Chương 5: Enzyme

CHƯƠNG 5: ENZYME 1.Khái niệm Enzyme là những chất xúc tác sinh học đặc biệt của cơ thể sống, có bản chất là protein, có tác dụng xúc tác hầu hết các phản ứng hóa sinh xảy ra trong cơ thể sống Phản ứng enzyme không tạo ra sản phẩm phụ, các enzyme không bị tiêu hao hoặc được tạo ra thêm trong quá trình phản ứng, chỉ xúc tác phản ứng xảy ra nhanh hơn. Enzyme có mặt trong tế bào của mọi sinh vật, không chỉ xúc tác cho các phản ứng trong cơ thể mà còn xúc tác các phản ứng bên ngoài cơ thể Enzyme có tính đặc hiệu phản ứng cao, chỉ hoạt động trong khoảng pH và nhiệt độ nhất định 2.Cấu tạo của enzyme Enzyme 1 cấu tử: trong thành phần cấu tạo chỉ có protein, các enzyme được cấu tạo từ 1 chuỗi polypeptide hoặc có thể từ nhiều chuỗi polypeptide giống nhau hoặc khác nhau Enzyme 2 cấu tử: ngoài thành phần protein (apoenzyme) còn chứa thêm nhóm ngoại phi protein gọi là cofactor. Cofactor có bản chất khác nhau, được chia làm các loại sau: +Các cation kim loại: Zn2+, Fe2+, Cu2+, Mg2+, Ca2+, … liên kết chặt chẽ với phần protein của enzyme +Coenzyme: là phân tử hữu cơ kích thước nhỏ hơn protein thường là các dẫn xuất của các vitamin, porphyrin, … liên kết với apoenzyme 3.Trung tâm hoạt động của enzyme -Chỉ những bộ phận trong phân tử enzyme tham gia xúc tác phản ứng. Trung tâm hoạt động thường là nhóm chức của các acid amin (-NH2, -COOH, -SH, -OH), các ion kim loại, các vitamin -Trung tâm hoạt động chỉ chiếm một phần nhỏ trong phân tử protein enzyme, có cấu trúc không gian ba chiều được hình thành bởi các nhóm (gốc) từ các phần khác nhau của chuỗi amino acid mạch thẳng, khi ở trong không gian chúng ở gần nhau và tương tác với nhau -Cơ chất liên kết với enzyme bằng các liên kết yếu như liên kết tĩnh điện, hydro, lực Van der waals và tương tác kỵ nước. -Trung tâm hoạt động của enzyme không tồn tại trước mà chỉ được hình thành khi có tác dụng cảm ứng của cơ chất -Vùng cơ chất (Substrate site): là vị trí dành cho cơ chất hay coenzyme gắn vào phân tử apoenzyme, liên kết cơ chất với enzyme có thể là liên kết tĩnh điện, hydro, tương tác kỵ nước và lực van der waals -Vùng xúc tác (Catalytic site): là nơi chịu trách nhiệm về các chuyển hóa hóa học. Vùng xúc tác của enzyme 2 thành phần thường là coenzyme, qui định tính đặc hiệu phản ứng của enzyme. Vùng xúc tác của enzyme 1 thành phần thường là các nhóm chức của các aminoacid -Trung tâm điều hòa (Regulatory site): các chất đặc hiệu có phân tử nhỏ hoặc các ion kim loại gọi chung là các chất điều hòa khi kết hợp vào trung tâm này làm ảnh hưởng đến cấu trúc của enzyme, ảnh hưởng đến sự thay đổi hoạt tính xúc tác (kìm hãm hay hoạt hóa) của enzyme và liên kết có tính chất thuận nghịch 4.Tính chất đặc hiệu của enzyme a.