Bài giảng Hóa sinh đại cương - Chương 3: Enzyme

Bài giảng Hóa sinh đại cương - Chương 3 Enzyme cung cấp cho người học những kiến thức như: Khái niệm chung về hiện tượng xúc tác; Enzyme là chất xúc tác sinh học; Đơn vị hoạt lực của enzyme; Phần lớn các enzyme có bản chất là protein; Trung tâm hoạt động của enzyme;...

Chương 3: ENZYME

- Chất xt làm giảm NL h.hoá của các pứ h.học 

làm pư diễn ra nhanh

3.1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN

3.1.1 Khái niệm chung về hiện tƣợng xúc tác

- En zyme = trong tế bào men

Pastuer (phái sinh lực) >< Libig (E là một chất, tách khỏi

TB vẫn hđ cn)

- Năm 1926, Sumner tinh chế được urease

Ph.tích  urease được c.tạo từ các aa  urease là protein

- Năm 1929, Northrop, tinh khiết được pepsin từ dịch vị;

Ph.tích thấy pepsin là protein

- Đầu TK 20, Büchners dùng nước chiết từ Saccharomyces cerevisie cho t.động lên tinh bột, t.bột  rượu

- Đến nay, trên 3000 E đã được m.tả chi tiết, nhiều E đã được ph.lập Người ta đã kh.phá ra ctb1, c.trúc kh.gian và

mô tả chi tiết CCTĐ của nhiều E

- E = chất x/t s/học (biocatalyst), làm tăng t/độ các p/ứ h/sinh

- Có đầy đủ t/chất c/bản của chất x/t: chỉ làm tăng t.độ p.ứ, không th/gia vào s.phẩm cuối cùng, (làm tăng t/độ cả 2 chiều p/ứ, làm p/ứ chóng đạt tr/thái c/bằng)

- Enzyme ưu điểm hơn các chất x/t h/học thông thường:

3.1.2 Enzyme là chất xúc tác sinh học

• Hiệu quả x/t vô cùng lớn

• Có tính đặc hiệu theo kiểu p/ứ và cơ chất

• X/t trong những đ/k m/trường tương đối ổn định

• Hoạt tính x/t có thể được điều khiển

- Nhược điểm:

• Mẫn cảm với nhiều y/tố

• Luôn bị ph/giải và tái t/hợp trở lại

Càng ngày càng có nhiều ph/hiện mới về E; môn enzyme học (Enzymology) đã hình thành

Các hướng n/c của enzyme học:

- Cấu trúc ph/tử E và gi/thích ch/năng của E

3.1.3 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 b/đổi 1 mol cơ chất trong th/gian 1 phút ở đ/k 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 x/t làm biến đổi 1 mol cơ chất trong th/gian 1 giây ở đ/k chuẩn

kat = 10-6 kat; ηkat = 10-9 kat

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

3 2 CẤU TRÚC VÀ CÁC DẠNG ENZYME

3.2.1 Phần lớn các enzyme có bản chất là protein

- E = protein hình cầu, phần lớn (60-70%) là protein ph/tạp

- E đầu tiên được x/định ctb1: ribonuclease (của tụy bò, năm 1960), là E cắt lk phosphodiester trong ARN; ph/tử là 1 chuỗi polypeptide có 124 aa, 4 cầu –S-S- Cytochrome c (năm 1962) là 1 chuỗi có 104 aa, 1 nhóm hem chứa Fe

- Đến nay đã biết c/tạo của hàng nghìn E E có ng/tắc c/tạo, các bậc c/trúc và các t/chất như bất kỳ 1 protein nào

- E có b/c protein (trừ ribozyme hay riboenzyme, RNA có k/n xt)

E giống các protein khác:

• E tan trong nước hoặc trong d/dịch muối loãng

• E cũng không qua được màng bán thấm

• Tất cả các y/tố làm b/tính protein (acid đặc, kiềm đặc, muối KL nặng, to cao, …) đều làm E b/tính và mất h/tính x/t

