Bài giảng enzyme Bài giảng enzyme

TS. Vũ Thị Thơm Khoa Y Dược ĐHQGHN Enzym Mục tiêu bài học  Nắm được những khái niệm cơ bản về enzym, tính chất, phân loại và gọi tên  Trình bày được cấu trúc phân tử, trung tâm hoạt động của enzym  Trình bày được cơ chế hoạt động của enzym, phương trình và đồ thị MichaelisMenten và LineweaverBurk  Trình bày được các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động của enzym và các loại điều hòa hoạt động enzym  Nắm được cách phân tích đơn giản động học enzym Nêu được một số liên hệ giữa enzym và tổng hợp hóa dược Đại cương về enzym  Cấu trúc phân tử  Cơ chế tác dụng Động học enzym  Yếu tố ảnh hưởng Điều hòa enzym Enzym  Enzym là chất xúc tác sinh học  Bản chất là protein Catalase 2H 2O2 2H2O + O2 SO 2(g) + 12 O2(g) V 2O5 SO 3(g) Tính chất  Có tính chất của chất xúc tác  Không bị tiêu hao hay sinh ra thêm trong quá trình phản ứng  Làm tăng tốc độ phản ứng  Không làm thay đổi hằng số cân bằng của phản ứng được xúc tác  Ưu việt hơn chất xúc tác vô cơ và hữu cơ  Hiệu suất xúc tác  Tính đặc hiệu  Xúc tác các phản ứng ở điều kiện sinh lý cơ thể  Được điều hòa nghiêm ngặt Cách gọi tên  Tên cơ chất + ase Ure > urease  Tác dụng + ase Oxy hóa > oxidase  Tên cơ chất, tác dụng + ase Khử hydro của lactat > lactat dehydrogenase  Tên thường gọi Pepsin, trypsin Phân loại Hiệp hội enzym quốc tế (EC) phân loại enzym theo phản ứng mà chúng xúc tác thành 6 loại  Enzym oxy hóa khử (oxydoreductase): xúc tác phản ứng oxy hóa – khử AH 2 + B  A + BH2  Enzym vận chuyển nhóm (transferase): xúc tác phản ứng chuyển vị nhóm hóa học (không phải H) giữa hai cơ chất AX + B  A + BX  Enzym thủy phân (hydrolase): xúc tác phản ứng thủy phân AB + H 2O  AH + BOH Phân loại  Enzym phân cắt (lyase): xúc tác chuyển nhóm hóa học khỏi cơ chất (không có tham gia của nước) AB  A + B  Enzym đồng phân (isomerase): xúc tác đồng phân hóa ABC  ACB  Enzym tổng hợp (ligase): xúc tác gắn hai phân tử với nhau thành một phân tử lớn hơn, sử dụng năng lượng cung cấp từ ATP hay các NTP khác ATP ADP + Pi A + B AB Đại cương về enzym  Cấu trúc phân tử  Cơ chế tác dụng Động học enzym  Yếu tố ảnh hưởng Điều hòa enzym Thành phần cấu tạo  Enzym thuần (enzym một thành phần): chỉ bao gồm acid amin  Enzym tạp (enzym hai thành phần hay holoenzym): ngoài thành phần protein còn có chất cộng tác Holoenzym = Apoenzym + Cofactor  Cofactor: ion kim loại hay phân tử hữu cơ nhỏ (coenzym) hay phức hợp hữu cơ kim loại  Coenzym: thường là vitamin và dẫn xuất của vitamin Cấu trúc phân tử  Trung tâm hoạt động: vùng đặc biệt của enzym có tác dụng gắn với cơ chất để xúc tác phản ứng biến đổi cơ chất thành sản phẩm  TTHĐ gồm các nhóm hóa học và liên kết tiếp xúc trực tiếp với cơ chất hoặc có chức năng trực tiếp trong quá trình xúc tác  TTHĐ thường gồm các acid amin có các nhóm hóa học phân cực hoặc ion hóa, có khả năng tạo liên kết H hay liên kết ion với cơ chất Cơ chất Sản phẩm Trung tâm hoạt động Chọn lọc cơ chất Ví dụ: Phenylalanine hydroxylase OOC NH 3 H OOC NH 3 H H NH H OH OH H HO CH 3 OOC NH 3 H