Bài giảng Hóa sinh đại cương - Chương 3: Enzyme và sự xúc tác sinh học

Nội dung text: Bài giảng Hóa sinh đại cương - Chương 3: Enzyme và sự xúc tác sinh học

1. CHƯƠNG 3 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. 37
2. 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 đi 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. Phản ứng không được xúc tác Năng lượng Năng lượng hoạt hóa Phản ứng được hoạt hóa có do enzyme xúc tác enzyme xúc tác ự A ng t ượ B ng l ă N 6G1 6G2 Æ Æ Chiều 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. 38
3. 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: Apoenzyme + Coenzyme Holoenzyme 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: 39
4. Coenzyme Chức năng Vitamin tương ứng NAD, NADP - Chuyển H+ và e- PP + - FAD. FMN - Chuyển H và e B2B Coenzyme A - Vận chuyển gốc acyl Pantotenic - Phân giải háo khí và tổng hợp acid(B3) acid béo Thiaminpyro(P) - Khử carboxyl hóa Thiamine(B1) - Chuyển nhóm aldehyd Pyridoxal(P) - Chuyển amine hóa Pyridoxine(B6) - Khử carboxyl hóa - 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: 40
5. R1 – C – COOH + NH3 H2O oxidase O Cetoacid(1) 2H R1 – CH – COOH decarboxylase R1 – CH2 + CO2 NH2 NH2 Amine Aminoacid(1) Transaminase R2 – CH – COOH NH2 Aminoacid(2) R2 – C – COOH R1 – C – COOH O O Cetoacid(2) Cetoacid(1) 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. 41
6. 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 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, CH – CONH – CH – COOH CH – COOH + H2N – CH – COOH R1 R2 R1 R2 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. O O C – NH – CH – C Lysine hay R Arginine Vị trí thủy phân của trypsine - 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: O O C – NH – CH – C Arginine Glycine Vị trí thủy phân của trombine * 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. 42
7. 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 100oC. Hoạt tính Nhiệt độ tối thích 20 30 40 50 60 70 80 toC 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 1,5 – 2,5 Amylase(mạch nha) 4,6 – 5,0 Amylase(nước bọt) 6,8 – 7,2 Trypsine 7,8 – 9,5 Arginase 9,8 Catalase 6,8 – 7,0 Peroxidase 6,0 43
8. Những nguyên nhân sau đây có thể dẫn tới sự phụ thuộc vào pH của enzyme: 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. b) Chất kìm hãm riêng: có tác dụng kìm hãm một hay một nhóm enzyme có cấu tạo gần giống nhau. Ví dụ: các chất chứa nhóm – CN kìm hãm enzyme hô hấp. 4.4. Nồng độ cơ chất và nồng độ enzyme Khi môi trường có đầy đủ cơ chất thì tốc độ phản ứng tỷ lệ thuận với lượng enzyme. Khi nồng độ cơ chất thấp, không đủ để lôi kéo tất cả lượng enzyme vào phản ứng thì tốc độ phản ứng tăng tỷ lệ thuận với nồng 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: E + S ES ES* E + P 1 2 3 44
