Chương V- Enzyme

11 BÀI GIẢNG SINH HÓA HỌC PHẦN I – SINH HÓA HỌC TĨNH Chương V- ENZYME TP.HCM-2008 2 Chương V- ENZYME 1. Enzyme và hiện tượng xúc tác sinh học 2. Cấu tạo 3. Cơ chế hoạt động xúc tác 4. Các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt lực xúc tác của enzyme 5. Danh pháp và phân loại 3 1. Baûn chaát hoùa hoïc cuûa enzyme? Nhöõng ñaëc ñieåm caáu truùc chung cuûa enzyme, trung taâm hoaït ñoäng cuûa enzyme. 2. Giaûi thích cô cheá xuùc taùc chung cuûa enzyme. 3. Tính ñaëc hieäu cuûa enzyme vaø caùc ñieàu kieän moâi tröôøng aûnh höôûng ñeán khaû naêng xuùc taùc cuûa enzyme ? 4. Danh phaùp vaø phaân loaïi enzyme theo 6 lôùp. Thaønh phaàn caáu taïo vaø hoaït ñoäng xuùc taùc cuûa moãi lôùp. MỤC TIÊU 4 1. ENZYME VÀ HIỆN TƯỢNG XÚC TÁC SINH HỌC • Enzyme là những protein giữ chức năng xúc tác các phản ứng sinh hóa học. Nhờ E xúc tác mà các p ư SHH cần thiết cho sự sống và sự sinh sản của tế bào xẩy ra với . tốc độ cao, . có tính đặc hiệu cao, . tiết kiệm NL. • E có thể xúc tác ở điều kiện in vivo và in vitro. 25
Xúc tác là hiện tượng làm . tăng tốc độ phản ứng, . hệ thống p ư chóng đạt tới trạng thái cân bằng động bằng những chất đưa từ ngoài vào.
Chất làm tăng tốc độ p ư gọi là “chất xúc tác”, chúng chỉ tham gia trong các SP trung gian của p ư, chúng không có mặt trong s p cuối cùng của p ư. 6 2. CẤU TAÏO CỦA ENZYME • Phân tử enzyme là các protein dạng cầu, tùy loại E, chúng hoạt động ở dạng cấu trúc bậc ba hoặc bậc bốn. • E một cấu tử – protein đ g : TP bao gồm các AA, chỉ 1 chuỗi hoặc 2 hay nhiều chuỗi polypeptide giống nhau hay khác nhau. • E nhị cấu tử - protein phức tạp : Protein đ/g + nhóm ghép (cofactor) (apoenzyme) (coenzyme) Kết hợp đặc hiệu Trực tiếp xúc tác với cơ chất phản ứng 7 • Trường hợp apoenzyme liên kết chặt chẽ với coenzyme → CoE được gọi là nhóm ngoại – prosthetic group. • Trường hợp apoenzyme liên kết lỏng lẻo với coenzyme, khi hoạt động xúc tác CoE tách khỏi apoE→ CoE được gọi là cosubstrate 8 2.2. TRUNG TÂM HOẠT ĐỘNG CỦA ENZYME
Là vùng tiếp xúc của E với cơ chất (S = substrate) trên phân tử E, là nơi xẩy ra qúa trình xúc tác.
TTHĐ hình thành do sự sắp xếp của một số AA chuyên biệt, nằm xa nhau trên polypeptide nhưng gần nhau trong cấu trúc không gian : - Cysteine – SH - Serine - OH - Histidine – NH N 39
TTHĐ có 2 ñaëc ñieåm quan troïng : – hình dạng TTHÑ phù hợp với hình dạng phân tử cô chaát mà nó xúc tác; – điện tích TTHÑ tương ứng nhưng trái dấu với điện tích phân tử cô chaát.