OH + + + Không liên kết Liên kết nhưng không phản ứng Chọn lọc cơ chất – Tính đặc hiệu  Enzym có thể biểu hiện mức độ đặc hiệu khác nhau với cơ chất khác nhau  Enzym có thể nhận biết và xúc tác phản ứng với:  Chỉ một cơ chất nhất định (đặc hiệu tuyệt đối) VD: urease chỉ xúc tác thủy phân ure  Một nhóm các cơ chất VD: hexokinase xúc tác phosphoryl hóa hexose  Một loại liên kết nhất định VD: chimotrypsin xúc tác thủy phân liên kết peptid Cấu trúc phân tử  Enzym dị lập thể (allosteric enzym): ngoài TTHĐ còn có vị trí dị lập thể  Vị trí DLT: tiếp nhận yếu tố DLT để điều chỉnh hoạt động xúc tác của enzym  Yếu tố DLT có thể là dương hoặc âm TTHĐ Vị trí dị lập thể Isoenzym  Isoenzym (isozym): các dạng phân tử khác nhau của một loại enzym  Xúc tác cùng một phản ứng, nhưng có tính chất vật lý – hóa học khác nhau Đại cương về enzym  Cấu trúc phân tử  Cơ chế tác dụng Động học enzym  Yếu tố ảnh hưởng Điều hòa enzym Cơ chế tác dụng • Enzym làm giảm năng lượng hoạt hóa (activation energy) của phản ứng • Cơ chất dễ đạt mức năng lượng đưa phản ứng vào trạng thái chuyển tiếp (transition state)  phản ứng diễn ra Cơ chế tác dụng  Enzym biến một phản ứng hóa học đơn thuần thành một phản ứng hóa học qua 2 bước: E + S  ES  E + P  Hai phản ứng mới đều cần năng lượng hoạt hóa thấp hơn rất nhiều so với phản ứng không có xúc tác của enzym  Enzym giúp đưa các nhóm chức lại gần nhau và ổn định trạng thái chuyển tiếp Mô hình “ổ khóa và chìa khóa” Thuyết “ổ khóa và chìa khóa” (lockandkey) của Emil Fischer (1894):  TTHĐ có dạng cấu trúc không gian cố định, chỉ cơ chất đặc hiệu mới có dạng phù hợp khớp với TTHĐ  Enzym nào chỉ xúc tác cho đúng cơ chất đó  đặc hiệu tuyệt đối Mô hình “cảm ứng không gian” Thuyết “cảm ứng không gian” (induced fit) của Daniel Edward Koshland (1958):  TTHĐ có dạng cấu trúc không gian tương đối linh hoạt  Trong quá trình tương tác, cấu hình không gian của enzym, TTHĐ và cơ chất có thể biến đổi sao cho phù hợp  Cho phép tương tác với nhiều loại cơ chất hơn Đại cương về enzym  Cấu trúc phân tử  Cơ chế tác dụng Động học enzym  Yếu tố ảnh hưởng Điều hòa enzym Một số định nghĩa  Tốc độ phản ứng (v) của một enzym là lượng cơ chất bị biến đổi dưới tác động của enzym đó trong 1 phút ở 25 oC dưới các điều kiện được chuẩn hóa  Đơn vị đo hoạt độ: đơn vị quốc tế (IU, hay U). Đây là lượng enzym làm biến đổi 1 μmol cơ chất thành sản phẩm trong 1 phút ở 25 oC dưới các điều kiện được chuẩn hóa  Tốc độ ban đầu (V0): tốc độ phản ứng của enzym ở những phút đầu tiên của phản ứng (~ 5 phút) Nồng độ cơ chất và tốc độ phản  Khi duy trì nồng độ enzymứng, tốc độ phản ứng tăng khi nồng độ cơ chất tăng  Tốc độ phản ứng tối đa (Vmax) đạt được khi enzym bị bão hòa (tất cả TTHĐ của enzym được gắn với cơ chất) Phương trình Michaelis Menten  Tốc độ phản ứng E + S  ES  E + P theo phương trình Michaelis Menten:  V max: Tốc độ tối đa  S: Nồng độ cơ chất  K m: hằng số Michaelis của enzym với cơ chất K S V S v m   max Đồ thị Lineweaver Burk  Biến đồ thị hyperbol thành đồ thị tuyến tính  Giản đơn hóa việc