Chuong 5 enzyme pps

Enzyme có đầy đủ tính chất của chất xúc tác− Làm tăng tốc độ phản ứng, nhưng chỉ cần một lượng rất nhỏ so với chất tham gia phản ứng mà nó xúc tác − Không bị biến đổi sau khi phản ứng ho

Giảng viên: ĐÁI THỊ XUÂN TRANG

CHƯƠNG 5 CÁC CHẤT XÚC TÁC SINH HỌC

3 Xúc tác sinh học

 Xảy ra trong cơ thể sống

 Có sự tham gia của chất xúc tác sinh học

3.1 Định nghĩa

3 Xúc tác sinh học

 Do enzyme xúc tác

 Chất tham gia phản ứng gọi là cơ chất

 Enzyme không thay đổi trước và sau phản ứng

3.2 Phản ứng enzyme

Enzyme có đầy đủ tính chất của chất xúc tác

− Làm tăng tốc độ phản ứng, nhưng chỉ cần một lượng rất nhỏ so với chất tham gia phản ứng mà nó xúc tác

− Không bị biến đổi sau khi phản ứng hoàn thành và không

có mặt trong sản phẩm phản ứng

− Không làm thay đổi cân bằng phản ứng mà chỉ thúc đẩy phản ứng đạt đến cân bằng

−Có tính đặc hiệu cao

2 PHÂN LOẠI VÀ ĐẶT TÊN ENZYME

Từ năm 1961, Hội Hóa Sinh quốc tế đã thống nhất phân loại các

E thành 6 lớp chính dựa vào kiểu phản ứng do enzyme xúc tác

2 PHÂN LOẠI VÀ ĐẶT TÊN ENZYME

1. Oxydoreductase: Xúc tác cho phản ứng oxy hóa-khử

CH3CH2OH

Alcohol dehydrogenase CH3CHO

2 PHÂN LOẠI VÀ ĐẶT TÊN ENZYME

2 Transferase: xúc tác phản ứng chuyển vị các nhóm từ một

phân tử này đến một phân tử khác

AB + CD Transferase AC + BD

2 PHÂN LOẠI VÀ ĐẶT TÊN ENZYME

3 Hydrolase: xúc tác phản ứng thủy phân các hợp chất hữu cơ

với sự tham gia của nước Là phản ứng vận chuyển nhóm chức nhưng chất nhận luôn là nước

R1R2 + HOH Hydrolase R1H + R2OH

2 PHÂN LOẠI VÀ ĐẶT TÊN ENZYME

4 Lyase: xúc tác cho các phản ứng thêm các nhóm vào nối đôi,

hoặc tạo thành nối đôi bằng cách loại các nhóm

AB Lyase A + B

2 PHÂN LOẠI VÀ ĐẶT TÊN ENZYME

5 Isomerase: Xúc tác cho các phản ứng đồng phân hóa, chuyển

vị các nhóm trong nội bộ phân tử tạo thành các dạng đồng phân

A Isomerase B

2 PHÂN LOẠI VÀ ĐẶT TÊN ENZYME

6 Lygase: Xúc tác cho các phản ứng tạo thành liên kết C,

C-O, C-S và C-N bằng phản ứng ngưng tụ kèm theo phản ứng cắt đứt liên kết giàu năng lượng của các nucleosid triphosphate,

thường là ATP

A+ B Lygase AB

 Mỗi lớp lại chia thành nhiều tổ

 Mỗi tổ lại chia thành nhiều nhóm

 Trong bảng phân loại E, trước tên E thường có 4 số

Đặt tên enzyme

 Tên cơ chất hoặc các cơ chất, thêm tiếp vĩ ngữ “ase”

 Ví dụ: L-alanine: 2-oxoglutarate aminotransferase (E.C.2.6.1.2)

 Enzyme này xúc tác phản ứng sau:

L-alanine + 2-oxoglutarate = pyruvate + L-glutamate

 E thuộc lớp 2 (transferase), tổ 6 (chuyển nhóm chứa N), nhóm

1 (chuyển nhóm amino từ chất cho là acid amin đến chất nhận thường là 2-oxoacid)

Tên thông thường

 Được đặt khi enzyme mới phát hiện

 Dựa vào chức năng của enzyme

 Ví dụ: pepsin (Tiếng Hy lạp Pepsis: tiêu hóa),

lysozyme: có khả năng phân hủy màng tế bào

III CẤU TRÚC PHÂN TỬ ENZYME

 Có các đặc trưng của các cấu trúc protein

 Enzyme gồm một chuỗi polypeptide (Monomer 35kD): E chỉ gồm một chuỗi polypeptide, thường xúc tác cho các phản ứng thủy phân

enzyme,13- Enzyme gồm nhiều chuỗi polypeptide (Oligomer enzyme,

35kD): 2 hay nhiều chuỗi polypeptidemer

 Các E oligomer được điều hòa nhanh, chính xác và đa dạng hơn các enzyme monomer

1 Cấu trúc bán đơn vị

III CẤU TRÚC PHÂN TỬ ENZYME

 Có các đặc trưng của các cấu trúc protein

 Hoạt tính xúc tác của E phụ thuộc vào toàn bộ cấu trúc không gian phân tử

 Một phần nhỏ phân tử trực tiếp tham gia phản ứng → trung tâm hoạt động của enzyme

 Monomer enzyme (13-35kD): E chỉ gồm một chuỗi polypeptide, thường xúc tác cho các phản ứng thủy phân

 Oligomer enzyme (35kD): 2 hay nhiều chuỗi polypeptide, mỗi chuỗi là một bán đơn vị hay protome, phân tử enzyme là một oligome

 Các E oligomer được điều hòa nhanh, chính xác và đa dạng

hơn các enzyme monomer

1 Cấu trúc bán đơn vị

2 CÁC HOLOENZYME, COENZYME, COFACTOR

• Enzyme một cấu tử hay còn gọi là enzyme một thành phần:

protein đơn giản (protein thuần) như amylase, pepsin, trypsin

• Enzyme 2 thành phần hay enzyme hai cấu tử (holoenzyme,

holoE)

− Phần protein (apoenzyme, ApoE)

− Phần phi protein (cofactor, coenzyme, CoE)

− Apoenzyme + cofactor = holoenzyme

 Protein, không chịu được nhiệt độ

 Quyết định tính đặc hiệu của enzyme

 Thực hiện chức năng xúc tác

 Cùng một CoE khi kết hợp với các ApoE khác nhau sẽ tạo

thành các HoloE khác nhau → xúc tác các quá trình chuyển hóa khác nhau → giống nhau về kiểu phản ứng

 Có vai trò làm bền E

 CoE thường là dẫn xuất của các vitamin hòa tan trong nước

→ khi thiếu E → ảnh hưởng đến hoạt độ của E → ảnh hưởng đến quá trình trao đổi chất → gây ra bệnh đặc trưng

 CoE cũng có thể phân biệt thành hai loại

− CoE hòa tan (CoE 1), liên kết lỏng lẻo với ApoE trong

quá trình phản ứng giống như cơ chất, sau đó tách khỏi ApoE, để phục hồi về trạng thái ban đầu cần một phản ứng khác

− CoE 2 luôn kết hợp chặt với E, còn gọi là nhóm thêm

Một số coenzyme và các nhóm chuyển vị

hoạt tính xúc tác của E một thành phần và holoE, các kim loại này được gọi là cofactor

amin trong phân tử E, hoặc ở trong phân tử CoE

thời một vài ion kim loại

Một số ion vô cơ là cofactor của một số enzyme

4 Trung tâm hoạt động (TTHĐ) của enzyme

TTHĐ của enzyme là nơi

4.1 Đặc điểm của trung tâm hoạt động (TTHĐ)