Đặc hiệu kiểu phản ứng (Reaction specificity) Mỗi enzyme chỉ có thể xúc tác cho 1 trong các kiểu phản ứng chuyển hóa 1 chất nhất định ví dụ như phản ứng thủy phân, oxy hóa khử, chuyển vị, … Ví dụ: cùng cơ chất là glutamic acid, mỗi kiểu chuyển hóa cần 1 loại enzyme riêng -Phản ứng tổng hợp glutamin chỉ thực hiện khi có sự xúc tác của enzyme glutamin synthetase và có mặt của NH3 và ATP -Phản ứng chuyển nhóm amin của glutamic acid cho một cetoacid để tổng hợp nên một amino acid và cetoacid mới thì phải có sự xúc tác của enzyme aminotransferase -Phản ứng khử nhóm carboxyl để tạo thành aminobutyric đòi hỏi sự xúc tác của enzyme glutamate decarboxylase b.Đặc hiệu cơ chất (Substrate specificity) Cơ chất là chất có khả năng kết hợp vào trung tâm hoạt động của enzyme và bị chuyển hóa dưới tác dụng của enzyme. Enzyme chỉ xúc tác phản ứng cho 1 hay một số cơ chất nhất định. Mức độ đặc hiệu cơ chất của mỗi enzyme khác nhau, chia làm các mức độ sau: -Đặc hiệu tuyệt đối: chỉ tác dụng trên 1 cơ chất nhất định Thí dụ: NH2-CO-NH2 + H2O  CO2 + NH3 (enzyme Urease) -Đặc hiệu tương đối: có khả năng tác dụng lên 1 kiểu liên kết hóa học nhất định trong phân tử cơ chất mà không phụ thuộc vào cấu tạo của các phần tham gia tạo thành nối liên kết đó Thí dụ: enzyme lipase có khả năng thủy phân các liên kết ester -Đặc hiệu nhóm: có khả năng tác dụng lên 1 kiểu liên kết hóa học nhất định với điều kiện 1 trong 2 phần tham gia tạo nối liên kết phải có cấu tạo xác định Thí dụ: *enzyme cacboxypeptidase  chỉ phân cắt liên kết peptide gần đầu COOH tự do; *enzyme aminopeptidase  chỉ phân cắt liên kết peptide gần đầu NH2 tự do. c.Đặc hiệu quang học (lập thể): chỉ tác dụng với 1 trong 2 dạng đồng phân quang học của các chất dạng (L) hoặc (D); chỉ tạo ra sản phẩm ở dạng (Cis) hoặc (Trans) Thí dụ: *enzyme lactic dehydrogenase chỉ xúc tác dạng (L) acid lactic  acid pyruvic; *enzyme succinic dehydrogenase biến đổi succinic acid thành fumaric acid ở dạng (trans) mà không tạo thành acid malic ở dạng (cis) 5.Cơ chế điều hòa hoạt tính xúc tác của enzyme a.Cơ chế điều hòa ức chế ngược (Feed back inhibition) Enzyme xúc tác cho bước thứ nhất trong đường hướng sinh tổng hợp một số chất thường được điều hòa bằng sản phẩm cuối cùng. Thí dụ: quá trình lên men lacitc, lên men rượu hoặc sinh tổng hợp isoleucin trong vi khuẩn (threonin được biến đổi thành isoleucin bởi enzyme threonin-deaminase. Khi nồng độ isoleucin đủ cao gây ức chế enzyme ở dạng thuận nghịch b.Điều hòa bằng các enzyme điều hòa Calmodulin là protein điều hòa hoạt động của nhiều enzyme trong tế bào Eukaryotic. Sự kết hợp Ca2+ vào Calmodulin đã cảm ứng sự biến đổi cấu hình của protein này, chuyển dạng không hoạt động thành dạng hoạt động và kết hợp với protein enzyme nào đó trong tế bào làm thay đổi hoạt tính của chúng c.