức chế

XI MỘT SỐ COENZYM ĐIỂN HÌNH

1 Coenzym NAD+: (Nicotinamid Adenin Dinucleotid)

 -H : NAD +  - P : NADP + Hình 1.18: Cấu tạo của NAD (NADP)

R