(1) TTHĐ có cấu hình không gian xác định

 Các amino acid trong TTHĐ có thể ở xa nhau trong chuỗi polypeptide, nhưng gần nhau trong không gian (khoảng cách các amino acid < 0,3 nm → cấu hình không gian

xác định nhờ liên kết hydrogen

 TTHĐ của α-chymotrypsin bao gồm nhóm –OH (Ser-195), imidazol (His-57) và nhóm –COOH (Asp-102) Khoảng cách từ 2,8 – 3,0 Å

Đặc điểm của trung tâm hoạt động (TTHĐ)

(2) TTHĐ chiếm thể tích tương đối bé trong thể tích chung của phân tử

 TTHĐ nằm trong túi (pocket) hoặc trong khe (cleft) ở gần hoặc ở trên bề mặt phân tử

Đặc điểm của trung tâm hoạt động (TTHĐ)

(3) TTHĐ bao gồm các nhóm chức khác nhau có trong

mạch bên (gốc R) của các amino acid trong phân tử,

phân tử nước liên kết, các nhóm chức của CoE (các E 2 thành phần)

 Các nhóm chức trong TTHĐ của E có thể có vai trò khác nhau: kết hợp hoặc xúc tác, các gốc khác không có vai trò xúc tác hoặc kết hợp thì có vai trò đối với tính đặc

hiệu của E

Đặc điểm của trung tâm hoạt động (TTHĐ)

Các nhóm chức của amino acid thường gặp trong TTHĐ là

 Nhóm –SH của Cys

 Nhóm amino của đầu N hoặc nhóm ε-amin của Lys

 Nhóm carboxyl của Asp, Glu

 Nhóm –OH của Ser, Thr, Tyr

 Nhóm imidazol của His

 Vòng indol của Trp

 Nhóm guanilic của Arg

Khi các nhóm có vai trò xúc tác trong TTHĐ bị bao vây, E mất hoạt động

Đặc điểm của trung tâm hoạt động (TTHĐ)

(4) Tính đặc hiệu phụ thuộc vào sự sắp xếp chính xác của các nguyên tử trong TTHĐ

 Theo thuyết “tiếp xúc cảm ứng” của Koshland (1958)

nhưng chỉ khi tiếp xúc với cơ chất (S) các nhóm chức của TTHĐ mới được sắp xếp lại, tạo thành cấu hình không gian đúng để thực hiện phản ứng xúc tác

 Trong nhiều trường hợp, TTHĐ còn có cả ion kim loại Các kim loại này có thể kết hợp trực tiếp với các amino acid, hoặc ở trong thành phần của CoE

 Metalloenzyme

Đặc điểm của trung tâm hoạt động (TTHĐ)

(5) TTHĐ của các E có cấu trúc bậc 4 có thể định vị ở một tiểu đơn vị hoặc ở trên các tiểu đơn vị khác nhau → khi phân ly thành các tiểu đơn vị, hoạt độ của E bị giảm hoặc

bị mất hoàn toàn

4.2 Cơ chế hoạt động của TTHĐ

Quá trình xúc tác của enzyme xảy ra theo 3 giai đoạn

 Enzyme kết hợp với cơ chất nhờ những liên kết yếu →

ES → không bền → nhanh → cần ít năng lượng

 Enzyme thay đổi cấu hình không gian → các liên kết bị phá vỡ → sản phẩm

 Sản phẩm của phản ứng được tạo thành và tách khỏi enzyme

4.2 Cơ chế hoạt động của TTHĐ

Sự tạo thành phức trung gian ES

 Mô hình ổ khóa- chìa khóa

 Mô hình khớp cảm ứng

b

C+ D P

A + B S

ES

S

Năng lượng hoạt hóa

Năng lượng giải phóng

Năng lượng hoạt hóa

Năng lượng hoạt hóa (NLHH) là sự sai khác giữa mức năng lượng tự do của trạng thái cơ bản (ground state) và trạng thái chuyển tiếp (transition state)

 Tốc độ phản ứng phản ánh NLHH, NLHH càng cao

tốc độ phản ứng càng chậm

 Bước giới hạn tốc độ: khi một phản ứng tiến hành qua

nhiều phản ứng trung gian thì vận tốc chung của

phản ứng được xác định bởi bước (hoặc các bước)

có NLHH cao nhất.

