ENZYM VÀ XÚC TÁC SINH HỌC
4. KIỂM SOÁT HOẠT ĐỘNG CỦA ENZYM
Trong các hệ thống sinh học, vận tô"c phản ứng của nhiều enzym bị thay đổi khi có sự hiện diện của những phân tử khác được gọi là chât hoạt hóa và chất ức chế (gọi chung là các chất tác động). Thông thường các quá trình chuyển hóa được điều hòa theo phương thức sau : enzym tham gia đầu tiên vào quá trình được ức chế bởi sản phẩm cuối cùng của quá trình đó. Cơ chế này được gọi là ức chế ngược hay còn gọi là ức chế bởi cơ chế feed
back và cơ chế này thường liên quan đến giai đoạn khởi đầu của quá trình chuyển hóa (chuyển A thành B trong sơ đồ ở hình 7.15). Giai đoạn khởi đầu là bước đầu tiên tạo ra sản phẩm trung gian đặc hiệu của quá trình và kích động chất chuyển hóa tiếp tục chuyển hóa theo trình tự tiếp theo của quá trình. Sự điều hòa enzym xúc tác giai đoạn khởi đầu của quá trình chuyển hóa cho phép tiết kiệm được năng lượng dự trữ của cơ thể và tránh tích tụ một lượng lớn chất chuyển hóa trung gian vô ích.
Đối với các quá trình chuyển hóa bị phân nhánh, cơ chế ức chế ngược phải cho phép tổng hợp được sản phẩm của một nhánh của quá trình chuyển hóa để hoạt động ngay cả khi có sự dư thừa của một sản phẩm khác của quá trình. Trong trường hợp này, một tiến trình ức chế ngược từng dãy sẽ được thực hiện, khi đó sản phẩm cuối cùng của một nhánh phản ứng sẽ ức chế enzym đầu tiên ngay sau điểm phân nhánh ( chuyển c thành D hay c
thành E ở hình 7.16). Khi chất trung gian ở điểm phân nhánh tích tụ thì khi đó chất này đến lượt nó sẽ ức chế bước khởi đầu của toàn bộ quá trình (chuyển A thành B trong sơ đồ ở hình 7.16)
Các sản phẩm cuối cùng của một quá trình chuyển hóa bao gồm nhiều phản ứng xúc tác bởi các enzym thường ít khi tương đồng với hợp chất ban đầu của quá trình về mặt cấu trúc phân tử. Do đó, sản phẩm cuối cùng sẽ có thể được liên kết với enzym ở một vị trí kiểm soát khác với vị trí của trung tâm hoạt động của enzym. Những enzym loại này được gọi là các enzym dị lập thể.
A -►B > c
E l
Ạ
E2 e 3 e4 En
El bị ức chế bởi sản phẩm z
Hình 7.15. ứ c chế bỡi cơ chế feed-back
A
Hình 7.16. ứ c chế bởi cơ chế feed-back từng dãy trong quá trình biến dưỡng 4.2. Enzym dị lập thể
Đường biểu diễn của vận tốc phản ứng ban đầu Vo theo [S] của một enzym dị lập thể có dạng sigma thay vì dạng hyperbol như trong trường hợp của phương trình Michaelis- Menten. Đường biểu diễn này cho thấy một đoạn dốc đứng ở khoảng giữa của nồng độ cơ chất, phản ảnh một sự gia tăng nhanh chóng tốc độ phản ứng của enzym xảy ra trong một khoảng giới hạn của nồng độ cơ chất. Điều này cho phép các enzym dị lập thể đặc biệt nhạy với những thay đổi nhỏ của nồng độ cơ chất trong khoảng giới hạn này. Đốì với các enzym dị lập thể, liên kết của một phân tử cơ chất với trung tâm hoạt động ảnh hưởng đến liên kết của những phân tử cơ chất với các trung tâm hoạt động khác trong phân tử enzyrn.