9. 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”. VI - ĐỘNG HỌC CỦA PHẢN ỨNG ENZYME 6.1. Động học của phản ứng enzyme trong trường hợp không có chất kìm hãm. 6.1.1. Ở giai đoạn: E + S Æ ES K +1 E + S ES K-1 K+1: hằng số vận tốc của phản ứng thuận. K-1: hằng số vận tốc của phản ứng nghịch. Gọi V1 là tốc độ phản ứng thuận. V-1 là tốc độ phản ứng nghịch. [E]: nồng độ enzyme. [S]: nồng độ cơ chất. Ta có: V1 = K+1([E]. [S]) V-1 = K-1[ES] (1) 45
10. Khi phản ứng đạt đến cân bằng (enzyme phản ứng hết với cơ chất) thì V1 = V-1 nghĩa là: K+1([E]. [S]) = K-1[ES] K [ES]⋅[ ] từ đó ta có: −1 = K+1 []ES Nếu gọi Ks là hằng số cân bằng các phản ứng bậc I, ta có: [][]E.S K−1 Ks = Æ Ks = (2) []ES K+1 * Nếu Ks có giá trị lớn thì K-1 sẽ lớn và K+1 sẽ nhỏ. Từ đó ta thấy phức hợp ES dễ phân giải thành các chất S và E. Phản ứng enzyme tiến hành chậm. * 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. [ES]⋅[ ] Ở giai đoạn 1 ta đã tính được: K = s []ES 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 [S] [ES] [S] [ES] = [Eo] Æ = (5) KSs + [] []Eo KSs + [] 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. 46
11. V [ES] Từ đó có thể lập thành tỉ lệ: = Vmax []Eo V: tốc độ phản ứng enzyme (ở giai đoạn đầu) Vmax: tốc độ tối đa. [ES] [S] Từ phương trình (5) ta đã có: = [Eo ] KSs + [] V []S Vậy = Vmax KSs + [] [S] Từ đó: V = Vmax KSs + [] Đây là phương trình Michaelis và Menten (1913) dùng để tính tốc độ phản ứng enzyme từ E + S Æ ES. 1 Nếu Ks = [S] thì V = Vmax 2 6.1.2. Ở giai đoạn: ES* Æ E + P Khi đó ta có tốc độ tạo ES là: V+1 = K+1([E] [S]) Tốc độ phân li ES theo phản ứng nghịch V-1 = K-1[ES] Tính tốc độ phân giải phức hệ ES để tạo E + P, hằng số tốc độ này bằng K+2 K+1 K+2 E + S ES E + P K-1 K-2 Khi nồng độ cơ chất [S] cao hơn nhiều so với nồng độ [E] thì sẽ đạt nhanh chóng trạng thái cân bằng giữa sự hình thành ES và sự phân giải phức hệ ES đó. Như vậy ở giai đoạn này ta có: K-1[ES] + K+2[ES] = K+1[E] [S] Tốc độ phân giải T ốc độ phân giải Tố c độ tạo phức hệ ES phức hệ ES Æ E + S ph ức hệ ES Æ E + P 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: 47
12. (K-1 + K+2). [ES] = K+1 ([Eo] - [ES]). [S] từ đó: KK+ ([]E− [ ES]) .[ S] [E][ S]− [ ES][ S ] −1 + 2 = o = o K +1 []ES []ES KK−1+ + 2 [Eo ][ S]− [ ES][ S] Đặt = Km Æ Km = K +1 []ES Km được gọi là hằng số Michaelis (đo bằng mol/lit) (tính theo khi mà sự tạo [ES] và phân li [ES] bằng nhau) Km[ES] = [Eo] [S] - [ES] [S] Km[ES] + [ES] [S] = [Eo] [S] [ES](Km + [S]) = [Eo] [S] [E.S][ ] [ES] = o (7) KSm +[] Mặt khác tốc độ phản ứng tính theo sự hình thành sản phẩm P từ [ES] bằng: V = K+2[ES] V từ đó: [ES] = K+2 V [E.S][ ] Thay vào (7) ta có: = o K+2 KSm +[] K.E.S[][ ] Vậy V = +2 o (8) KSm + [] Phương trình này cho phép tính được sự phụ thuộc tốc độ phản ứng vào nồng độ của enzyme và cơ chất. V đạt cực đại khi [ES] = [Eo] nghĩa là khi E được kết hợp hoàn toàn với S. V [ES] [][]ES = từ phương trình 7 ta có: ES = 0 Vmax [E0] KSm + [] 48