 Đối với phản ứng S→P, khi có E xúc tác phản ứng

tiến hành theo con đường khác, có thể tạo thành

phức trung gian ES, hoặc ES và EP, sau đó mới phân giải thành sản phẩm và trả lại E ở trạng thái ban đầu

2 Động học phản ứng enzyme

 Nghiên cứu động học enzyme là nghiên cứu về tốc độ phản ứng enzyme và các yếu tố ảnh

hưởng đến tốc độ đó

 Các ion kim loại

 Các chất vô cơ và hữu cơ

Ảnh hưởng đến cấu trúc không gian, độ bền cấu trúc không gian, độ tích điện của phân tử E

(1) Ảnh hưởng của nồng độ E ([E])

 Trong điều kiện thừa cơ chất, tốc độ phản ứng phụ thuộc tuyến tính vào [E]

v= k[E]

Vmax

[S]

0 v

Ảnh hưởng của nồng độ cơ chất S

Phương trình Henri và Michaelis-Menten

 Phản ứng chỉ có một cơ chất S, E xúc tác tạo thành 1 sản phẩm P (E là E monomer, chỉ có một trung tâm kết hợp với

S, chỉ tạo thành một phức chất trung gian ES)

S → P

 Vậy [ET] = [E] + [ES] và [E] = [ET] – [ES] (1)

 Tốc độ phản ứng là tốc độ phân giải ES thành E và P

 v = k2 [ES] (2)

 Khi tốc độ đạt tối đa Vmax thì lúc đó toàn bộ E ở dưới dạng

ES, không có E tự do, các phản ứng E đều bão hòa cơ chất ([ES] = [ET]) ta có

 Khi tốc độ ở trạng thái cân bằng thì 2 tốc độ tạo thành

ES bằng tốc độ phân ly ES, và ta có

 k1 [E] [S] = k-1[ES] + k2 [ES] = (k-1+ k2) [ES]

 Hay [E] [S] = (k-1+ k2) / k1 [ES]

Khi nồng độ của S thấp hơn KM rất nhiều thì v tỷ lệ thuận với nồng độ S

Khi nồng độ S lớn hơn KM rất nhiều thì v đạt tối đa (Vmax) và không phụ thuộc nồng độ S nữa, khi đó có tăng nồng độ S, tốc độ phản ứng cũng không tăng

Khi S = KM thì phương trình (5) có dạng

KM + [S]

KM + [KM]

 Hằng số KM chính là nồng độ cơ chất (mol/lit) đủ làm cho tốc độ phản ứng đạt tới ½ tốc độ cực đại Vmax

 KM thể hiện ái lực của E với cơ chất

 KM có thể được xác định qua đồ thị hyperbol của

phương trình Michaelis- Menten bằng thực nghiệm nhưng khó khăn và kém chính xác

 Lineweaver và Burk lấy nghịch đảo 2 vế của phương trình Michaelis- Menten và biểu diễn phương trình trên dưới dạng thẳng y = ax + b

Đường biểu diễn này cắt trục tung tại điểm có giá trị (khi x=0 → y=b), cắt trục hoành tại điểm có giá trị

(khi y=0 → x= -b/a)

1

Vmax-1

KM

3 Các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động của enzyme

 Nhiệt độ

 pH

 Chất hoạt hóa

 Chất ức chế

Ảnh hưởng của chất kìm hãm (inhibitor)