Những trung tâm hoạt động khác nhau này được gọi là đồng hoạt động đôi với liên kết và tác động trên phân tử cơ chất. Do vậy, các enzym dị lập thể thường là các protein câu tạo bởi nhiều tiểu đơn vị với một hay nhiều trung tâm hoạt động trên mỗi tiểu đơn vị.
Liên kết của cơ chất với một trung tâm hoạt động làm cảm ứng thay đổi câu hình trong phân tử protein và gây ảnh hưởng đến những trung tâm tác động khác; điều này làm thay đổi ái lực của các trung tâm đó đối với các phân tử cơ chất.
Ngoài ra các enzym dị lập thể có thể được kiểm soát bởi các chất tác động (hoạt hóa và ức chế). Các chất này được liên kết với enzym tại một vị trí khác với trung tâm hoạt động (trên cùng một tiểu đơn vị hay trên một tiểu đơn vị khác). Bằng cách này, chúng gây ra một sự thay đổi cấu hình của trung tâm hoạt động và làm thay đổi vận tốc của phản ứng của enzym. Một chất hoạt hóa dị lập thể làm tăng vận tốc phản ứng của enzym còn chất ức chế dị lập thể làm tác động của enzym.
Aspartat transcarbamoylase
Aspartat transcarbamoylase (aspartat carbamoyl transferase, ATCase) là một enzym then chốt trong quá trình sinh tổng hợp pyrimidin. Đây là một thí dụ điển hình trong cơ chế điều hòa dị lập thể.
ATCase xúc tác việc tạo thành N-carbamoylaspartat từ aspartat và carbamoyl phosphat: đây cũng chính là bước giới hạn sự sinh tổng hợp pyrimidin (hình 7.17). Liên kết
131
của 2 cơ chất aspartat và carbamoyl phosphat là đồng hoạt động như được cho thấy ở đường biểu diễn dạng sigma của vận tốc Vo biến thiên theo nồng độ cơ chất (hình 7.18)
ATCase gồm có 6 tiểu đơn vị xúc tác và 6 tiểu đơn vị điều hòa. Enzym bị ức chế ngược bởi sản phẩm cuối cùng của quá trình chuyển hóa là cytosine triphosphat (CTP).
CTP tác động như một chất ức chế dị lập thể. Các tiểu đơn vị điều hòa được liên kết với các phân tử cơ chất và gây ra một sự giảm tác động xúc tác của ATCase bằng cách làm giảm ái lực của các tiểu đơn vị xúc tác đối với các phân tử cơ chất. Trái lại, ATP, một trong những phân tử trung gian xuất hiện rất sớm trong quá trình sẽ tác động như một chất hoạt hóa dị lập thể, bằng cách làm tăng cường ái lực của ATCase đốì với các cơ chất của chúng và dẫn đến một sự gia tăng hoạt tính của enzym này (hình 7.17).
ATP tác động cạnh tranh với cùng một vị trí liên kết của CTP trên tiểu đơn vị điều hòa.
Ở một nồng độ cao của ATP báo hiệu cho tế bào biết rằng năng lượng đã sẳn sàng cho một sự tái bản ADN và như thế, ATCase được hoạt hóa để khởi động sự sinh tổng hợp các nucleotid có nhân pyrimidin cần thiết. Khi các nhân pyrimidin đã thừa, nồng độ cao của CTP ức chế ATCase để ngăn chận sự sinh tổng hợp không cần thiết nữa của N- carbamoylaspartat và những chất trung gian tiếp theo của quá trình chuyển hóa.