Xét về c/trúc, có 2 loại enzyme:

• Đơn giản (1 th/phần)

• Phức tạp (2 th/phần): protein (apoenzyme)

cofactor Apoenzyme + cofactor ↔ holloenzyme

• Chất gây k/tủa th/nghịch protein (amon sulfat, NaCl, d/môi h/cơ ở to thấp) cũng t/động t/tự tới các ch/phẩm E  dùng các chất này để k/tủa và ph/lập E

• Tuỳ pH m/t, E mang điện dương, âm hay tr/hoà về điện 

điện di để ph/tích các loại E và các dạng p/tử E

• Các E cũng được t/hợp dưới sự đ/khiển của các hệ gien

• Cơ chế STH enzyme chính là c/chế STH protein

3.2.2 Các cofactor

- C/trúc nhỏ, không được c/tạo từ các aa

- Th/phần của các E ph/tạp, làm nh/vụ v/c các ng/tử hay e

-trong các p/ứ h/học mà E của nó xt

Hai loại cofactor:

- Nhóm gép (prosthetic group) gắn chặt với apoenzyme, là th/phần cố định của ph/tử E

VD: FMN; FAD của dehydrogenase;

PLP của aminotransferase; Hem của các cyt

- Coenzyme gắn lỏng lẻo với apoenzyme, dễ tách ra và nhập lại, chạy giữa các apoenzyme

VD: NAD+; NADP+ của các dehydrogenase

Khái niệm:

Nhóm ghép Coenzyme

Bảng 3.1 Một số cofactor là dẫn xuất của vitamin

Một số E có nhóm ghép là kim loại

E chứa kim loại = Metaloenzyme)

Cấu trúc của một số cofactor:

B/chất h.h khác nhau; p.tử thường chứa dị vòng - phần trực tiếp th.gia p.ứ hoặc có c/n nhận biết các đại p.tử Nhiều cofactor là d.x của VTM, phần lớn chứa phosphate

- Cofactor của các oxidoreductase:

NAD+ (Nicotinamide - Adenine - Dinucleotide)

NADP+ (Nicotinamide - Adenine - Dinucleotide - phosphate)

PP: Pellagra Preventive

Là 2 d/x của vit PP (nicotinamide, niacin)

NAD+ và NADP+ là t/phần c/tạo của khoảng 250 E deh

Một trong hai

H tách ra từ S (H+ và e-) gắn C4 trên vòng pyridine, (e-

thứ 2 gắn vào N1, làm mất dấu +, H+ thứ

2 gắn với apoenzyme

hoặc nhả ra ngoài mt

Cấu tạo và cơ chế h/động:

FMN: Flavin mononucleotide

FAD: Flavin – Adenine - Dinucleotide D/x của vit B(Riboflavin) 2

FMN và FAD liên kết chặt với apoenzyme, tạo flavoprotein (FP)

Các FP th/gia v/c H trong các p.ứ OXHK: nhận H từ NADH, NADPH hoặc tách H của S để tạo nối đôi; th/gia cả p.ứ v/c ôxy

và v/c 1 e-

Dạng OXH (FAD, FMN) có màu vàng Lõi h/đ là vòng isoalloxasine (isoalloxasine ring)

Lipoate gắn với apoen nhờ l/k peptide giữa COOH của nó và nhóm NH2-C của gốc Lys trong apoen Khi nhận H, vòng disulfide mở ra, tạo 2 nhóm SH

E chứa lipoate tách H của aldehyde tạo ra acid carboxylic (1 p.ứ trong q/t khử carboxyl OXH của ketoacid

Cơ chế h.đ trong qt v/c điện tử:

Coenzyme Q V/c H, th/viên của chuỗi h/hấp

- Cofactor của các tr ansferase :

