ENZYME VÀ SỰ XÚC TÁC SINH HỌC

I – KHÁI NIỆM VỀ SỰ XÚC TÁC NÓI CHUNG Tốc độ phản ứng hóa học được xác định bởi giá trị năng lượng hoạt hóa tức là năng lượng các chất tham gia phản ứng phải đạt được trên mức năng lượn

CHƯƠNG III

ENZYME VÀ SỰ XÚC TÁC SINH HỌC

Để sống và phát triển, cơ thể sinh vật phải thường xuyên trao đổi chất và trao đổi năng lượng với môi trường bên ngoài Các quá trình này tiến hành được là nhờ các phản ứng hóa sinh xẩy ra trong cơ thể theo quy luật có tổ chức và có liên quan chặt chẽ với nhau

Đặc điểm chung của các phản ứng này là có thể xảy ra một cách đặc hiệu, dễ dàng với vận tốc lớn ở ngay trong điều kiện môi trường sinh

lý và nhiệt độ của cơ thể Sở dĩ các phản ứng tiến hành trong cơ thể có những đặc điểm trên chính là nhờ các chất xúc tác đặc biệt có khả năng làm tăng vận tốc phản ứng lên gấp bội, đó là các chất xúc tác sinh học

Enzyme là chất xúc tác sinh học có bản chất protein làm nhiệm vụ xúc tác cho các phản ứng hóa sinh xảy ra trong cơ thể sinh vật

Enzyme tồn tại trong tất cả các tế bào sống của động vật, thực vật,

vi sinh vật Các phản ứng do enzyme xúc tác có thể xảy ra ở ngay trong cơ thể sống hoặc ở ngoài cơ thể Hiện nay đã tách được rất nhiều enzyme khác nhau từ nguồn động vật, thực vật, đặc biệt là từ vi sinh vật, trong đó

có nhiều loại đã được thu nhận với độ thuần khiết cao Xúc tác enzyme có nhiều ưu điểm hơn hẳn xúc tác thông thường như cường lực xúc tác lớn, tính đặc hiệu cao, không độc, có thể tác dụng trong điều kiện nhẹ nhàng, đơn giản Hơn nữa có thể sản xuất enzyme từ các nguyên liệu giá rẻ nhưng đem lại hiệu quả kinh tế cao, nhờ vậy việc ứng dụng enzyme rộng rãi trong các ngành công nghiệp nhẹ, công nghiệp thực phẩm, nông nghiệp, y học và nghiên cứu khoa học đã nhanh chóng có những bước tiến dài và ngày càng có nhiều triển vọng tốt đẹp

I – KHÁI NIỆM VỀ SỰ XÚC TÁC NÓI CHUNG

Tốc độ phản ứng hóa học được xác định bởi giá trị năng lượng hoạt hóa tức là năng lượng các chất tham gia phản ứng phải đạt được trên mức năng lượng bình thường của chúng để cắt đứt các liên kết cần thiết và hình thành các liên kết mới Năng lượng hoạt hóa các phản ứng nào đó càng lớn thì tốc độ phản ứng càng chậm và ngược lại

Việc đưa một số chất nào đó vào trong hệ thống vốn có tác dụng làm tăng tốc độ phản ứng hóa học được gọi là sự xúc tác Trong quá trình xúc tác, các chất xúc tác đã làm giảm năng lượng hoạt hóa của phản ứng hóa học Năng lượng cần để xảy ra sự va chạm có hiệu lực dẫn đến phản ứng hóa học được gọi là năng lượng hoạt hóa

Trong quá trình xúc tác, các chất xúc tác chỉ tham gia vào các phản ứng trung gian sau đó chúng lại được phục hồi nhanh chóng, chất xúc tác không đóng vai trò như những chất tham gia phản ứng

Tốc độ các phản ứng thuận nghịch cũng được các chất xúc tác làm tăng theo cả hai chiều

