Bài giảng sinh học đại cương Công nghệ hóa dầu và công nghệ hóa hữu cơ: Chương 3
55 Sinh học đại cương Chương III: Enzym 56 Một số khái niệm chung 1700: tiêu hóa thitj nhờ dịch chiết trong dạ dày 1800: chuyển hóa tinh bột thành đường nhừ nước dịch chiết thực vật 1850 - Louis Pasteur: quá trình lên men đường thành rượu của nấm men xảy ra nhờ một nhân tố gọi là men. Men không thể tách ra khỏi cấu trúc tế bào sống 1897- Eduard Buchner: dịch chiết nấm men có khả năng lên men đường thành rượu. Men có thể tách ra khỏi tế bào 1956 – Summer: tách và kết tinh urease. Urease mang bản chất Protein 1930 – John Northrop và Moses Kunitz: tách và tinh chế các enzym tiêu hóa mang bản chất protein - Enzym mang bản chất protein - Tăng tốc độ phản ứng lên 10 mũ 20 lần nhưng không bị tiêu thụ hoặc thay đổi khi xúc tác - Mục đích giúp chuyển hóa thức ăn thành năng lượng và các vật liêụ mới 57 Cấu trúc enzym Định nghĩa: Enzym là các phân tử protein có chức năng xúc tác sinh học Enzym đơn cấu tử: thành phần cấu tử chỉ bao gồm các protein đơn giản Enzym lưỡng cấu tử: bao gồm 2 thành phần Phần Protein (nhóm nội, apoenzym) - Cấu tạo: từ các axit amin - Tính chất:không bền nhiệt - Chức năng: tăng hiệu lực xúc tác và quyết định tính đặc thù của enzym Phần nhóm ngoại - Cấu tạo: không mang bản chất protein Ion vô cơ Phức hữu cơ (vitamin): là các chất vận chuyển tạm thời các nhóm chức năng đặc hiệu, là một phần trong cấu trúc trung tâm hoạt động của enzym - Tính chất: kích thước nhỏ, bền nhiệt - Chức năng:trực tiếp tham gia vào phản ứng xúc tác và quyết định kiểu phản ứng. Vitamin Dạng coenzym Nhóm vận chuyển Enzym tương ứng Biotin Biocytin CO2 Propionyl-CoA carboxylase Axit pantothenic và các hợp chất Coenzym A Các nhóm acyl Acetyl-CoA carboxylase Vitamin B12 5'- Deoxyadenosyl cobalamin (coenzym B12) Các nguyên tử H và các nhóm acyl Methylmalonyl- CoA mutase Riboflavin (vitamin B2) Flavin adenin dinucleotit (FAD) Electron, các nguyên tử H Succinate dehydrogenase Axit nicotinic (niacin) Nicotinamide adenin dinucleotit (NAD) Ion H (: H -) Alcohol dehydrogenase Thiamine (vitamin B1) Thiamine pyrophosphate Aldehyt Pyruvate dehydrogenase 58 Danh pháp và phân hạng Danh pháp - Danh pháp thông thường: cơ chất + ase - Danh pháp quốc tế: cơ chất + kiểu phản ứng + ase - Kí hiệu: EC1234 1: Chỉ enzym thuộc nhóm lớn nào 2: Chỉ enzym thuộc nhóm phụ nào 3: Chỉ enzym thuộc phân nhóm phụ nào 4: Chỉ số thứ tự Phân hạng: 6 nhóm phản ứng - Oxidoredutase (xúc tác các phản ứng oxi hóa khử) VD: Alcohol dehydrogenase: chuyển hóa rượu thành aldehyt hoặc keton - Transferase (xúc tác các phản ứng vận chuyển các nhóm chức năng) VD: Aminnotransferase: phân hủy axit amin bằng cách loại bỏ nhóm amin - Hydrolase (xúc tác các phản ứng thủy phân) VD: Glucose-6-phosphatase: loại nhóm phosphate khỏi glucose-6-phosphate, tạo glucose và H3PO4 - Lyase (xúc tác các phản ứng tạo liên kết đôi) VD: Pyruvate decarboxylase: loại bỏ CO2 khỏi pyruvate - Isomerase (xúc tác các phản ứng đồng phân hóa học) VD: Ribulose phosphate epimerase: chuyển hóa giữa ribulose 5-phosphate và xylose-5-phosphate - Ligase (xúc tác hình thành các liên kết hóa học nhờ phân cắt ATP) VD: Hexokinase: chuyển hóa giữa glucose và