13. V 1 [ES][ ] [S] Vậy = . 0 = Vmax []E 0 KSm + [] KSm +[] Từ đó: []S Đây là phương trình V = Vmax . Michaelis và Menten dùng để KS+ m [] tính tốc độ phản ứng từ ES* Æ E + P 1 * Vậy V = .Vmax thì Km = [S] 2 Lúc đó hằng số Michaelis được đo bằng mol/lít So sánh giá trị Km và Ks ta thấy: KK−1+ + 2 Km = K +1 K−1 mà Ks = K+1 K+2 Vậy Km = Ks + K+1 Khi K+2 = K+1 thì Km = Ks + 1 [S] Từ phương trình (8) V = Vmax. có thể viết dưới dạng KSm +[] phương trình: V V = max K m +1 []S 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: Tốc độ Vmax C  Vmax B 2  A 0 Km [S] 49
14. 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 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 độ đạt được đã là cực đại. Ở điểm B đúng 1 số phân tử enzyme đã kết hợp với cơ chất, 2 1 tốc độ ở đó = Vmax và nồng độ cơ chất tương ứng với điểm B bằng 2 hằng số Km. Từ phương trình Michaelis Menten [S] V = Vmax . KSm + [] 1 Nếu V = Vmax thì Km = [S]. Như vậy nghĩa là hằng số 2 Michaelis bằng nồng độ của cơ chất khi mà tốc độ phản ứng bằng 1 Vmax. 2 * Phương trình Michaelis cũng có thể viết dưới dạng khác theo đề nghị của Lineweaver và Burk (1934) bằng cách lấy số nghịch đảo: KS+[ ] K 1 1 1 = m Æ 1 = m . + V V.Smax [] V Vmax []S Vmax 50
15. Phương trình có dạng y = ax + b và đường biểu diễn có dạng đường thẳng như sau: 1 V 1 V max 1 1 − K m []S Qua đồ thị có thể xác định được Vmax và Km. 6.2. Động học của các phản ứng enzyme trong trường hợp có chất kìm hãm Trong trường hợp có chất kìm hãm cạnh tranh hay không cạnh tranh thì giá trị V của phản ứng sẽ bao gồm cả hằng số Ki (Ki là hằng số phân li của phức hợp enzyme-chất kìm hãm EI hay còn gọi là hằng số kìm hãm). Hằng số Ki được tính nhờ phương trình sau: Ki+1 E + I EI Ki-1 K i −1 [EI]⋅[ ] Ki = = K i +1 []EI * Các chất kìm hãm cạnh tranh: là các chất thường có cấu tạo gần giống với cơ chất. Các chất kìm hãm cạnh tranh có tính đặc hiệu rất cao, nghĩa là chỉ kìm hãm một enzyme riêng biệt. Ví dụ: Malonic acid là chất kìm hãm cạnh tranh của enzyme succinat-dehydrogenasa vì nó có cấu tạo gần giống succinic acid. CH2 – COOH CH2 – COOH COOH CH2 – COOH Malonic acid Succinic acid 51