Điều đó nói lên rằng: chất xúc tác không quyết định chiều hướng của phản ứng, chúng chỉ thúc đẩy cho phản ứng đạt đến cân bằng một cách nhanh chóng

Ảnh hưởng của chất xúc tác là làm giảm năng lượng hoạt hóa Trong

đồ thị sau: A là chất phản ứng, B là sản phẩm của phản ứng

II – ENZYME LÀ CHẤT XÚC TÁC SINH HỌC

Những luận cứ sau đây đã chứng minh bản chất xúc tác của enzyme:

a) Cũng như các chất xúc tác nói chung, enzyme làm tăng nhanh tốc

độ phản ứng Enzyme không quyết định chiều hướng của phản ứng

b) Enzyme không đóng vai trò là chất tham gia phản ứng trong phương trình phản ứng Trong quá trình xúc tác, lượng enzyme không thay đổi

c) Cũng như mọi chất xúc tác khác, enzyme làm giảm năng lượng hoạt hóa cần thiết của các phản ứng hóa học Nói cách khác năng lượng hoạt hóa phản ứng được giảm đi nhiều khi có sự xúc tác của enzyme

III - BẢN CHẤT HÓA HỌC CỦA ENZYME

3.1 Enzyme là những chất xúc tác có bản chất protein

Trong sự phát triển của hóa sinh học, bước nhảy vọt đã đạt được khi người ta thực hiện thành công việc tách rút các chất xúc tác sinh học ra khỏi tế bào và nghiên cứu tính chất của chúng, lúc đó người ta nhận biết rằng enzyme có bản chất protein Năm 1926, Sumner là người đầu tiên thu được urease ở dạng kết tinh Cho đến nay đã có khoảng hơn 150 enzyme được rút ra ở dạng tinh khiết Trong số các enzyme đó, một số đã được biết trọn vẹn về cấu trúc bậc I như ribonuclease, trypsin, chymotrypsin, …

Ngày nay người ta xác nhận rằng, các enzyme chính là nhóm protein quan trọng Chúng được hình thành trong tế bào như các protein đơn giản (enzyme một thành phần) hoặc như các protein phức tạp (enzyme hai thành phần) Trong số các enzyme thì đa số là enzyme hai thành phần Dạng hoạt động của enzyme hai thành phần bao gồm phần protein và phần không có bản chất protein gọi là nhóm prostetic (nhóm ngoại, nhóm ghép, …)

Enzyme một thành phần là các protein đơn giản thực hiện chức năng xúc tác Ví dụ: Ribonuclease A và một số enzyme thủy phân protein và một số enzyme khác

3.2 Các nhóm ghép, các coenzyme

Bên cạnh phần protein thì enzyme hai thành phần còn chứa phần không có bản chất protein Người ta gọi phần không phải protein cần thiết bắt buộc đối với hoạt động của enzyme là nhóm ghép (nhóm ngoại, nhóm thêm, yếu tố phụ, …) và phần protein vốn liên kết với nhóm đó là apoenzyme, phức hợp của hai thành phần trên là holoenzyme (enzyme hai thành phần)

Trong trường hợp nhóm ghép là những chất hữu cơ có trọng lượng phân tử bé được liên kết với phần protein thì nhóm ghép được gọi là coenzyme Theo cách đó thì:

Nếu đứng riêng rẽ thì cả coenzyme cũng như apoenzyme đều không có khả năng xúc tác Chỉ có lúc nào 2 phần này kết hợp với nhau thì hoạt tính xúc tác của enzyme mới thể hiện

Bản chất hóa học của coenzyme rất khác nhau:

- Một số loại này chính là các vitamin Sự liên quan về chức năng giữa các vitamin và các coenzyme được giới thiệu ở bảng sau:

Apoenzyme + Coenzyme Holoenzyme

Coenzyme Chức năng Vitamin tương

ứng NAD, NADP

Thiamine(B1) Pyridoxine(B6)