ATP (adenosine triphosphate): cofactor của kinase, v/c phosphoryl (-PO32-) tới OH của rượu, tới các acyl

VD: p.ư hoạt hóa glucose

TPP (thiamine pyrophosphate) là dx của vit B1

Hai vòng pyrimidine và thiazol gắn nhờ cầu -CH2- Phần th/gia p.ứ là vòng thiazol, pyrimidine và nhóm diphosphate gắn với apoen

E có TPP là th.viên của tổ hợp đa E khử carboxyl OXH của các ketoacid, tạo ra các acid ngắn hơn 1C hoặc các thioester (R-CO-S-CoA)

Vòng thiazol

Vitamin B1 (thiamine)

PLP (pyridoxalphosphate) dx của vitamin B6

Có trong transaminase - chuyển amin

decarboxylase - khử carboxyl cho aa

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

Pyridoxal

Coenzyme A, CoA.SH (coenzyme acyl hoá)

- V/c acyl,

- Acyl được gắn nhờ liên kết thioester

R - CO.S CoA = Acyl.CoA (acid béo h.đ = acid béo h.hóa)

CH3CO.S.CoA = acetyl.CoA (a acetic h.đ)

3.2.3 Trung tâm hoạt động của enzyme

- Vùng kh/gian gi/hạn nhỏ, chứa các nhóm c/n được ph.bố, định hướng một cách chính xác Các nhóm c/n này là th.phần của các gốc aa xa nhau trên chuỗi polypep., song gần nhau trong kh.gian nhờ sự gấp cuộn của chuỗi (nhờ ctb 3)

Các nhóm c/n:

• :OH của Ser

• :SH của Cys

• COOH của Glu và Asp

• Vòng imidazol của His

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

Theo Ficher (1890), TTHĐ của E được hình thành sẵn với một

c/tạo nhất định và chỉ kết hợp với S có c/trúc b/sung thích hợp

Sự thích ứng này như “ổ khoá” và “chìa khoá” Điều này phần nào gi/thích được tính đ/hiệu của E

Nhiều người khác cho rằng TTHĐ không được h/thành sẵn trên p.tử E mà nó chỉ được h/thành khi có t/động t/hỗ giữa E và S

Theo Kosland (1958), trong thuyết “cảm ứng thích

hợp”, khi có sự t/xúc với S, chính S đã gây c/ứng, làm b/đổi hình dạng p.tử E, làm cho các nhóm c/n của

TTHĐ được đ/hướng 1 cách th/hợp và ch/xác để gắn với S Như vậy, TTHĐ của E thực sự được h/thành

trong q/trình t/xúc giữa E và S

3.2.4 Tổ hợp đa enzyme và enzyme dị lập thể

a Các tổ hợp đa enzyme (multienzyme complex)

- Nhiều p.tử E chỉ là một chuỗi polypep (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 trong 1 dây chuyền p.ứ của tổ hợp

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

• Tổ hợp pyruvate dehydrogenase

Các tổ hợp đa enzyme có ý nghĩa gì?

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

b Các enzyme dị lập thể (allosteric enzyme)

- TTĐK = nơi gắn chất có k/n làm b.đổi c/n xt của E

- H/tính được đ.kh bởi các chất gây h/ứng dị lập thể (allosteric effectors) là chất có k/n b/đổi cấu hình E và ả/h tới h/tính xt của E

- 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 có c.trúc khác biệt nhau

và định vị ở những kh/vực khác nhau trên ptử E

Chất ức chế làm mất k/n xt của E

3.2.5 Sự phân bố và các dạng enzyme

- Enzyme nội bào: chiếm số đông, 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

b Các zymogen 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, …

a Enzyme nội bào và enzyme ngoại bào

Các zymogen được v/c nhờ dịch bào từ nơi hình thành đến nơi th/gia các hđ h/học

Cơ chế h/hoá các zymogen :