tìm V max và Km  Công cụ để nghiên cứu enzym Ý nghĩa của các giá trị  K m (molL): hằng số đặc trưng của mỗi enzym đối với một cơ chất, phần nào thể hiện ái lực của enzym với cơ chất  k cat (s1): số vòng quay (turnover number) của một enzym, là số phân tử cơ chất được biến đổi thành sản phẩm trong một đơn vị thời gian, khi enzym này được bão hòa cơ chất k cat = VmaxEt  V max: Tốc độ tối đa  Et: Nồng độ TTHĐ của enzym Đại cương về enzym  Cấu trúc phân tử  Cơ chế tác dụng Động học enzym  Yếu tố ảnh hưởng Điều hòa enzym Nồng độ enzym và tốc độ phản  Tốc độ phản ứng tăng khiứnồngng độ enzym tăng (khi duy trì nồng độ cơ chất)  Tốc độ phản ứng quan hệ tuyến tính với nồng độ enzym  K m không phụ thuộc vào nồng độ enzym Temperature °C Enzyme activity 0 10 20 30 40 50 Q10 Denaturation © 2007 Paul Billiet ODWS Ảnh hưởng của nhiệt độ  Enzym hoạt động tốt nhất ở nhiệt độ cực thuận (thường là 37oC ở người)  Hoạt động yếu ở nhiệt độ thấp  Mất hoạt tính khi bị biến tính ở nhiệt độ cao © 2007 Paul Billiet ODWS Ảnh hưởng của pH  Enzym hoạt động tốt nhất ở pH cực thuận  Mất hoạt tính khi bị biến tính ở pH quá cao hay quá thấp Optimum pH values Enzyme activity Trypsin Pepsin pH 1 3 5 7 9 11 Các chất ức chế  Làm giảm hoạt động của enzym  Thường đặc hiệu, có tác dụng ngay cả ở nồng độ thấp  Ức chế nhưng không phá hủy enzym  Hai nhóm chính  Ức chế thuận nghịch: thường tương tác không cộng hóa trị với enzym E + I  EI  Ức chế không thuận nghịch: thường tương tác cộng hóa trị với enzym E + I  EI Ức chế thuận nghịch  Có thể gắn với enzym tự do (E) hay phức hợp ES  Có 3 loại:  Ức chế cạnh tranh (competitive inhibition)  Ức chế phi cạnh tranh (uncompetitive inhibition)  Ức chế hỗn hợp (mixed inhibition) Ức chế cạnh tranh  V max không thay đổi  K m tăng Ức chế phi cạnh tranh  V max và Km giảm Ức chế hỗn hợp  Ảnh hưởng Vmax và Km Ức chế không cạnh tranh  Nếu K I = K’I: ức chế không cạnh tranh (noncompetitive inhibition)  K m không đổi, Vmax giảm Ức chế không thuận nghịch  Thường gắn với TTHĐ của enzym  Làm bất hoạt enzym  Thường là chất độc mạnh Các chất hoạt hóa  Là các chất giúp hoạt hóa enzym  Có thể làm tăng tốc độ phản ứng của enzym Life SciencesHHMI Outreach. Copyright 2009 President and Fellows of Harvard College X Activator Binding Substrate Site Active Site Đại cương về enzym  Cấu trúc phân tử  Cơ chế tác dụng Động học enzym  Yếu tố ảnh hưởng Điều hòa enzym Điều hòa enzym  Điều hòa dị lập thể  Các yếu tố dị lập thể tương tác với enzym, làm thay đổi khả năng tạo phức với cơ chất và khả năng xúc tác  Tạo ra điều hòa ngược điều tiết các con đường trao đổi chất  Điều hòa homotropic và heterotropic  Biến đổi cộng hóa trị: thuận nghịch  Phân giải protein, chuyển hóa tiền chất enzym (zymogen) thành dạng hoạt hóa x Regulatory subunit o Điều hòa hoạt động enzym o x S I x o S S x S o S A P o x R R + I I I or inhibitor proteolysis phosphorylation cAMP or calmodulin or regulator effector P () (+) Ức chế Proteolysis Phosphorylation Truyền tin Điều hòa ngược Juang RH (2004) BCbasics Thắc mắc?