- Các ion kim loại có vai trò cần thiết bắt buộc cho sự hoạt động của enzyme Các ion (cation) có chức năng giống với các coenzyme

Người ta gọi các ion kim loại đó là các coenzyme đơn giản Các enzyme cần ion kim loại cho việc thực hiện chức năng của mình được gọi

là metalloenzyme Chức năng của các ion kim loại nói chung phần nhiều

là chúng tạo ra các phức hợp kiểu chelate giữa một nhóm nhất định nào đó của cơ chất và enzyme Trước tiên các cation tạo phức “ion kim loại – cơ chất”, sau đó phức hợp này mới phản ứng với enzyme Các ion Ca, Cu,

Mg, Mn, Mo, Zn, … đều là những ion tham gia trong sự hoạt động của các enzyme

3.3 Tính đặc hiệu của enzyme

Khả năng xúc tác với tính đặc hiệu cao là một trong những đặc tính cơ bản và quan trọng nhất của enzyme Tính đặc hiệu của enzyme thể hiện ở chỗ: enzyme chỉ xúc tác cho một trong vô số những chuyển hóa có thể có được đối với các chất Có hai loại đặc hiệu cơ bản đó là đặc hiệu phản ứng

và đặc hiệu cơ chất

* Tính đặc hiệu phản ứng: được thể hiện ở chỗ enzyme chỉ có khả

năng lựa chọn một dạng phản ứng trong số các phản ứng và xúc tác cho phản ứng đó Điều đó thấy rõ trong ví dụ sau đây:

Dưới tác dụng của oxidase, aminoacid bị khử amine hóa bằng cách oxy hóa để tạo ra cetoacid và NH3 Với sự có mặt của oxidase, một phản ứng khác khử carboxyl hóa lại không thể xảy ra Việc xúc tác này đòi hỏi phải có enzyme khác, đó là decarboxylase Cũng như vậy, phản ứng chuyển amine hóa đòi hỏi phải có transaminase

* Tính đặc hiệu cơ chất: Enzyme có thể lựa chọn đối với các chất

tham gia phản ứng Không phải mọi cơ chất có khả năng phản ứng đều được enzyme “tiếp nhận” như nhau

Mỗi enzyme chỉ chuyên xúc tác cho một hoặc một vài cơ chất nhất định và mức độ đặc hiệu của nó tùy thuộc vào từng loại enzyme Có 3 mức độ đặc hiệu cơ chất chủ yếu:

a) Đặc hiệu tương đối: Enzyme chỉ có thể tác dụng lên một kiểu

liên kết hóa học nhất định mà không phụ thuộc vào các nhóm hóa học nằm

ở hai bên liên kết Ví dụ các esterase có thể tác dụng lên hàng loạt các ester của phosphoric acid

b) Đặc hiệu nhóm: biểu hiện là enzyme chỉ có thể tác dụng lên một

kiểu liên kết hóa học nhất định và một trong hai nhóm nằm ở hai bên liên

R1 – C – COOH + NH3

2H oxidase O Cetoacid(1)

H2O

kết cũng phải có cấu tạo nhất định Ví dụ carboxylpeptidase có khả năng phân hủy liên kết peptide gần nhóm –COOH tự do, nghĩa là liên kết peptide ở cuối mạch polypeptide, …

c) Đặc hiệu tuyệt đối: Enzyme chỉ tác dụng lên một kiểu liên kết

nhất định và các nhóm hóa học ở hai bên liên kết cũng phải xác định

Ví dụ: Enzyme trypsine thủy phân các liên kết peptide giữa lysine hoặc

arginine với bất cứ aminoacid nào Sản phẩm là những đoạn peptide có lysine hoặc arginine chứa nhóm COOH tự do ở phía tận cùng của peptide