16. Khi tăng nồng độ cơ chất thì mất kìm hãm cạnh tranh. * Các chất kìm hãm không cạnh tranh: là các chất có tác dụng kìm hãm hoạt động của enzyme bằng cách gắn vào các vị trí khác với các vị trí gắn cơ chất của enzyme. Trong trường hợp này chỉ làm giảm V cực đại của phản ứng chứ không ảnh hưởng gì đến hằng số Km. Ví dụ: Các ion kim loại nặng Ag+2; Hg+; Trichloroacetic acid. 6.2.1.Động học của phản ứng enzyme trong trường hợp có chất kìm hãm cạnh trạnh Việc tính toán Vi sẽ phức tạp hơn vì ta có đồng thời với quá trình gắn E với cơ chất, còn có cả quá trình gắn E vào chất kìm hãm I. K+1 K+2 E + S ES E + P K-1 Ki+1 E + I EI Ki-1 Bằng cách tính toán như trên ta có : V.Si max [ ] V = i ⎛ K ⎞ ⎜ m ⎟ KSm +[] + ⎜ []I. ⎟ ⎝ Ki ⎠ Phương trình này giống phương trình Michaelis nhưng có thêm K m []I. để phản ánh quá trình kìm hãm bởi các chất kìm hãm cạnh tranh. Ki * Cũng có thể tính Vi bằng cách : 1 1 ⎛ K.I[ ]⎞ 1 1 = . ⎜ m ⎟ . + ⎜K m + ⎟ Vi Vimax ⎝ K i ⎠ []S Vimax 52
17. 6.2.2.Động học của phản ứng enzyme trong trường hợp có chất kìm hãm không cạnh tranh: Trong trường hợp này người ta thấy rằng chất kìm hãm không cạnh tranh có thể gắn vào enzyme tự do và cả vào phức hệ ES theo các phản ứng sau: K+1 K+2 E + S ES E + P K-1 Ki+1 E + I EI K i-1 Ki+2 ES + I IES Ki-2 K i+3 EI + S IES K i-3 Cách tính phức tạp hơn: - Giả thiết rằng K+2 rất nhỏ so với K+1 và K-2, và phức hợp IES không tạo thành sản phẩm tương ứng và các hằng số cân bằng có giá trị như nhau (tương ứng với các phản ứng ghi trên), bằng cách tính như trên sẽ có: K.ES+2[ o ][ ] V = i ⎛ []I ⎞ ⎜ ⎟ ()Ks +[] S .⎜ 1 + ⎟ ⎝ Ki ⎠ hoặc tính theo dạng khác: 1 ⎛ [I] ⎞ ⎛ 1 K m 1 ⎞ = ⎜1+ ⎟ ⎜ + . ⎟ Vi ⎝ K i ⎠ ⎝ Vmax Vmax []S ⎠ Khi so sánh tốc độ phản ứng không bị kìm hãm với tốc độ phản ứng có chất kìm hãm không cạnh tranh người ta thu được tỉ lệ sau: 53
18. V [I] o = 1+ Vi Ki Vo là tốc độ ban đầu của phản ứng enzyme không có chất kìm hãm. K.ES+2[] o [ ] Vo = từ (8) KSs + [] Ở đây Ks thay vào chỗ của Km vì K+2 rất nhỏ so với K-1 nghĩa là Km = Ks. Như vậy có thể thấy rằng: Sự biến đổi tương đối của hoạt tính enzyme có chất kìm hãm không cạnh tranh chỉ phụ thuộc vào nồng độ của chất kìm hãm mà không phụ thuộc vào nồng độ của cơ chất [S]. V * Đối với chất kìm hãm cạnh tranh thì tỉ lệ o có dạng: Vi V KK o = 1 + m i []I từ phương trình này ta thấy sự biến đổi Vi KSm + [] của hoạt tính enzyme khi có chất kìm hãm cạnh tranh phụ thuộc cả vào nồng độ cơ chất và nồng độ chất kìm hãm. Có thể biểu diễn tốc độ phản ứng enzyme trong trường hợp có chất kìm hãm cạnh tranh và không cạnh tranh bằng đồ thị: V V V = V V max imax max Vimax 1 2 1 2 Km Kmi [S] Km = Ki [S] 1 1 2 1 2 V V 1 1 1 = 1 Vmax Vi max Vi max 1 V max 1 1 1 1 1 1 − − − = − K m K mi []S K m K mi []S 1 – có chất kìm hãm. 2 – không có chất kìm hãm. Có chất kìm hãm cạnh tranh Có chất kìm hãm không cạnh tranh 54