TS Vũ Thị Thơm

Khoa Y DượcĐHQGHN

Enzym

 Nắm được cách phân tích đơn giản động học enzym

Nêu được một số liên hệ giữa enzym và tổng hợp hóa dược

 Đại cương về enzym

 Enzym là chất xúc tác sinh học

 Bản chất là protein

Catalase 2H 2 O 2 2H 2 O + O 2

SO 2 (g) + 1/2 O 2 (g) V 2 O 5 SO 3 (g)

Tính chất

 Có tính chất của chất xúc tác

 Không bị tiêu hao hay sinh ra thêm trong quá trình phản ứng

 Làm tăng tốc độ phản ứng

 Không làm thay đổi hằng số cân bằng của phản ứng được xúc tác

 Ưu việt hơn chất xúc tác vô cơ và hữu cơ

 Hiệu suất xúc tác

 Tính đặc hiệu

 Xúc tác các phản ứng ở điều kiện sinh lý cơ thể

 Được điều hòa nghiêm ngặt

Cách gọi tên

 Tên cơ chất + ase

Ure -> urease

 Tác dụng + ase

Oxy hóa -> oxidase

 Tên cơ chất, tác dụng + ase

Khử hydro của lactat -> lactat dehydrogenase

 Tên thường gọi

Pepsin, trypsin

 Enzym vận chuyển nhóm (transferase): xúc tác

phản ứng chuyển vị nhóm hóa học (không phải H) giữa hai cơ chất

AX + B  A + BX

 Enzym thủy phân (hydrolase): xúc tác phản ứng

thủy phân

AB + H 2 O  AH + BOH

Phân loại

 Enzym phân cắt (lyase): xúc tác chuyển nhóm hóa

học khỏi cơ chất (không có tham gia của nước)

AB  A + B

 Enzym đồng phân (isomerase): xúc tác đồng phân

hóa

ABC  ACB

 Enzym tổng hợp (ligase): xúc tác gắn hai phân tử

với nhau thành một phân tử lớn hơn, sử dụng nănglượng cung cấp từ ATP hay các NTP khác

 Đại cương về enzym

Thành phần cấu tạo

 Enzym thuần (enzym một thành phần): chỉ bao

gồm acid amin

 Enzym tạp (enzym hai thành phần hay

holoenzym): ngoài thành phần protein còn có chấtcộng tác

Holoenzym = Apoenzym + Cofactor

 Cofactor: ion kim loại hay phân tử hữu cơ nhỏ

(coenzym) hay phức hợp hữu cơ kim loại

 Coenzym: thường là vitamin và dẫn xuất của

vitamin

Cấu trúc phân tử

 Trung tâm hoạt động: vùng

đặc biệt của enzym có tác dụng

gắn với cơ chất để xúc tác

phản ứng biến đổi cơ chất

thành sản phẩm

 TTHĐ gồm các nhóm hóa học

và liên kết tiếp xúc trực tiếp với cơ chất hoặc có chức

năng trực tiếp trong quá trình xúc tác

 TTHĐ thường gồm các acid amin có các nhóm hóa

học phân cực hoặc ion hóa, có khả năng tạo liên kết

H hay liên kết ion với cơ chất

Cơ chất Sản phẩm

Trung tâm hoạt động

Chọn lọc cơ chất

Ví dụ: Phenylalanine hydroxylase

OOC NH

3 H

OOC NH

3 H

H

NH

H

OH OH

Chọn lọc cơ chất – Tính đặc hiệu

 Enzym có thể biểu hiện mức độ đặc hiệu khác nhauvới cơ chất khác nhau

 Enzym có thể nhận biết và xúc tác phản ứng với:

 Chỉ một cơ chất nhất định (đặc hiệu tuyệt đối)

VD: urease chỉ xúc tác thủy phân ure

 Isoenzym (isozym): các dạng phân tử khác nhau củamột loại enzym

 Xúc tác cùng một phản ứng, nhưng có tính chất vật lý– hóa học khác nhau

 Đại cương về enzym

 Hai phản ứng mới đều cần năng

lượng hoạt hóa thấp hơn rất

nhiều so với phản ứng không có

Mô hình “ổ khóa và chìa khóa”

Thuyết “ổ khóa và chìa khóa” (lock-and-key) của Emil Fischer (1894):

 TTHĐ có dạng cấu trúc không gian cố định, chỉ cơ chấtđặc hiệu mới có dạng phù hợp khớp với TTHĐ

 Enzym nào chỉ xúc tác cho đúng cơ chất đó  đặc hiệutuyệt đối

Mô hình “cảm ứng không gian”