Điều hòa bằng sự cải biến đồng hóa trị Hoạt động của nhiều enzyme được điều hòa bằng sự liên kết thuận nghịch của các gốc phosphate. Các kinase xúc tác cho sự liên kết gốc phosphate, còn phosphatase loại trừ chúng bằng phản ứng thủy phân d.Tiền enzyme (zymogen) Một số enzyme lại được tổng hợp ở dạng tiền enzyme không có hoạt tính. Các tiền enzyme này sẽ được hoạt hóa thành dạng hoạt động tại địa điểm và thời gian thích hợp Thí vụ: enzyme trypsinogen được tổng hợp trong tuyến tụy và sau đó được hoạt hóa bằng việc cắt liên kết peptide tại ruột non để trở thành dạng hoạt động là enzyme trypsin e.Chất ức chế (kìm hãm) Nhiều enzyme có thể bị kìm hãm bởi các chất có phân tử nhỏ đặc hiệu và các ion. Sự kìm hãm đó rất quan trọng vì nó là cơ chế điều hòa chủ yếu trong hệ thống sống. 6.Phân loại và cách gọi tên enzyme Hiệp hội hóa sinh quốc tế phân loại ra làm 6 nhóm: 1/.Oxydoreductase: nhóm enzyme thực hiện các phản ứng oxy hóa khử cùng với sự vận chuyển hydrogen (proton và electron) hoặc chỉ electron. Gồm các phụ nhóm như: -Dehydrogenase: tách hydro trực tiếp từ cơ chất hoặc chuyển hydro cho cơ chất -Oxydase: xúc tác quá trình chuyển electron đến oxy -Oxygenase: xúc tác phản ứng kết hợp oxy vào phân tử chất hữu cơ có vòng thơm gồm oxygenase (O2) và hydroxylase (OH). -Peroxydase: đây là enzyme có coenzyme là hem, xúc tác cho phản ứng oxy hóa các hợp chất hữu cơ khi có H2O2. 2/.Transferase: nhóm enzyme xúc tác phản ứng vận chuyển các nhóm nguyên tử hay gốc phân tử từ một cơ chất này đến một chất khác. Gồm các nhóm phụ: -Phosphotransferase (-H2PO4) -Aminotransferase (-NH2) -Sulfurtransferase (-SO3H) -Acyltransferase (acetyl, cacboxyl, hydroxyl) 3/.Hydrolase: nhóm enzyme xúc tác phản ứng thủy phân. Gồm: -Các glycoside hydrolase (amylase, maltase, invertase, …) -Các protease (pepsin, trypsin, chymotrypsin, …) -Peptidase (aminopeptidase, carboxypeptidase, dipeptidase) -Các esterase (cắt các liên kết ester của lipid) 4/.Liase: nhóm enzyme cắt trực tiếp các liên kết trong phân tử cơ chất không bằng con đường thủy phân. Gồm các nhóm phụ như sau: -Decarboxylase (-COOH)  CO2 -Deaminase (-NH2)  NH3 -Dehydratase (-OH)  H2O 5/.Isomerase: nhóm enzyme vận chuyển các nhóm nguyên tử hay gốc phân tử trong nội bộ phân tử dẫn tới sự hình thành hợp chất mới là đồng phân của chúng. Gồm các nhóm phụ: -Glucose-6-isomerase: chuyển nhóm carbonyl (-C=O) -Phosphoglycerate mutase: chuyển nhóm phosphoryl -Racemase: chuyển nhóm hydroxyl hay hydrro 6/.Ligase: nhóm enzyme xúc tác phản ứng tổng hợp chất có sử dụng năng lượng. Gồm các nhóm phụ: -Glutamine synthetase: thành lập liên kết C-N trong phản ứng tổng hợp glutamine -Acetyl CoA carboxylase: thành lập liên kết C-C trong tiến trình tổng hợp acid béo. Cách gọi tên enzyme Tên enzyme = tên cơ chất (sản phẩm) + ase Tên enzyme = kiểu phản ứng mà enzyme xúc tác + ase Tên gọi thông thường: pepsin, trypsin, renin, bromelin, … Thí dụ: Saccarose  -D-Gluocse + -D-Fructose (enzyme là saccarase hoặc