19. Tóm tắt: (Tất cả những phương trình sau đây chỉ dùng cho trường hợp khi 1 cơ chất tham gia vào phản ứng) Không có Có chất kìm hãm Có chất kìm hãm chất kìm hãm cạnh tranh không cạnh tranh Phương 1 = 1 1 trình V = = Vi Vi K 1 1 m . + 1 ⎛ K.I ⎞ ⎛ []I ⎞ m [ ] ⎜ ⎟ . V S V . ⎜K m + ⎟ . 1+ max [] max ⎜ ⎟ ⎜ K ⎟ Vimax ⎝ K i ⎠ ⎝ i ⎠ 1 1 ⎛ 1 K m 1 ⎞ + ⎜ + + ⎟ ⎜ V V []S ⎟ []S Vimax ⎝ i max i max ⎠ Đoạn thẳng trên trục tung 1 1 1 ⎛ []I ⎞ tại điểm . ⎜1+ ⎟ V V V ⎜ ⎟ 1 max max max ⎝ K i ⎠ Vmax Đoạn thẳng cắt trên trục 1 1 1 hoành tại − − − ⎛ I ⎞ Km [] Km 1 Km ⎜ 1+ ⎟ điểm ⎜ K ⎟ []S ⎝ i ⎠ 55
20. VII . CÁCH GỌI TÊN VÀ PHÂN LOẠI ENZYME Trong thời gian cơ chế tác dụng của enzyme chưa được nêu ra, người ta đã đặt cho một số enzyme những tên riêng biệt như pepsine, trypsine, chymotrypsine, papaine, bromeline, Khi con số các enzyme được biết ngày càng nhiều tên enzyme được gọi theo nguyên tắc sau đây: Tên enzyme = (tên cơ chất mà enzyme xúc tác + loại phản ứng mà enzyme xúc tác + tiếp vị ngữ “ase”). Ví dụ: Ascorbat- Ascorbic acid + ½ O2 Dehydroascorbic acid + H2O oxidase CH 2 – COOH Succinat- CH – COOH + FAD + FAD.H2 CH2 – COOH dehydrogenase CH –COOH Succinic acid Fumaric acid Việc phân loại enzyme là công việc khó khăn vì số enzyme mà cơ chế xúc tác của nó được hiểu biết một cách tường tận không nhiều. Việc phân loại enzyme được dựa theo nguyên tắc là: lấy cơ sở kiểu phản ứng do enzyme xúc tác mà Hiệp hội Hóa sinh Quốc tế đã đề xuất năm 1964. Năm 1973 hệ thống phân loại này lại tiếp tục được hoàn thiện bởi Ủy ban danh pháp Hóa sinh thuộc Hiệp hội hóa học cơ bản và ứng dụng Quốc tế (IUPAC). Trên cơ sở đó tất cả các enzyme được phân chia 6 nhóm chủ yếu sau: 1. Oxydoreductase 4. Lyase 2. Transferase 5. Isomerase 3. Hydrolase 6. Synthetase (Ligase) Các số thập phân trên bảng phân loại có ý nghĩa như sau: - Số thứ nhất chỉ nhóm chính (Ví dụ nhóm 2: transferase) - Số thứ hai qui định một số đặc tính của phản ứng (Ví dụ: 2.1 cho biết enzyme vận chuyển gốc 1 carbon) - Số tiếp theo cho biết chi tiết hơn (Ví dụ 2.1.1: có nghĩa là enzyme vận chuyển nhóm methyl ) Tuy nhiên cho đến nay các tên gọi truyền thống của enzyme vẫn còn được sử dụng. VIII. CÁC NHÓM ENZYME RIÊNG BIỆT 8.1. Oxydoreductase (các enzyme oxy hóa khử) 56
21. Các enzyme nhóm này làm nhiệm vụ xúc tác cho các phản ứng oxy hóa khử. Chúng chuyển vận H+ hay các điện tử và xúc tác cho sự oxy hóa sinh học. Các enzyme này có vai trò to lớn trong quá trình hô hấp và trao đổi năng lượng trong cơ thể. Sơ đồ tổng quát của các phản ứng được xúc tác bởi oxydoreductase như sau: AH2 + B A + BH2 oxydoreductase Trong đó AH2 là cơ chất; B là chất nhận H nào đó, có thể là O2. Trong tế bào oxydoreductase tạo nên các hệ thống (được gọi là chuỗi enzyme oxy hóa khử), trong đó việc vận chuyển các nguyên tử hydro (H+ và e-) qua nhiều giai đoạn, từ cơ chất đến chất nhận cuối cùng là O2. Kết quả là các nguyên tử hydro được vận chuyển đến O2 và sẽ tạo thành H2O. Sơ đồ hệ thống