- Enzyme Trombine còn có tính đặc hiệu cao hơn trypsine: nó chỉ thủy phân liên kết peptide ở phía carboxyl của gốc arginine nào có gốc glycine đứng liền kề sau nó:

* Ngoài các tính đặc hiệu trên nhiều enzyme còn biểu hiện rất cao

về tính đặc hiệu hóa học lập thể (Đặc hiệu quang học): Enzyme chỉ tác

dụng lên những dạng đồng phân lập thể nào đó của các chất hữu cơ

Ví dụ: Enzyme L-lactatdehydrogenase chỉ tác dụng lên L-lactic

acid mà không tác dụng lên D-Lactic acid Muốn tác dụng lên D-Lactic acid phải có enzyme D-lactatdehydrogenase

IV – CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG TỚI HOẠT TÍNH XÚC TÁC CỦA ENZYME

4.1 Nhiệt độ

Trong phạm vi lý học, tốc độ của phản ứng tăng lên cùng với sự tăng của nhiệt độ Nhưng khi vượt quá phạm vi nào đó, các phản ứng được enzyme xúc tác bị ảnh hưởng do sự biến tính của phân tử protein-enzyme Kết quả này phụ thuộc vào nhiệt độ tối thích của enzyme, là nhiệt độ mà tại đó tốc độ phản ứng enzyme đạt cực đại

Mỗi enzyme có nhiệt độ tối thích khác nhau Sự khác nhau này tùy thuộc vào nguồn gốc của các enzyme, tùy theo từng điều kiện hoặc từng

sự khác nhau về tính nhạy cảm với nhiệt độ của phân tử protein-enzyme

Đa số enzyme mất hoạt tính xúc tác ở nhiệt độ cao(>80oC), trừ papain, myokinase có thể tồn tại ở 100o

C

4.2 Ảnh hưởng của pH

Mỗi enzyme đều có trị số pH tối thích nào đó đối với hoạt tính của chúng Ở ngoài phạm vi của trị số này hoạt tính của enzyme đều bị giảm thấp

Trị số pH tối thích của một số enzyme như sau:

Enzyme pH tối thích Pepsine

Amylase(mạch nha) Amylase(nước bọt) Trypsine

Arginase Catalase Peroxidase

1,5 – 2,5 4,6 – 5,0 6,8 – 7,2 7,8 – 9,5 9,8 6,8 – 7,0 6,0 Những nguyên nhân sau đây có thể dẫn tới sự phụ thuộc vào pH của enzyme:

Hoạt

tính

Nhiệt độ tối thích

20 30 40 50 60 70 80 toC

a) Nếu trong số các nhóm bên tham gia trực tiếp trong sự hoạt động của enzyme chứa nhóm có khả năng phân ly

b) pH đã ảnh hưởng tới các nhóm phân ly khác của protein-enzyme vốn có tác dụng trong việc duy trì cấu hình có hoạt tính của enzyme

c) Sự thay đổi pH của môi trường có thể ảnh hưởng tới các nhóm phân ly của cơ chất hay của coenzyme vốn được kết hợp với enzyme

4.3 Ảnh hưởng của chất hoạt hóa và chất kìm hãm enzyme

Những chất nào có khả năng làm tăng hoạt tính xúc tác của enzyme thì được gọi là chất hoạt hóa enzyme Các chất đó thường là các ion kim loại như: K+

, Na+, Mg+2, Ca+2, Co+2, Zn+2, Mn+2, …

Ví dụ: Mg+2 làm tăng hoạt tính phosphatase

Ca+2 làm tăng hoạt tính lypase

Sự hoạt động của các enzyme đều có thể bị kìm hãm bởi các tác động gây biến tính protein Người ta phân biệt các hình thức kìm hãm enzyme

và phân biệt các chất kìm hãm enzyme như sau:

a) Chất kìm hãm chung: các chất này kìm hãm hoạt tính xúc tác

của tất cả các enzyme Các chất này là các muối kim loại nặng, chất tannin

độ cơ chất Tốc độ phản ứng đạt tối đa khi tất cả enzyme đều kết hợp vào

cơ chất

V – CƠ CHẾ XÚC TÁC CỦA ENZYME

Khi đặt vấn đề nghiên cứu về cơ chế xúc tác của enzyme người ta xuất phát từ giả thiết cho rằng trong các phản ứng được enzyme xúc tác, phức tạm thời “Enzyme – Cơ chất” được tạo thành Quá trình này gồm 3 giai đoạn:

Ở giai đoạn 1 phản ứng xảy ra tương đối nhanh, cơ chất (S) được liên kết với enzyme (E) nhờ các liên kết yếu Lúc này sự liên kết không gian

giữa các phân tử cơ chất và enzyme chưa đủ hiệu quả đối với sự xúc tác của enzyme

Ở giai đoạn tiếp theo xảy ra sự biến đổi của cơ chất (S) có liên quan tới việc phá vỡ hay hình thành các liên kết cộng hóa trị Ở giai đoạn này,

cơ chất được hoạt hóa (một hoặc vài phức chất ES chuyển tiếp được hoạt hóa) Ở đây, cấu trúc bậc 3 của enzyme luôn biến đổi tạo khả năng tiếp xúc giữa các nhóm hoạt động của enzyme với cơ chất đang biến đổi Enzyme đã làm biến đổi phần tử cơ chất làm cho các liên kết bên trong phân tử trở nên “lỏng lẻo” hơn, do đó chỉ cần một lượng năng lượng nhỏ cũng đủ làm cho cơ chất biến thành các sản phẩm (P) khác nhau

Người ta đã chứng minh rằng trong khi hình thành phức chất ES có 2 quá trình đồng thời xảy ra nhanh chóng đó là:

a) Sự thay đổi mật độ điện tử gây nên sự phân cực hóa các liên kết b) Sự biến dạng về mặt hóa học của các liên kết “kéo căng” trong phân tử cơ chất

Cả hai yếu tố này (sự biến hình và sự phân cực hóa các liên kết đồng hóa trị) đều làm tăng thế năng nhiệt động học của các liên kết này, nghĩa là xúc tiến việc vượt qua “hàng rào” năng lượng hoạt hóa của quá trình chuyển tiếp phức “Enzyme-Cơ chất”

K+1([E] [S]) = K-1[ES]

K+1

E + S ES

K-1

từ đó ta có:

1

1K

s

K =   

 ES

S.E

 Ks=

1

1K

* Nếu Ks có giá trị nhỏ thì tốc độ tạo ES sẽ nhanh đồng thời phản ứng enzyme cũng tiến hành nhanh Vậy nếu Ks càng nhỏ thì nồng độ ES càng cao

Ở giai đoạn 1 ta đã tính được: Ks=    

 ES

S

E  Hay viết dưới dạng khác là: [E] [S] = Ks[ES] (3) Nếu gọi [Eo] là nồng độ chung của enzyme trước khi bắt đầu tham gia phản ứng

[E]: nồng độ enzyme ở dạng tự do (không tạo phức hợp) [ES]: nồng độ của phức hệ ES

thì nồng độ enzyme không tạo phức hợp (ở dạng tự do) là:

[E] = [Eo] - [ES] (4) Thay vào phương trình (3), ta có:

([Eo] - [ES]) [S] = Ks [ES]

Triển khai:

[Eo] [S] - [ES] [S] = Ks [ES] hay là:

Ks [ES] + [ES] [S] = [Eo] [S] hay là:

[ES](Ks + [S]) = [Eo] [S]

Từ đó

[ES] = [Eo]  

 SK

S

s  (5) Như vậy nồng độ [ES] càng lớn thì tốc độ phản ứng enzyme càng lớn (vì Ks lúc đó sẽ nhỏ) Tốc độ sẽ đạt tới tối đa khi nồng độ phức hệ [ES] bằng nồng độ enzyme ban đầu [Eo] ([ES] = [Eo]) nghĩa là khi tất cả enzyme đều được kết hợp với cơ chất thì phản ứng enzyme là tối đa