gluco-fructo-pyranosidase); dehydrogenase xúc tác phản ứng loại H ra khỏi cơ chất Tên theo danh pháp (theo hệ thống): enzyme được chia làm 6 nhóm chính dựa trên phản ứng hóa học mà chúng xúc tác, trong mỗi nhóm còn được phân ra làm các phụ nhóm và phụ phụ nhóm. Mỗi enzyme được biểu thị qua bốn chữ số Thí dụ: Enzyme mang chỉ số E.C 2.7.1.1 có nghĩa là Số 2 - ghi nhận enzyme thuộc nhóm 2 (transferase) Số 7 - ghi nhận phụ nhóm 7 (vận chuyển nhóm phosphate) Số 1 - ghi nhận phụ phụ nhóm 1 (chất nhận là một alcol) Số 1 - ghi nhận tên enzyme là Hexokinase Tóm lại: enzyme D-hexose-6-phosphotransferase, xúc tác phản ứng vận chuyển nhóm P từ ATP sang nhóm OH ở carbon thứ 6 của glucose 7.Các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt tính enzyme (phản ứng enzyme) 7.1.Ảnh hưởng của nồng độ cơ chất Nồng độ enzyme cố định, nồng độ cơ chất [S] tăng, ban đầu vận tốc phản ứng gia tăng nhanh, sau đó sự gia tăng giảm dần và tiệm cận với Vmax 7.2. Ảnh hưởng của nồng độ enzyme Vận tốc ban đầu tỷ lệ thuận với enzyme. Theo lý thuyết khi nồng độ enzyme cao đường biểu diễn sẽ cong và tiệm cận với Vmax Nhưng thực tế không quan sát được vì khả năng hòa tan của enzyme bị hạn chế 7.3.Ảnh hưởng của nhiệt độ Đa số bị mất hoạt tính ở nhiệt độ trên 700C Trong khoảng nhiệt độ enzyme có thể tồn tại thì khi tăng nhiệt độ lên 100C thì tốc độ phản ứng tăng lên gấp 2 lần Nhiệt độ mà tại đó enzyme mất hoạt tính được gọi là nhiệt độ tới hạn. Còn nhiệt độ mà tại đó enzyme có hoạt tính cao nhất gọi là nhiệt độ tối ưu. ở nhiệt độ thấp enzyme giảm hoạt tính, khi nâng nhiệt độ thích hợp trở lại enzyme hoạt động bình thường Nhiệt độ thích hợp của enzyme phụ thuộc vào nồng độ enzyme, nồng độ cơ chất, chất kích thích và chất kìm hãm. Nhiệt độ cao cắt đứt các liên kết thứ cấp trong phân tử protein-enzyme là enzyme mất hoạt tính Từ 0oC đến 40oC vận tốc tăng khi nhiệt độ tăng Vào khoảng 40oC đến 45oC vận tốc giảm xuống Từ 750C đến 100oC enzyme bị mất hoạt tính 7.4.Ảnh hưởng của pH Hoạt tính của enzyme phụ thuộc chặt chẽ vào pH của môi trường. Phần lớn các enzyme có hoạt tính cực đại ở pH = 5-9. Trị số pH mà tại đó enzyme hoạt động mạnh nhất gọi là pH tối thích. pH tối thích của các enzyme là không giống nhau Thí dụ: enzyme pepsin có pH tối thích rất acid (pH = 1,5-2,5); enzyme amylase có pH tối thích trung tính (pH = 5-5,2); enzyme trypsin hoạt động ở pH kiềm (pH = 8-9) Khả năng phân ly của các nhóm bên tham gia vào trung tâm hoạt động của enzyme phụ thuộc vào pH của môi trường; cấu trúc phân tử của protein-enzyme ổn định trong khoảng pH xác định ngoài phạm vi đó sẽ bị biến đổi; pH môi trường cũng ảnh hưởng đến sự phân ly của cơ chất hay của coenzyme kết hợp với cơ chất + pH gây nên sự biến đổi ion trên chuỗi protein-enzyme làm thay đổi cấu hình và trung tâm hoạt động của enzyme + pH gây sự biến đổi ion trên cơ chất. +Người ta có thể xác định pH tối thích cho hoạt động của một enzyme 7.5.