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

- Phá vỡ 1 hay một vài lk m/chốt để s/xếp lại c/trúc kh/gian, tạo TTHĐ (VD: chymotrypsinogen)

Qt h/ hoá th/hiện nhờ:

+ protease đ/hiệu

+ dạng hđ của chính E ấy (tự h/hoá)

Sự h/thành các protease h/đ từ zymogen t/ứng là cơ chế đ/hòa h/lượng E, đ/thời b/vệ cho TB đã sx ra E này

- Nhiều dạng  nhau của 1 E cùng xt cho 1 pứ nào

đó (cùng c/năng x/tác)

- Các isozyme của 1E khác nhau về ctb1 (có c/sở d/truyền  nhau, được mã bởi các gen khác nhau)

c Các isozyme hay isoenzyme

- Có thể là các dạng  c nhau của 1 E được thay thế dần trong qt ph/t của cơ thể hay các dạng đảm nhiệm những v/trò giống nhau ở những m/bào khác nhau

- Chúng là SP của các gen độc lập (VD malate dehydrogenase của TLT và của TBC) hay có thể được đ/khiển bởi các đoạn ADN khác nhau

VD: lactate deh (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

Ý nghĩa của 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)

3.3 TÍNH ĐẶC HIỆU CỦA ENZYME

• Do có bản chất là protein  sự xt của E có tính đặc hiệu

• Là tác động riêng của từng E với 1 cơ chất, 1 nhóm cơ chất nh/định và theo 1 kiểu phản ứng nhất định

3.3.1 Tính đặc hiệu phản ứng

- Đặc hiệu theo kiểu phản ứng được xúc tác

- Một cơ chất được ch/hoá nhờ các E có t/dụng đ/hiệu 

nhau thành những SP  nhau

VD: 1 aa có thể được ch/hoá theo kiểu p ư khử nhóm amin , chuyển amin hay khử carboxyl (nhờ xt của các E đặc hiệu tương ứng là oxidase , transaminase hay

decarboxylase)

3.3.2 Đặc hiệu cơ chất

a Đặc hiệu cơ chất tuyệt đối

Xt cho 1 cơ chất duy nhất VD: urease chỉ x/tác sự th/phân urê (thành NH3 và CO2)

b Đặc hiệu tương đối (theo nhóm)

X/tác 1 p/ứng nh/định cho 1 nhóm cơ chất cùng loại VD:

Alcol dehydrogenase x/tác sự ÔXH của nhiều rượu Hexokinase hoạt hóa (chuyển phosphoryl từ ATP đến) các hexose khác nhau

- Tính đặc hiệu cơ chất do phần apoenzyme q/định

pứ đồng phân hoá của aa

Cái gì quyết định tính đặc hiệu của enzyme ?

Làm cho các pứ xảy ra theo một trật tự nhất định, không

hỗn loạn; tuỳ từng lúc, từng đk mà diễn ra qt ph.giải, hoặc

là t/hợp

Tính đặc hiệu của enzyme có ý nghĩa gì?

Các p/ứng thường cần được hoạt hoá mới xảy ra được Trong pứ E, NL h.hoá được lấy từ đâu?

Giống như trong x/tác dị thể, p.tử cơ chất được h/phụ

có thể TĐ NL với pha rắn:

Các p.tử cơ chất l/k với E có thể TĐ NL với các cấu trúc

kề cận của E E đóng v/trò là chất dự trữ và chuyển tải

NL NL dễ dàng chuyển tới các nhóm x/tác và tới cả

những phần cơ chất gắn với E

NL g/ph khi cơ chất gắn với E được cho là nguồn NL

h.hóa của pứ E Chỉ một phần nhỏ p.tử E tr/tiếp th/gia xt, phần còn lại tạo c/trúc ba chiều th/hợp để tăng cường