Các điều kiện môi trường (nhiệt độ, pH …) ảnh hưởng đến cấu trúc bậc ba của phân tử protein enzyme đều ảnh hưởng tới hình dạng và điên tích của TTHĐ→ ảnh hưởng đến hoạt lực xúc tác của enzyme. 10 Fischer's lock and key hypothesis of enzyme action. 11 12 Diagrams to show Koshland's induced fit hypothesis of enzyme action. 413 3. CƠ CHẾ HOẠT ĐỘNG XÚC TÁC • Thuyết hấp phụ : chất xúc tác hấp phụ cơ chất lên bề mặt chúng → tập trung S, tăng nồng độ S → tăng vận tốc p/ư (hệ thống p/ư dị thể : chất xúc tác thể rắn, S thể lỏng, khí). • Thuyết lập hợp chất trung gian : chất xúc tác tạo hợp chất trung gian với S, p/ư đi theo đường vòng → giảm NL đòi hỏi để hoạt hóa cơ chất → tăng vận tốc p/ư (hệ thống p/ư đồng thể : chất xúc tác & S cùng thể lỏng, khí). 14 H2O2 H2O + O2, NLHH : 75 kj/mol H2O2 H2O + O2, NLHH : 49 kj/mol H2O2 H2O + O2, NLHH : 8 kj/mol
E là protein → vừa có k/n hấp phụ cao, vừa có k/n TL h/c trung gian→ E có k/n xúc tác cao hơn nhiều so với chất vô cơ. không xúc tác bt platin catalase 15 Năng lượng hoạt hóa cần cung cấp cho một phản ứng 16 4. CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN VẬN TỐC PHẢN ỨNG ENZYME
Đơn vị hoạt lưc của enzyme  Biểu thị trực tiếp : khối lượng→ ít sự dụng vì khối lượng enzyme thường rất thấp so với khối lượng cơ chất mà nó xúc tác.  Biểu thị gián tiếp : hoạt độ → được sử dụng nhiều.
Đơn vị quốc tế hoạt độ của enzyme IU (international unit) : là lng enzyme xúc tác bin đi 1 mmol cơ ch!t hay t"o ra 1 mmol s/p trong th%i gian 1 phút d'i đi(u ki*n chu+n c,a nhi*t đ, pH và n0ng đ cơ ch!t (IU/lit) 517
Mỗi phòng thí nghiệm thường biểu thị đơn vị hoạt lực enzyme theo p/p xét nghiệm riêng của mình→ để so sánh phải đổi ra đơn vị chuẩn quốc tế SI (International System of Units) bằng cách nhân với hệ số chuyển đổi. 18 HỆ SỐ CHUYỂN ĐỔI MỘT SỐ ĐƠN VỊ HOẠT LỰC ENZYME SANG ĐƠN VỊ HỆ THỐNG QUỐC TẾ U/litGlutamic pyruvic transaminase U/lit0.48Sigma-Frankel unit (SFU); Kamen unit (KU) Wroblewski-LaDue unit (WLU); Reitman- Frankel unit (RFU) – 0.001 OD/phút/ml Glutamic oxaloacetic transaminase (SGOT, AST) U/lit1.85Somogyi unit (SU) - mg G/30 phút Amylase (AMYL) U/lit0.75Sibley-Lehninger unit (SLU)-mgDNP/hour/ml Aldolase (ALD) Đơn v6 qu8c t H* s8 ch/đi Đơn v6 không h* th8ng Các enzyme huyt thanh 19 U/lit7.10 5.40 King Amstrong unit (KAU) - mg phenol P/30phút Bodansky unit (BU) - mg P/giờ Phosphatase kiềm (AlP) U/lit1.85King Amstrong unit (KAU) - mg phenol P/30phút Phosphatase acid (AcP) U/lit16.7Roe-Byler unit (RBU) – (µ mol/giờ/ml) Lipase U/lit0.0167Volfson-Williams-Ashman unit (WWAU) – nmol/giờ/ml Isocitrate dehydrogenas e (ICD) U/lit0.48Sigma-Frankel unit (SFU); Kamen unit (KU); Wroblewski- LaDue unit (WLU); Reitman- Frankel unit (RFU) – 0.001 OD/phút/ml Glutamic pyruvic transaminase (SGPT, ALT) 20 Ghi chú : • U = 1 international unit = 1µmol/phút = 16.67 nkat/giây = 0.0167 µkat/giây 621 4.1. VẬN TỐC BAN ĐẤU CỦA PHẢN ỨNG 22 4.2. ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ • Điều kiện in vitro : 0 – 400C : to tăng → tốc độ p/ứ tăng, đơn thuần nhiệt độ c/c NL cho p ư. >450 C: vận tốc p/ư bắt đầu giảm do nhiệt làm biến tính protein. >800 E bị biến tính hoàn toàn. . E nguồn gốc đ/v : t0 tối ưu : 40 – 500C . E nguồn gốc t/v : t0 tối ưu : 50 – 600C Một số VSV chịu nhiệt, sống trong suối nước nóng 70 – 800C. • Điều kiện in vivo : nhiệt độ cơ thể tăng 1-20C → p/ư đốt cháy chất hữu cơ trong mô bào tăng hàng trăm lần→ gây sốt, đó là p/ư bảo vệ của cơ thể. 23 24 4.3. ẢNH HƯỞNG CỦA pH • pH môi trường thay đổi ảnh hưởng đến sự phân ly của các nhóm chức trên chuỗi polypeptide → thay đổi điện tích TTHĐ → a/h khả năng kết hợp E + S → giảm v p/ư. • Mỗi E chỉ hoạt động tốt trong một giới hạn pH nhất định, ngoài khoảng pH tối ưu đó thì vận tốc p/ư rất thấp. • Bảng 5.2 (T.112) : khoảng pH tối ưu của một số enzyme. 725 pH tối ưu của một số enzyme 4,6 – 5,0Sucrase (nấm men) 7,0 – 8,0Lipase (tụy tạng) 9,0 - 10Phosphatase (huyết tương) 7,8 – 9,5Trypsin (tụy tạng) 4,5 – 5,0Cathepsin (cơ) 1,5 – 2,5Pepsin (dạ dày) 5,2β-Amylase (mạch nha) 6,8 – 7,0α-Amylase (nước bọt) pHEnzymepHEnzyme 26 27 4.4. ẢNH HƯỞNG CỦA NỒNG ĐỘ ENZYME Vận tốc p/ư tăng tỷ lệ thuận với sự tăng nồng độ enzyme trong hệ thống p/ư Lượng cơ chất biến đổi 3x 2x 1x E3 E2 E1 t0 t1 t2 Vận tốc ban đầu tỷ lệ thuận với nồng độ E 28 4.5. ẢNH HƯỞNG CỦA NỒNG ĐỘ CƠ CHẤT Nồng độ S tăng→ v p/ư tăng, khi tất cả các TTHĐ của E đều t/g xúc tác → v p/ư đạt tối đa. 829 30 4.6. SỰ HOẠT HÓA VÀ ỨC CHẾ ENZYME  HOẠT HÓA ENZYME Trong mô bào E khi mới được tiết ra thường ở trạng thái chưa hoạt động (tiền E, tiếp đầu ngữ “pre” hay “pro”enzyme, tiếp vị ngữ “ ogen”.  Caét boû moät ñoaïn polypeptide cuûa tieàn enzyme (proenzyme hay zymogen) laøm boâc loä trung taâm hoaït ñoäng. Ví duï : pepsinogen pepsin + peptide (42.000) (35.000) (7.000)  Thaønh laäp caàu noái disulfur (-S – S-) ñeå hoaøn chænh trung taâm hoaït ñoäng : Trypsinogen Trypsin + heptapeptide Pepsin + HCl Enterokinase 31  Thaønh laäp phöùc hôïp vôùi caùc ion kim loaïi, caùc ion naøy coù vai troø laøm caàu noái trung gian, gaén cô chaát leân trung taâm hoaït ñoäng baèng caùc caàu noái phuï. Vai trò này thường thuộc về các ng/tố vi lượng.  Hoaït hoùa nhôø hieän töôïng caûm öùng bởi chaát gaây hieäu öùng dò khoâng gian.  