Ảnh hưởng của các chất hoạt hóa Các chất có khả năng làm tăng hoạt tính của enzyme được gọi là các chất hoạt hóa. Cơ chế hoạt hóa chỉ mới được biết ở một số trường hợp Thí dụ: enzyme protease được hoạt hóa bởi tripeptide glutation. Các anion: Cl-, Br-, F-, I- làm tăng hoạt tính của enzyme amylase. Các cation: Mn2+, Zn2+, hay Co2+ kích thích hoạt tính của enzyme peptidase 7.6.Ảnh hưởng của các chất kìm hãm Chất kìm hãm là những chất khi kết hợp với enzyme làm giảm hoạt tính của enzyme mà nguyên nhân trực tiếp là làm giảm ái lực giữa enzyme và cơ chất *Kìm hãm không thuận nghịch (irreversible inhibition): là kiểu kìm hãm mà chất kìm hãm liên kết với protein-enzyme bằng liên kết đồng hóa trị làm thay đổi cấu hình *Kìm hãm thuận nghịch (reversible inhibition): trường hợp này, liên kết giữa enzyme và chất kìm hãm là liên kết yếu, sau khi chất kìm hãm được loại trừ, hoạt tính enzyme lại được phụ hồi Dựa vào mối quan hệ giữa chất kìm hãm và cơ chất, kìm hãm thuận nghịch được chia làm 2 loại: -Kìm hãm cạnh tranh (competitive inhibition): chất kìm hãm có cấu tạo tương tự như cơ chất, kết hợp vào trung tâm hoạt động của enzyme tranh chổ với cơ chất Lovastatin competes with HMG CoA for the active site of HMG CoA reductase. Thí dụ: enzyme succinate dehydrogenase chuyển succinate thành furmarate bị kìm hãm cạnh tranh bởi malonic acid, oxalic acid, glutaric acid. Mức độ kìm hãm phụ thuộc vào nồng độ cơ chất và nồng độ chất kìm hãm -Kìm hãm không cạnh tranh (noncompetitive inhibition): chất kìm hãm gắn vào vị trí khác trên phân tử enzyme tự do hay phức enzyme cơ chất làm giảm hoạt tính Thí dụ: Các ion kim loại nặng (Ag2+, Cu2+, Hg2+) có thể liên kết với các nhóm –SH, -NH2 trên phân tử enzyme làm giảm hoạt tính Tuy nhiên một chất có thể ở nồng độ này thì kìm hãm nhưng ở nồng độ khác thì lại kích thích. Hoặc một chất có thể kìm hãm enzyme này nhưng lại hoạt hóa enzyme khác 8.Động học phản ứng enzyme Tại nồng độ cơ chất vô cùng thấp, khi đó [S] nhỏ nhiều so với Km khi đó V = [S] Vmax/Km nghĩa là vận tốc tương xứng trực tiếp với nồng độ cơ chất Tại nồng độ cơ chất cao, khi đó [S] lớn hơn nhiều so với Km thì khi đó V = Vmax có nghĩa là vận tốc phản ứng đạt cực đại không phụ thuộc vào nồng độ cơ chất Khi [S] = Km thì khi đó V = Vmax/2 có nghĩa Km tương đương với nồng độ cơ chất tại vận tốc bằng nữa giá trị cực đại của nó • Nồng độ của E và S: [S]>>>[E] → lượng cơ chất liên kết với enzyme ở mọi thời điểm đều nhỏ • Trạng thái ổn định: [E-S] không thay đổi theo thời gian → tốc độ tạo thành E-S = tốc độ phân ly E-S thành E + P • Vận tốc ban đầu: dùng để phân tích phản ứng enzyme → vận tốc phản ứng được tính ngay khi trộn lẫn cơ chất và enzyme, lúc đó, nồng độ P rất thấp nên phản ứng theo chiều ngược lại không đáng kể HẾT