NL l/k giữa E và cơ chất

3.4 CƠ CHẾ HOẠT ĐỘNG CỦA ENZYME

∆G1: NL h.hoá của p.ứ không được x.t

∆G2: NL h.hoá của p.ứ có E x.t

E làm tăng vận tốc p.ứ nhờ ổn định tr/thái chuyển tiếp

Mức độ ổn định càng cao, p.ứ diễn ra càng nhanh

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

- Q/t tạo phức hợp ES xảy ra rất nhanh và ph/hợp này

kém bền vững

- Chỉ cơ chất có c/trúc đ/hiệu có t/dụng gây cảm ứng và

k/hợp được với TTHĐ để tạo ES

- Nhờ t/tác với E, cơ chất bị b/đổi theo hướng h/động

hơn C/tạo e- tử của cơ chất bị b/đổi, các l/k chịu t/dụng của E bị căng và xoắn vặn, độ bền của l/k giảm, cơ

chất ở vào tr/thái chuyển tiếp tạm thời, h/tính hóa học tăng lên rất nhiều  chỉ cần NL hoạt hóa rất nhỏ cũng làm p ứng xảy ra nhanh

Ph/hợp tr/gian ES tạo thành nhờ những l/kết phụ

Những pứ t/tác xảy ra trong ph/hợp ES g/phóng 1

phần NL t/do Đây là nguồn NL để đưa cơ chất vào

tr/thái ch/tiếp tạm thời và làm hạ thấp NL hoạt hóa

Sự b/đổi các mức NL trong pứ xt của E trải qua nhiều bước:

- Cơ chất được h/hoá chuyển vào tr/thái ch/tiếp t/thời,

pứ với cơ chất, tạo ph/hợp ES

- ES lại được h/hoá, đưa vào tr/thái ch/tiếp t/thời để

biến thành ph/hợp EP

- Ph/hợp EP chuyển vào tr/thái ch/tiếp t/thời rồi tách ra s/phẩm P và gi/ph E

Sucrase thủy phân sucrose thành glucose và fructose

→ Y/tố làm E có h/quả xt và tính đ/hiệu cao là gì?

- Bộ máy h.học của TTHĐ có thể làm biến dạng hay phân cực các lk của cơ chất, làm cơ chất trở nên

h/động hơn

- Trung tâm lk làm tăng n/độ cơ chất và cố định cơ

chất trong 1 không gian hình học chính xác với các

nhóm xt

- Sự đ/hướng chính xác của cơ chất trong TTHĐ làm cho từng bước của pư diễn ra với sự dịch chuyển nhỏ nhất của cơ chất

- Ph/thức cố định cơ chất ở trung tâm lkết c/cấp NL

cho p/ứng E

Các y/tố trên thể hiện ở những mức độ khác nhau và cùng t/động, làm E có h/quả xt và tính đ/hiệu cao

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 cơ chất (OH, SH, N

trong vòng imidazol) Trong 1 số tr/hợp, ngược lại, các nhóm xt lại nhận e- từ nhóm ái nhân của cơ chất (ion KL và NH3+ trong TTHĐ)

- Nhiều E làm việc theo ng/tắc xt acid-base (h.tính của 1 trong các cơ chất tăng khi nhận H+ hoặc bị tách H+ ) Các nhóm

carboxyl, amin, phenol, thiol và đ/biệt là vòng imidazol h/động đ/thời như chất cho hay chất nhận H+ trong đk pH sinh lý

- Nhiều pứ E diễn ra nhờ các cofactor Khi gắn với E, cơ chất tiếp xúc tr/tiếp với cofactor, tạo đk th/lợi cho pứ xảy ra Đ/thời các cofactor cũng th/xuyên c/cấp NL cho các pứ E (đối với

cofactor có mạch phosphate cao năng hay các nucleotide)

- Rất nhiều E làm tăng t/độ pứ nhờ tạo SPTG rất h/động với cơ chất Sau đó pứ phân thành 2 hay nhiều phần nhỏ, và cả NL h.hóa hoá cũng chia thành những phần nhỏ hơn