Sự hoạt hóa (hay ức chế) E thường được kiểm soát bởi sự phosphoryl hóa hay sự khử phosphoryl : E không HĐ E hoạt động HH b=ng phosphoryl hóa b?i kinase + ATP Bc ch b=ng khC phosphoryl b?i phosphatase – H3PO4 32  ỨC CHẾ ENZYME  Đa số các trường hợp ngộ độc là do ức chế hoạt động của trung tâm hoạt động của enzyme. Thí dụ : (-CN) liên kết với Fe3+ của cytochrome oxidase→ ức chế chuỗi hô hấp mô bào.  Ức chế cạnh tranh (H.5.8, T.119) : (-CHI – COOH) cạnh tranh với gốc (- CH2 – SH) của Cys trong TTHĐ.  Ức chế không cạnh tranh : chất ức chế làm biến đổi cấu hình phân tử E để làm thay đổi khả năng xúc tác của E. 933 Competitive inhibitors bind reversibly to the enzyme, preventing the binding of substrate. On the other hand, binding of substrate prevents binding of the inhibitor. Substrate and inhibitor compete for the enzyme. 34 Diagram showing the mechanism of non-competitive inhibition. 35 5. DANH PHÁP VÀ PHÂN LOẠI DANH PHÁP  Nhóm E tiêu hóa được gọi tên tùy tiện  Quy tắc gọi tên : theo tên Latin của cơ chất + kiểu phản ứng + ASE Cô chaát Enzyme - Amylum (tinh boät) Amylase - Proteinum (protein) Protease Phaûn öùng Enzyme - Vaän chuyeån goác (-CH3) Methylferase - Thuûy phaân Hydrolase - Khử nước Dehydratase 36 PHÂN LOẠI
6 lớp Phụ lớp Phụ của phụ lớp Enzyme 10 37 Thí duï : Enzyme mang chæ soá E.C 2.7.1.1  Chæ soá “2”: E thuoäc lôùp 2 - Transferase, vaän chuyeån caùc nhoùm chöùc.  Chæ soá “7” : phuï lôùp 7, vaän chuyeån nhoùm phosphate (-H2PO3).  Chæ soá “1” : phuï phuï lôùp 1- chaát nhaän nhoùm (- H2PO3) laø moät alcohol.  Chæ soá “1” : enzyme laø hexokinase. Toùm laïi, enzyme mang chæ soá E.C 2.7.1.1 laø E coù teân vaø chöùc naêng nhö sau : D- hexose-6-phospho- transferase, xuùc taùc phaûn öùng vaän chuyeån nhoùm (-H2PO3) töø ATP sang nhoùm hydroxyl ôû C6 cuûa glucose. 38 Thành lập các liên kết cần sự dụng các nối ∼P cao năng LigaseVI V/c các nhóm ng/tử và gốc p/t trong nội bộ p/t để thành lập các đồng phân IsomeraseV Thành lập hoặc phân giải các nối đôi LiaseIV Thủy phân (E một cấu tử)HydrolaseIII V/c các nhóm nguyên tử và gốc p/t từ chất này sang chất khác TransferaseII khử hydrogen (oxy hóa), hydrogen hóa (khử) oxydo- reductase I Xúc tác phLn MngL'p 39 CÁC ENZYME THƯỜNG SỬ DỤNG TRONG CHẨN ĐOÁN 2.7.3.2Creatine kinaseCK (DPK) 3.1.1.8CholinesteraseChE 2.6.1.1Aspartate aminotransferaseAST (GOT) 3.5.3.1ArginaseARG 3.2.1.1α-AmylaseAmyl 3.1.3.1Alkaline phosphataseAP 2.6.1.2Alanine aminotransferaseALT (GPT) H* th8ng phân lo"i Tên th%ng gPiVit tRt 40 3.4.21.4Trypsin 2.2.1.1TransketolaseTK 2.7.1.40Pyruvate kinasePK 