Thuyết “cảm ứng không gian” (induced fit) của Daniel

Edward Koshland (1958):

 TTHĐ có dạng cấu trúc không gian tương đối linh hoạt

 Trong quá trình tương tác, cấu hình không gian của

enzym, TTHĐ và cơ chất có thể biến đổi sao cho phù hợp

 Cho phép tương tác với nhiều loại cơ chất hơn

 Đại cương về enzym

Một số định nghĩa

 Tốc độ phản ứng (v) của một enzym là lượng cơ chất bị

biến đổi dưới tác động của enzym đó trong 1 phút ở

25oC dưới các điều kiện được chuẩn hóa

 Đơn vị đo hoạt độ: đơn vị quốc tế (IU, hay U) Đây là

lượng enzym làm biến đổi 1 μmol cơ chất thành sản

phẩm trong 1 phút ở 25oC dưới các điều kiện được

chuẩn hóa

 Tốc độ ban đầu (V0): tốc độ phản ứng của enzym ở

những phút đầu tiên của phản ứng (~ 5 phút)

Phương trình Michaelis - Menten

 Tốc độ phản ứng E + S  ES  E + P theo phương trìnhMichaelis - Menten:

 Vmax: Tốc độ tối đa

 [S]: Nồng độ cơ chất

enzym với cơ chất

S K

S

V v

m 

 m ax[ ]

Ý nghĩa của các giá trị

 K m (mol/L): hằng số đặc trưng của mỗi enzym đối vớimột cơ chất, phần nào thể hiện ái lực của enzym với cơchất

 k cat (s-1): số vòng quay (turnover number) của một

enzym, là số phân tử cơ chất được biến đổi thành sảnphẩm trong một đơn vị thời gian, khi enzym này đượcbão hòa cơ chất

kcat = Vmax/[Et]

 Vmax: Tốc độ tối đa

 [Et]: Nồng độ TTHĐ của enzym

 Đại cương về enzym

Nồng độ enzym và tốc độ phản

ứng

 Tốc độ phản ứng tăng khi nồng độ enzym tăng (khi duytrì nồng độ cơ chất)

 Tốc độ phản ứng quan hệ tuyến tính với nồng độ enzym

 Km không phụ thuộc vào nồng độ enzym

Temperature / °C

Enzyme activity

Q10 Denaturation

© 2007 Paul Billiet ODWS

Ảnh hưởng của nhiệt độ

© 2007 Paul Billiet ODWS

Ảnh hưởng của pH

 Enzym hoạt động tốt

nhất ở pH cực thuận

 Mất hoạt tính khi bị biến

tính ở pH quá cao hay

quá thấp

Optimum pH values

Enzyme activity

Trypsin

Pepsin

pH

Các chất ức chế

 Làm giảm hoạt động của enzym

 Thường đặc hiệu, có tác dụng ngay cả ở nồng độ thấp

 Ức chế nhưng không phá hủy enzym

Ức chế thuận nghịch

 Có thể gắn với enzym tự do (E) hay phức hợp ES

 Có 3 loại:

 Ức chế cạnh tranh (competitive inhibition)

 Ức chế phi cạnh tranh (uncompetitive inhibition)

 Ức chế hỗn hợp (mixed inhibition)

Ức chế cạnh tranh

 Vmax không thay đổi

 Km tăng

Ức chế phi cạnh tranh

 Vmax và Km giảm

Ức chế hỗn hợp

 Ảnh hưởng Vmax và

Km

Ức chế không thuận nghịch

 Thường gắn với TTHĐ của enzym

 Làm bất hoạt enzym

 Thường là chất độc mạnh

Các chất hoạt hóa

 Là các chất giúp hoạt hóa enzym

 Có thể làm tăng tốc độ phản ứng của enzym

Life Sciences-HHMI Outreach Copyright 2009 President and Fellows of Harvard College

 Đại cương về enzym

Điều hòa enzym

 Điều hòa dị lập thể

 Các yếu tố dị lập thể tương tác với enzym, làm thay đổi khả năng tạo phức với cơ chất và khả năng xúc tác

 Tạo ra điều hòa ngược điều tiết các con đường trao đổi chất

 Điều hòa homotropic và heterotropic

 Biến đổi cộng hóa trị: thuận nghịch

 Phân giải protein, chuyển hóa tiền chất enzym

(zymogen) thành dạng hoạt hóa

S

A A

regulator effector

Thắc mắc?