enzyme hô hấp và việc vận chuyển H+ và e- được trình bày tổng quát sau đây: 2H +, 2e- 2H +, 2e- AH 2 NAD NADH 2 FAD FADH 2 + - (NADP) (NADPH 2 ) 2H , 2e Q + 2H QH2 2e- 2cytochrome b 2e- 2cytochrome c 2e- 2cytochrome a H2O -2 - O ½ O2 2e Tùy theo khả năng của oxydoreductase chuyển H2 vừa lấy được từ cơ chất (AH2) đến O2 của không khí, người ta chia oxydoreductase thành hai phân nhóm: - Dehydrogenase háo khí (oxidase) - Dehydrogenase yếm khí. a) Dehydrogenase yếm khí: là những enzyme không có khả năng + - vận chuyển H và e từ cơ chất oxy hóa đến trực tiếp cho O2 của không 57
22. khí, mà chúng sẽ chuyển H+ và e- đó cho các chất vận chuyển trung gian khác. Nhóm ghép của dehydrogenase yếm khí là dẫn xuất của vitamin PP (B5) đó là NAD và NADP. NH2 O N N + C NH2 (NAD ) N N - - O CH2 – O – (P) – O – (P) – O – CH2 O (+) N H H H H H OH HO H H OH HO H + Nếu là: – O – (P) thì đó là NADP b) Dehydrogenase háo khí: là những enzyme có khả năng vận + - chuyển H và e đến trực tiếp cho O2 của không khí. Chúng cũng là những enzyme hai thành phần. Nhóm ghép của chúng là dẫn xuất của vitamin B2 (Riboflavin) đó là FMN và FAD. O N H 3C NH NH2 H 3C N N O N N CH2 (CH – OH)3 N N FAD CH2 – O – (P) – O – (P) – CH2 O H H FMN H OH HO H 58
23. Các enzyme chứa FMN, FAD thường không oxy hóa trực tiếp cơ chất mà chúng lấy H2 từ NADH2 (hoặc từ NADPH2) rồi chuyển điện tử cho hệ cytochrome. Đa số enzyme chứa FMN khi tác dụng trực tiếp với O2 không khí sẽ tạo thành H2O2. Ví dụ: enzyme glycolatoxidase xúc tác cho phản ứng oxy hóa glycolic acid theo sơ đồ sau: COOH Glycolatoxidase CH2OH FMN H2O2 Glycolic acid O C – H FMNH2 O2 COOH Glyoxilic acid 8.2. Nhóm transferase (các enzyme vận chuyển) Các enzyme nhóm này làm nhiệm vụ vận chuyển các nhóm hóa học từ hợp chất này sang hợp chất khác mà không làm thay đổi hóa trị của các nguyên tố. Sơ đồ tổng quát: Ax + B A + Bx transferase x: là nhóm được vận chuyển. Tùy thuộc vào x mà ta có các tên enzyme vận chuyển khác nhau. Ví dụ: Acyltransferase: x là gốc các acid béo trong đó có gốc acetic acid. Đây là enzyme hai thành phần trong đó nhóm hoạt động là HS-CoA có cấu tạo như sau: NH2 H3C CH3 N N O O SH CH2 – O – (P) – O – (P) – O O NH NH N N H H OH H H 59 OH O – (P)
24. - Glycozyltransferase: Nếu x là gốc glycozyl. - Aminotransferase: Nếu x là nhóm amin (– NH2 ). - Methyltransferase: Nếu x là nhóm (CH3). - Aldotransferase: Nếu x là nhóm aldehyd. - Cetotransferase: Nếu x là nhóm cetone. - Phosphotransferase: Nếu x là gốc H3PO4. Enzyme này còn có tên là: a) Kinase: Nếu xúc tác cho phản ứng chuyển gốc H3PO4 mà ATP là nhóm hoạt động của enzyme này. Ví dụ: Glycerine + ATP Glycerol(P) + ADP Kinase b) Mutase: là enzyme vận chuyển gốc H3PO4 trong nội tại phân tử của 1 chất. Ví dụ: Enzyme hexoso(P)-mutase xúc tác cho phản ứng sau: 6 6 CH2OH CH2 – O – (P) 5 O 5 O H H H Hexoso(P) - H H H 4 1 4 1 HO OH H O – (P) mutase HO OH H OH 3 2 3 2 H OH H OH Glucoso-1(P) Glucoso-6(P) 8.3. Nhóm hydrolase (các enzyme thủy phân): Các enzyme nhóm này xúc tác cho các phản ứng thủy phân. Sơ đồ tổng quát: R1 – R2 + H2O R1 – H + R2 – OH Hydrolase 60