1.1.1.14Sorbitol dehydrogenaseSDH 2.1.3.3Ornithine carbamoyltransferaseOCT 3.1.1.3Lipase (triacylglycerol lipase)LIP 1.1.1.27Lactate dehydrogenaseLDH 1.11.1.9Glutathion peroxydaseGPx 2.3.2.2γ-Glutamyl transferaseGGT H* th8ng phân lo"i Tên th%ng gPiVit tRt 11 41 (1) LỚP OXYDO-REDUCTASE (Lớp enzyme oxy hóa-khử) Xúc tác p/ oxy hóa-khC (trao đi e- hoSc trao đi H = H+ + e-). Các nhóm chính :  Các dehydrogenase chứa nhân pyridine (dẫn xuất từ vitamin PP) : v/c 2H (2H+ + 2e-)  Các dehydrogenase chứa nhân flavin (dẫn xuất từ vitamin B2) : v/c 2H (2H+ + 2e-)  Catalase : p/hủy peroxyde hydro g/p O2  Peroxydase : p/hủy peroxyde hydro g/p O  Hệ thống cytochrome : chỉ v/c e- 42
Dehydrogenase chứa nhân pyridine : - NAD+ : Nicotinamid Adenine Dinucleotide - NADP+ : Nicotinamid Adenine Dinucleotide Phosphate Nicotinamid 43 N C NH 2 O H H OHOH O O P OCH 2 O _ + H N NH 2 N N O P OCH 2 N H H OHOH O H H O OH H N C NH 2 O H H OHOH O O P OCH 2 O _ + H N NH 2 N N O P OCH 2 N H H OOH O H H O OH H P OHHO ONAD+ NADP+ 44 Dehydrogenase NAD+ NADH + H+ - CO- NH2 N+ H R +(2H+ + 2e-) - CO- NH2 N H R + H+ H - (2H+ + 2e- ) (e-) (H+ + e-) 12 45 FMN
Dehydrogenase chứa nhân flavine: -FMN : Flavin MonoNucleotide -FAD : Flavin Adenine Dinucleotide 46 CH3 C C C C C C H CH3 H N N C C C N NH C O O CH2 HCOH HCOH HCOH CH2 O PO O _ O CH3 C C C C C C H CH3 H N N C C C N NH C O O CH2 HCOH HCOH HCOH CH2 O PO O O _ P O CH2 OO _ H O H OH H OH H N HC N C C C N N CH NH2 FMN FAD 1 2 3 410 9 5 6 7 8 1 10 A Flavin isoalloxazin D-ribitol 47 NH N N CH3- O C 10 1CH3- C=O R NH H N N H CH3- O C 10 1CH3- C=O R FMN (FAD) FMNH2 (FAD.H2) +2H -2H (H++ e-) (H++ e-) 48
Heä thoáng cytochrome : laø caùc chromoprotein vôùi nhoùm heme chöùa Fe3+. Coù nhieàu loaïi cytochrome, khaùc nhau veà theá naêng oxy hoùa khöû, chuùng chæ tham gia nhaän vaø chuyeån electron (khoâng nhaän proton H+). • Phaûn öùng cô baûn : • Cyt-Fe3+ Cyt-Fe2+ • • Trong chuoãi hoâ haáp moâ baøo thöôøng gaëp caùc cytochrome : b , c , a vaø a3 (cytochrome oxydase – chæ chuyeån ñieän töû cho oxygen). +e- - e- 13 49Heme cuûa cytochrome 50 (2) LỚP TRANSFERASE (Các enzyme vận chuyển) Xúc tác p/ vVn chuyWn các nhóm nguyên tC hay g8c phân tC tX ch!t này sang ch!t khác.  Phosphotransferase - v/c –H2PO3  Aminotransferase – v/c nhóm –NH2  Sulfurtransferase – v/c nhóm –SO3H  Acyltransferase – v/c các acid béo 51 OH -CH2O – P=O OH HO- H3C- N H C=O OH -CH2O – P=O OH HO- H3C- N CH2-NH2 Pyridoxal phosphate Pyridoxamine phosphate  Aminotransferase (Trans aminase) : V/c nhóm amine trong phản ứng chuyển amine để t/h amino acid trong mô bào động vật. Coenzyme là