.coo H o COOH
NH2 HỐ
HOOC HO OC H
Aspartate Carbamoyl phosphate
Carbamoyl inorganic aspartate phosphate
Hoai hóa
As]—
\
\
ưc chẽ CTP
Vo
t +ATP
I---1---1---1---1---1---i--- ►
/ / ỵ ỵ Không có tác động dị lập thể
10 20 30 40 Aspartat (mM)
Hình 7.18. Đồ thị biểu diễn vận tốc phản ứng ban đầu (Vo) theo nồng độ cơ chất của một enzym dị lập thể (ATCase)
4.3. Sự thay đổi các liên kết cộng hóa trị thuận nghịch
Sự thay đổi các liên kết cộng hóa trị thuận nghịch bao gồm việc tạo thành và cắt đứt một ỉiên kết cộng hóa trị giữa một nhóm không phải là protein và một nhóm là phân tử enzym. Nhóm không phải là protein có thể liên kết thuận nghịch với enzym và tác động đến hoạt độ của enzym thường hay gặp là nhóm phosphat mà sự thêm vào được gọi là sự phosphoryl hóa và sự lấy đi gọi là sự khử phosphoryl hóa.
Sự phosphoryl hóa được xúc tác bởi protein kinase thường sử dụng ATP như một chất cho phosphat và sự khử phosphoryl hóa được xúc tác bởi protein phosphatase (hình 7.19). Sự thêm vào và lấy đi một nhóm phosphat gây ra những sự thay đổi câu trúc bậc ba của enzym và sẽ làm thay đổi tác động xúc tác của chúng. Một loại protein kinase chuyển nhóm phosphat đặc hiệu đến nhóm OH của gốc Serin hay Threonin của enzym đích [serin/threonin protein kinase (protein kinase phụ thuộc AMP vòng)]. Loại thứ hai chuyển nhóm phosphat đặc hiệu đến nhóm OH của gốc Tyrosin (Tyrosin kinase). Các protein phosphatase xúc tác sự thủy giải nhóm phosphat của protein để tái tạo lại nhóm OH nguyên thủy của acid amin và phóng thích Pi (hình 7.19)
Protein -OH ATP
Pi X
Protein phosphatase
Protein kinase
H20 ADP
Hình 7.19. Sự phosphoryl hóa và khử phosphoryl hóa thuận nghịch ở enzym.
133
Một enzym được phosphoryl hóa có thể hoặc là hoạt động hơn hoặc là kém hoạt động hơn so với dạng khử phosphoryl hóa của chúng. Do đó, sự phosphoryl hóa/ khử phosphoryl hóa có thể được sử dụng như một rờle nhanh và thuận nghịch để định hướng một con đường chuyển hóa tuân theo hoặc không theo nhu cầu của tế bào. Thí dụ glycogen phosphorylase là enzym trong quá trình phân hủy glycogen thì hoạt động ở dạng phosphoryl hóa và glycogen synthetase tác động trên quá trình tổng hợp glycogen thì họat động mạnh ở dạng không phosphoryl hóa.
Các loại thay đổi cộng hóa trị thuận nghịch khác được sử dụng để điều hòa hoạt động của một số enzym như sự adenylat hóa (chuyển nhóm adenylat từ ATP) và ADP- ribosyl hóa (chuyển ADP-ribosyl từ NAD+).
4.4. Tác động phân giải protein
Một số enzym được tổng hợp dưới dạng các tiền chất không hoạt động được gọi là tiền enzym (proenzym) hay còn gọi là zymogen. Sự hoạt hóa các zymogen bao gồm một sự thủy giải không thuận nghịch một hay nhiều liên kết peptid.
4.4.1.Các enzym thủy phân protein của tụy tạng
Các enzym tiêu hóa, trypsin, Chymotrypsin và elastase được sản x u ất trong tụy tạng dưới dạng zymogen. Tiếp đó chúng được đổ vào ruột non dưới dạng zymogen này. Nơi đây chúng được hoạt hóa bởi việc cắt đứt một sô" liên kết peptid đặc hiệu.
Trypsin được tổng hợp ban đầu dưới dạng trypsinogen không hoạt động.