25. Dựa vào liên kết giữa R1 và R2 mà ta có tên các enzyme thủy phân khác nhau: - Peptidase: Thủy phân liên kết peptide. - Glycosidase: Thủy phân liên kết glycoside. - Esterase: Thủy phân liên kết ester. - Amidase: Thủy phân amide. R – C – NH2 + H2O R – COOH + NH3 Amidase O Amide Ví dụ: NH2 C = O + H2O CO2 + 2NH3 Urease NH2 Ure H 2N – CH – COOH H2N – CH – COOH NH3 CH2 + H2O CH2 Asparaginase CONH2 COOH Asparagin Aspactic acid 8.4. Nhóm Liase (các enzyme phân cắt) Enzyme nhóm này phân cắt một nhóm nào đó ra khỏi một hợp chất mà không có sự tham gia của H2O. Có trường hợp kết quả của phản ứng là tạo liên kết đôi. Ví dụ: * Decarboxylase: xúc tác cho phản ứng sau: CO2 R – CH – COOH R – CH2 Decarboxylase NH2 NH2 Aminoacid Amine 61
26. * Aldolase: xúc tác cho phản ứng thuận nghịch sau: 62
27. Fructosodi(P) Aldehyd(P)glyceric + Phosphodioxiacetone CH2 – O – (P) O C = O C – H CH2 – OH Aldolase (CH – OH) 3 CH – OH + C = O CH2 – O(P) CH2 – O(P) CH2 – O(P) Fructoso 1,6 di(P) Aldehyd(P)glyceric Phosphodioxiacetone * Hydratase (hydroliase): gồm các enzyme xúc tác cho phản ứng loại trừ và kết hợp H2O. CH2 – COOH H2O CH2 - COOH C(OH).COOH C – COOH Aconitat-hydratase CH2 – COOH CH - COOH Citric acid Cis-aconitic acid CH – COOH 2 H2O CH – COOH Aconitat-hydratase CH.OH.COOH Isocitric acid 8.5. Nhóm Isomerase (các enzyme đồng phân hóa): Các enzyme nhóm này xúc tác cho phản ứng chuyển hóa các chất hữu cơ thành đồng phân của chúng. Ví dụ chuyển hóa giữa dạng cetone và dạng aldehyd. Giữa dạng L và dạng D Ví dụ: Enzyme trioso(P)isomerase xúc tác cho phản ứng sau: O CH2 – OH C – H C = O CH – OH CH2 – O(P) CH2 – O(P) Phosphodioxiacetone Aldehyd(P)glyceric 63
28. Enzyme alaninracemase xúc tác cho phản ứng biến đổi L-alanine thành D-alanine và ngược lại. COOH COOH Alaninracemase H2N – C – H H – C – NH2 CH3 CH3 L-Alanine D-Alanine 8.6. Nhóm synthetase (các enzyme tổng hợp) Các enzyme nhóm này xúc tác cho các phản ứng tổng hợp các chất hữu cơ. Nhóm này chỉ xúc tác khi có mặt của ATP và các hợp chất cao năng khác. Vì các phản ứng tổng hợp đòi hỏi phải cung cấp nhiều năng lượng. Một số ví dụ sau đây: ATP ADP + H3PO4 * Aspactic acid + NH3 Asparagine – H2O Asparaginsynthetase ATP ADP + H3PO4 * Glutamic acid + NH3 Glutamine – H2O Glutaminsynthetase ATP AMP + H P O 4 2 7 * CH – COOH + HS-CoA CH – C ~ S.CoA 3 3 Acetic acid Acetyl-CoA-Synthetase O Acetyl-CoA 64
29. o0o 65