pyridoxalphosphate (dẫn xuất từ vitamin B6) 52 SH R-C = O O- CoA.SH SH Adenosine-3’- monophosphate β-alanine A.pantoic A.panthothenic Thioethylamine O -O- C-R CoA.SH Pirophosphate  Acyltransferase – hoạt tóa &v/c các acid béo Coenzyme có tên là coenzyme acyl hóa, dẫn xuất từ panthotenic acid : 14 53 (3) LỚP HYDROLASE (Enzyme thủy phân) Là những enzyme một cấu tử, gặp phổ biến trong ống tiêu hóa, nhờ sự tham gia của nước chúng thực hiện phản ứng phân giải các chất hữu cơ phức tạp của thức ăn thành các đơn phân cơ thể có thể hấp thu được.  Glycoside hydrolase : thủy phân LK glycosidic của glucid  Proteinase và peptidase : thủy phân LK peptide của protein và peptide  Esterase : thủy phân LK este của lipid  Amidase : thủy phân các amid 54 (4) LớP LIASE Là những enzyme xúc tác p/ cRt trYc tip các liên kt trong phân tC không b=ng con đ%ng th,y phân, chúng có khả năng tách CO2, H2O, NH3…  Decarboxylase (tách CO2)  Aldolase : cắt C6 → 2 C3  Dehydratase (tách H2O)  Deaminase (tách NH3) 55 DECARBOXYLASE • Decarboxylase của α-ketoacid có CoE là thiamin piro- phosphate (TTP) (dx của vitamin B1- thiamine). • Decarboxylase của α-amino acid có CoE là pyridoxalphosphate (dx của vitamin B6). 56 CH3 CH2 C N C N C CH NH2 CH2 N C H S CC CH2 + O P O P O O O O O _ _ _ CH3 Thiamine pirophosphate (TPP) 15 57 (5) LỚP ISOMERASE (Enzyme đồng phân hóa) Là các E xúc tác sự vận chuyển nhóm nguyên tử hay gốc phân tử trong nội bộ phân tử để tạo ra các chất đồng phân.  Glucose-6-phosphate isomerase : chuyển nhóm carbonyl C1 ↔ C2 (Glucose ↔ Fructose).  Phosphoglycerate mutase : chuyển gốc (-P) giữa C1 ↔ C2 trong một phản ứng đường phân.  Racemase : chuyển nhóm (-OH) các đường đơn, tạo ra đồng phân dãy D hay L. 58 • Phosphoglyceraldehyde Phosphodioxyacetone • L-Alanine D-Alanine • UDP-Glucose UDP-Galactose • 3-phosphoglycerate 2- phosphoglycerate Alanine racemase UDP-Glucose-1-epimerase Phosphotriose isomerase Phosphglyceratemutase 59 (6) LỚP LIGASE Xúc tác p/ t/h ch!t có sC d[ng năng lng tX các n8i phosphate cao năng (∼P)  Aminoacyl-t-RNA synthetase t/lập LK C – O trong p/ư hoaït hoùa amino acid cuûa tieán trình sinh toång hôïp protein.  Glutamine synthetase thaønh laäp lieân keát giöõa C – N trong phaûn öùng toång hôïp glutamine.  Ligase thaønh laäp lieân keát giöõa C - N trong sinh toång hôïp protein, tái tổ hợp DNA.  Acetyl CoA carboxylase thaønh laäp l/kết C - C trong tieán trình toång hôïp acid beùo (p/ư thaønh laäp malonyl CoA). 60 Nguyên tử N hoạt động BIOTIN Phân tử CO2 NH –lysine của apoenzyme CARBOXYLASE : với CoE là biotin, cung cấp nhóm CO2 trong p/ư tổng hợp acid béo.