Trypsinogen sẽ bị cắt và trở thành dạng hoạt động trong ruột bởi enteropeptidase, là một enzym chỉ được tạo ra ở ruột. Trypsin một khi được hoạt hóa có thể tự cắt đứt và hoạt hóa các phân tử trypsinogen khác cũng như các tiền enzym khác như chymotrypsinogen và proelastase.
Chymotrypsinogen đầu tiên được tổng hợp dưới dạng tiền enzym chymotrypsinogen không hoạt động gồm một chuỗi đơn polypeptid có 245 acid amin (hình 7.20). Ngay khi được đổ vào ruột, chymotrypsinogen trước tiên bị cắt bởi trypsin ở đầu c tận của Arginin 15 để thành lập 71-chymotrypsin là dạng hoạt hóa của Chymotrypsin (hình 7.21). Hai dipeptid sẽ được tách khỏi chuỗi polypeptid của 7ĩ-chymotrypsin bởi những phân tử Chymotrypsin khác dẫn đến một dạng bền hơn của Chymotrypsin được gọi tên là ô- chymotrypsin. Chất này sẽ chịu những thay đổi cấu dạng để tạo ra a-chymotrypsin tác động ổn định hơn. Trong phân tử a-chymotrypsin, ba đoạn của chuỗi polypeptid gôc được lưu giứ lại bởi các tương tác không đồng hóa trị và các liên kết disulfur đồng hóa trị.
Trypsinogen
- - Enteropeptidase Trypsin
Chymotrỵpsỉnogen
<r--- Chymotrypsin
Proelastase
Eỉastase
Song song với sự tổng hợp và bài tiết các zymogen, tụy tạng còn tổng hợp một lượng nhỏ protein ức chế trypsin. Protein ức chế này được liên kết chặt chẽ với trung tâm hoạt động của trypsin để bảo vệ tụy tạng khỏi hiện tượng tự tiêu do bởi tác động sớm của trypsin. Nếu cơ chế bảo vệ này không còn, tiếp theo một sự tắt ống tụy chẳng hạn, các zymogen có thể trở thành hoạt động ngay chính bên trong tế bào tụy và tiêu hóa hoàn toàn tụy tạng. Hiện tượng này xảy ra trong trường hợp gọi là viêm tụy cấp.
s --- s s ---s
J_____________________ I_____________________ I_________ L
1 2 4 5
Trypsin c li y mot r V p s i n o iĩon (k h ô n g hoại đ ộng)
C h y m o tr y p s in ■ S c r l 4 - A r í ĩ l 5 T h r l4 7 ~ A s n 148
7 1-ch y rn o trv p sin
8-chymot.rypsin
1 r a - c h y m o t r y p s in
Hình 7.21. Sự hoạt hóa chymotrypsinogen bởi việc cắt đứt các liên kết peptid 4.4.2. Sự đông máu
Một ví dụ khác về các zymogen không hoạt động là các enzym tham gia vào quá trình đông máu. Trong trường hợp này, toàn bộ tiến trình đông máu được hoàn tât bởi một chuỗi quá trình hoạt hóa các zymogen. Sự hoạt hóa các zymogen có thể tạo ra một sự khuếch đại quan trọng tín hiệu khởi đầu và được tiến hành bắt đầu từ chỉ một enzym được hoạt hóa. Enzym này có thể tác động trên hàng ngàn phân tử cơ chất để tăng cường thêm thuận lợi cho sự hoạt hóa.
Sự hoạt hóa các enzym phân giải protein không cần đến ATP. Đồng thời, trái lại với sự thay đổi cộng hóa trị của enzym (cần ATP ), sự hoạt hóa của zymogen không thuận nghịch. Một khi đã được hoạt hóa, enzym giữ luôn dạng hoạt động không thay đổi.