V: tốc độ phản ứng enzyme (ở giai đoạn đầu)

Vmax: tốc độ tối đa

s  Vậy

S

s 

Từ đó: V = Vmax  

 SK

S

s Đây là phương trình Michaelis và Menten (1913) dùng để tính tốc

Như vậy ở giai đoạn này ta có:

Hay là: (K-1 + K+2) [ES] = K+1 [E] [S] (6)

Từ phương trình (4): [E] = [Eo] - [ES]

Thay vào phương trình (6), ta có:

(K-1 + K+2) [ES] = K+1 ([Eo] - [ES]) [S]

từ đó:

K+1 K+2

E + S ES E + P

K-1 K-2

K-1[ES] + K+2[ES] = K+1[E] [S]

Tốc độ phân giải Tốc độ phân giải Tốc độ tạo phức hệ ES phức hệ ES  E + S phức hệ ES  E + P

2 1K

KK

Eo 

=      

 ES

SSES

Đặt

1

2 1K

KK

Km được gọi là hằng số Michaelis (đo bằng mol/lit) (tính theo khi

mà sự tạo [ES] và phân li [ES] bằng nhau)

S.Em

o

 (7) Mặt khác tốc độ phản ứng tính theo sự hình thành sản phẩm P từ [ES] bằng:

2

K

V

 =   

 SK

S.Em

o

Vậy V =   

 SK

S.E.Km

o 2

SEm

0

Vậy

SEm

0

 =

 

 SK

S

m  có thể viết dưới dạng phương trình:

Theo phương trình này thì khi [S] tăng thì tốc độ phản ứng tăng Nhưng khi nồng độ cơ chất [S] tăng đến một mức độ nào đó thì đạt tới giá trị tốc độ cực đại:V = Vmax Sau đó thì V không tăng theo nồng độ cơ chất [S] vì V đã luôn luôn =Vmax

Đó là phương trình biểu diễn sự phụ thuộc của tốc độ phản ứng với nồng độ cơ chất Có thể biểu diễn bằng dạng hiperbol:

Có thể giải thích của đường biểu diễn dạng hiperbol như sau: Trong phản ứng có enzyme xúc tác số phân tử cơ chất lớn hơn số phân tử

  1SK

VV

enzyme rất nhiều (S>E) Cơ chất chỉ được chuyển hoá khi tạo thành phức

hệ enzyme Do đó tốc độ phản ứng phụ thuộc vào nồng độ phức hệ [ES]

Nồng độ [ES] ở 3 điểm A, B, C không giống nhau Ở điểm A và B còn vài phân tử enzyme chưa kết hợp với cơ chất, do đó nếu tăng hay giảm nồng độ cơ chất [S] sẽ làm tăng hay giảm sự va chạm giữa E và S nghĩa là làm tăng hay giảm nồng độ [ES] và sẽ ảnh hưởng tới tốc độ phản ứng và tốc độ là hàm số của nồng độ cơ chất [S]

Tới điểm C tất cả phân tử enzyme đã kết hợp với S nên khi tăng nồng độ cơ chất có thể làm tăng dần sự va chạm giữa E và S nhưng không làm tăng tốc độ phản ứng

Vì không còn enzyme tự do để có thể gắn thêm vào cơ chất và tốc

Vmax thì Km = [S] Như vậy nghĩa là hằng số Michaelis

bằng nồng độ của cơ chất khi mà tốc độ phản ứng bằng

SKmax

m  

V

1

= max

mV

K

 S

1

+ max

V1

Phương trình có dạng y = ax + b và đường biểu diễn có dạng đường thẳng như sau:

V = Vmax  

 SK

S

m 

V1