 Các chất kìm hãm (I), hay chất ức chế là những chất làm giảm tốc độ phản ứng do E xúc tác

 Bản chất hóa học: ion, chất vô cơ, hữu cơ, cơ chất, sản phẩm phản ứng

 Tác động đặc hiệu hoặc không đặc hiệu

 Kìm hãm thuận nghịch, hay không thuận nghịch

a) Các chất kìm hãm cạnh tranh

 Các I này có cấu trúc khá tương tự với cấu trúc cơ chất bình thường của E, do đó nó cảm ứng sự hình thành TTHĐ của E theo cách giống S, và cạnh tranh với S để kết hợp vào TTHĐ của E Tuy nhiên, khác với S ở chỗ là nó không bị chuyển

hóa bởi E

b) Các chất kìm hãm không cạnh tranh

 Các chất ức chế phi cạnh tranh chỉ kết hợp với E- cơ chất (ES)

và không kết hợp với E tự do Trong trường hợp này, có thể do khi E kết hợp với S làm thay đổi không gian của phân tử E, tạo thành một trung tâm để kết hợp với I Như vậy, I sẽ không bao giờ cạnh tranh với S để kết hợp vào vị trí của S trong phân tử

E, nên không thể loại bỏ tác dụng kìm hãm bằng cách tăng

nồng độ cơ chất

3.5 Tính đặc hiệu của enzyme

 Một enzyme tác dụng đặc hiệu lên một chất hoặc một số chất có cấu tạo phân tử gần giống nhau

Đặc hiệu cơ chất

3.5 Tính đặc hiệu của enzyme

 Enzyme chỉ tác dụng lên hai dạng đồng phân quang học, ví

dụ hầu hết enzyme chuyển hóa acid amin chỉ tác dụng lên acid amin mà không tác dụng lên D- acid amin

L-Đặc hiệu lập thể

3.5 Tính đặc hiệu của enzyme

 Một cơ chất biến hóa theo nhiều phản ứng khác nhau, mỗi phản ứng có enzyme đặc hiệu

Đặc hiệu phản ứng

V ĐIỀU HÒA HOẠT ĐỘNG CỦA ENZYME

 Ngoài trung tâm hoạt động, enzyme dị lập thể còn có trung tâm dị lập thể

 Trung tâm dị lập thể có thể tiếp nhận một phân tử nhỏ tương ứng gọi là chất tác dụng (effector)

lập thể).

1 Enzyme dị lập thể

Điều hòa hoạt độ E

 Kiểu điều hòa này thường gặp, và đáp ứng kịp thời đối với các tín hiệu trao đổi chất là sản phẩm cuối cùng của một nhánh hay của cả quá trình trao đổi chất

Điều hòa allosteric

Điều hòa hoạt độ E

 Các isoenzyme hay isozyme thường được biểu hiện ở các

mô hoặc cơ quan khác nhau, hoặc ở các giai đoạn phát triển khác nhau Cách điều hòa này đáp ứng được những nhu

cầu của một mô, hay một giai đoạn phát triển nhất định

Điều hòa tỷ lệ của các dạng khác nhau của E (isoenzyme) có hoạt

độ khác nhau

Điều hòa hoạt độ E

 Một số enzyme có hai dạng: dạng không hoạt động và dạng hoạt động

 Sự phosphoryl hóa

 Sự khử phosphoryl hóa

Cải biến cộng hóa trị

3.3 HỆ THỐNG NHIỀU ENZYME (MULTI E)

Hệ thống nhiều E bao gồm các E xúc tác cho dãy phản ứng có trật tự của một quá trình trao đổi chất xác định, sản phẩm của phản ứng trước là

cơ chất của E xúc tác cho phản ứng kế tiếp

E1 E2 E3 E4

A → B → C → D → E

Có thể biểu diễn hệ thống phản ứng gồm

VI SỰ PHÂN BỐ ENZYME TRONG TẾ BÀO VÀ CƠ THỂ