4.5. Điều hòa tổng hợp và phân hủy enzym
Lượng enzym đặc hiệu hiện diện trong một tế bào hay một mô chịu những sự thay đổi phụ thuộc vào tốc độ tổng hợp và phân hủy của chúng. Các yêu tô ảnh hưởng đên tôc độ tổng hợp sẽ tác động lên mức độ cảm ứng hay ức chế gen mã hóa cho enzym này và tương tự vận tốc phân rã của ARNm được lạo ra bởi gen này. Ở một sô" vị trí kiểm soát của các quá trình chuyển hóa, thời gian sống của ARNm của nhiều enzym chủ chốt thì đặc biệt
135
ngắn và do vậy vận tốc tổng hợp của các enzym này dễ kiểm soát bằng cách dựa vào các yếu tô" tác động trên sự phiên mã gen.
Vận tốc phân hủy của một enzym được phản ánh bởi thời gian bán hủy của chúng, tương ứng với thời gian cần thiết để phân hủy 50% protein. Nhiều enzym quan trọng trong sự điều hòa chuyển hóa có thời gian bán hủy ngắn và được gọi là các enzym không bền.
TÀI LIỆU ĐỌC THÊM
1. Harper’s Illustrated Biochemistry 27th edition-Lange Médical Books/Mcgraw-Hill, 2006.
B.D Haames, N.M Hooper & J.D. Houghton, L ’Essentiel en Biochimie, Berti édition, 2000.
2. F. Percheron, R. Perlés, M.J. Foglietti, Biochimie structurale et métabolique,Tome 1 , Masson, 1992.
3. Bộ môn Hóa sinh-Trường Đại học Y hà Nội. Hóa sinh, NXB Y học Hà Nội, 2001.
4. Bộ môn Hóa sinh - Đại học Y dược TPĨÌCM, Hóa sinh y học NXB Y học TP HCM 2000 5. Bộ Y Tế, Vụ Khoa học và Đào tạo, Hóa sinh học, NXB Y học Hà Nội, 2005
CÂU HỎI T ự LƯỢNG GIÁ Chọn một câu đúng nhất
1) Trung tâm hoạt động của enzym
a) được thành lập bởi các acid amin ở gần nhau trên chuổi polypeptid b) là một khoảng không gian thường là phân cực
c) được thành lập bởi các acid amin ở gần nhau trong không gian do sự xoắn vòng của chuổi polypeptid
d) a, b, c đều đúng
2) Enzym lactat dehydrogenase ngoài việc tác dụng vào lactat, còn có thể tác dụng vào nhiều chất khác cũng có nhóm -CHOH- như lactat, người ta nói :
a) enzym này có tính đặc hiệu lập thể đối với lactat b) enzym này có tính đặc hiệu tuyệt đốì đốì với lactat c) enzym này có tính đặc hiệu tương đối đôì với lactat d) cả 3 câu trên đều sai
3) Các enzym được chia làm 6 loại theo thứ tự như sau :
a) Oxydoreductase; Transferase; Hydrolase; Lyase; Ligase; Isomerase b) Oxydoreductase; Ligase; Transferase; Hydrolase; Lyase; Isomerase c) Oxydoreductase; Transferase; Hydrolase; Lyase; Isomerase; Ligase d) Oxydoreductase; Transferase; Lyase; Hydrolase; Isomerase; Ligase 4) Trong các phản ứng được xúc tác bởi enzym, một sự gia tăng nhiệt độ có thể
a) làm tăng năng lượng nhiệt cung cấp cho các phân tử cơ chât b) làm gia tăng vận tốc của phản ứng
c) làm biến tính enzym d) a,b, c đều đúng
5) Các cơ chất kết hợp với các trung tâm hoạt động (TTHĐ) bởi :
c) các tương tác tĩnh điện d) a,b, c đều đúng
6) Enzym chỉ xúc tác cho một trong vô sô" những chuyển hóa có thể có được đôì với một cơ chất” là định nghĩa phù hợp với
a) tính đặc hiệu phản ứng của enzym b) tính đặc hiệu cơ chất của enzym c) tính đặc hiệu lập thể của enzym d) a,b, c đều sai
7) Phản ứng A-B + c -ằ A + B-C được xỳc tỏc bởi enzym a) Hydrolase
b) Lyase c) Ligase d) Transferase
8) Phản ứng A + B -> A-B được xúc tác bởi enzym a) Hydrolase
b) Lyase c) Ligase d) Transferase
9) Hằng số Km (hằng số Michaelis) :
a) dùng để đo độ bền của phức hợp ES
b) là hằng sô" đo ái ỉực của enzym đốì với cơ chất c) là nồng độ cơ chất khi tốc độ phản ứng bằng Vmax/2 d) a,b, c đều đúng
10) Sự oxy hoá NADH hay NADPH thành NAD+ và NADP+
a)làm tăng mật độ quang học ở bước sóng 340nm b)làm giảm mật độ quang học ở bước sóng 340nm
c) không làm thay đổi mật độ quang học ở bước sóng 340nm d) làm thay đổi màu của dung dịch từ không màu sang màu vàng 11) Phần protein của enzym không có chất cộng tác được gọi là;
a) apoenzym b) holoenzym c) coenzym d) a, b, c đều sai
12) Cấu tạo của NAD+ và NADP+ khác nhau ở chổ
a) NADP+ có chứa thêm một baz có nitơ là Adenin so với NAD+
b) NADP+ có chứa thêm một baz có nitơ là Thymin so với NAD+
c) NADP+ có chứa thêm một nhóm phosphat gắn với một phân tử ribose d) a, b, c đều sai
13) Enzym lactat dehydrogenase (LDH) : a) có 4 isoenzym
b) có 2 isoenzym
c) là một hợp chất cấu tạo bởi bốn tiểu đơn vị xuât phát từ hai tiểu đơn vị khác nhau gọi là H và M
d) a,b, c đều sai
137
14) Các chất ức chế dị lập thể là :
a) những chất ức chế cạnh tranh
b) những chất ức chế không cạnh tranh c) những chất ức chế không thuận nghịch d) a,b, c đều sai
15) Coenzym A chứa:
a) Riboflavin b) Acid folic c) Thiamin d) a,b, c đều sai
16) Phương trình Lineweaver-Burk được biểu thị dưới dạng đồ thị là một a) đường thẳng
b) đường hyperbol c) đường cong sigma d) cả 3 câu trên đều sai Chọn tập hợp câu đúng
1.
a- Enzym là các chất xúc tác sinh học có tác động làm gia tăng vận tốc phản ứng hoá học mà không thay đổi tiến trình của phản ứng
b- Enzym là các chất xúc tác sinh học vì nó làm giảm năng lượng hoạt hoá của phản ứng
c- Enzym là các chất xúc tác sinh học có tác động làm tăng sản phẩm phản ứng ở trạng thái cân bằng của phản ứng
d- Bản chất đa số các enzym là ARN 2-
a-Các phản ứng được xúc tác bởi enzym có thể được tiến hành trong những điều kiện nhẹ nhàng (nhiệt độ dưới 100 độ c,áp suất khí quyển và pH trung tính)
b- Tác động xúc tác của các enzym có thể được điều hoà
c- Các enzym làm thay đổi mức năng lượng của cơ chất và sản phẩm
d- Các enzym có ảnh hưởng đến sự thay đổi năng lượng chung của phản ứng 3-
a- Một AG âm cho biết phản ứng thuận lợi về mặt năng lượng
b- Phản ứng thủy phân ATP tạo thành ADP và Pi tự do là một phản ứng có AG° âm lớn
C- Phản ứng thủy phân ATP tạo thành ADP và Pi tự do là một phản ứng có AG° dương lớn
d- Đốì với các phản ứng thuận nghịch các enzym thúc đẩy phản ứng nhanh chóng đạt đến cân bằng bằng cách làm thay đổi trạng thái cân bằng của phản ứng
4-
a-Tính ớặc hiệu của enzym đốì với kiểu phản ứng được chúng xúc tác được gọi là tính đặc hiệu cơ chất