ATP với glucose-6-phosphate và ADP 59 Cấu tạo trung tâm hoạt động Khái niệm: trong quá trình xúc tác chỉ một phần nhỏ phân tử enzym tham gia kết hợp với cơ chất và chuyển hóa thành sản phẩm – trung tâm hoạt động của enzym Cấu tạo: bao gồm 1 số nhóm chức năng của axit amin không tham gia liên kết trục chính - COOH: axit glutamic và axit aspatic - NH2 : lysin - OH: Serin - SH: Cystein - Imidazol: Histidin - Phenol: Tyrozin Tính chất: chỉ được hình thành trong cấu trúc bậc 2,3,4 60 Một số quan niệm về trung tâm hoạt động của enzym Quan niệm của Fisher (1894) - Trung tâm họat động vốn sẵn có và cứng nhắc Enzym: ổ khóa Cơ chất: chìa khóa Quan niệm của Kosland (1958) - Trung tâm hoạt động của enzym được hình thành trong quá trình kết hợp với cơ chất và đây là một cấu trúc mềm dẻo, linh động - Cơ chất quyết định cuối cùng đến hình dáng của enzym Enzym: găng tay Cơ chất: bàn tay 61 Trung tâm dị lập thể (Allosteric) Khái niệm:Trung tâm dị lập thể là vị trí thứ 2 trên phân tử enzym mà các cơ chất (chất allosteric) khi kết hợp vào vị trí này không chuyển hoá tạo thành sản phẩm mà chỉ làm thay đổi cấu trúc của phân tử enzym cũng như cấu trúc trung tâm hoạt động của enzym. Tính chất: thay đổi cấu trúc của enzym theo 2 chiều hướng - Tăng khả năng hoạt động của enzym: điều hòa dương - Giảm khả năng hoạt động của enzym: điều hòa âm 62 Mô hình phản ứng sinh học E: enzym S: cơ chất P: sản phẩm ES: phức hợp enzym-cơ chất EP: phức hợp enzym-sản phẩm 63 Chất phản ứng Sản phẩm N ă n g l ư ợ n g Phản ứng tỏa nhiệt Năng lượng hoạt hóa, E a Trạng thái chuyển tiếp Bẻ gãy liên kết Hình thành liên kết Tiến trình phản ứng 64 Cơ chế tác dụng của enzym Cơ chế tác dụng: Enzym làm tăng các phản ứng hóa học trong tế bào nhờ quá trình làm giảm rào cản năng lượng họat hóa - Năng lượng hoạt hóa là rào cản năng lượng phải vượt qua trước khi 1 phản ứng hóa học bắt đầu - Các chất phản ứng phảo hấp thụ Ea để trở nên họat động -làm yếu các liên kết đến mức bẻ gãy được chúng và hình thành liên kết mới. Phản ứng bắt đầu xảy ra. - Enzym làm tăng vận tốc phản ứng mà không làm thay đổi chính bản thân chúng [...]... loãng hoặc các dung môi hữu cơ tạo dung dịch keo Không bền trong môi trường axit và kiềm mạnh Cường lực xúc tác:Cường lực xúc tác lớn: tăng vận tốc phản ứng lên hàng vạn cho đến hàng triệu lần so với chất xúc tác hóa học 66 Tính chất của enzym (cont.) - Đặc hiệu phản ứng: Enzym có khả năng chuyển hoá một số cơ chất nhất định, một liên kết hoá học nhất định hoặc một kiểu phản ứng hoá học nhất định Đặc hiệu... có các hợp chất hóa học để họat hóa các nhóm chức năng này maleic 79 Phương pháp cố định enzym (cont.) Phương pháp hấp phụ: là phương pháp đơn giản nhất Enzym hấp phụ vật lý lên trên bề mặt của chất mang nhờ các liên kết yếu như Van der Waals Chất mang: alumina, clay, silica, nhựa trao đổi ion, CaCO3, nhựa trao đổi cation, collagen và thủy tinh Ưu điểm Quá trình cố định đơn giản và dễ dàng thực... enzym cao Trơ về mặt hóa học Có cơ chế họat động ổn định và bền Điện tích bề mặt và tính kị nước Diện tích bề mặt: diện tích lỗ, kích thước hạt, đường kính ống Đặc điểm chuyển khối Quá trình khuếch tán tại chỗ của hệ thống Phân loại Polyme kị nước dựa trên các polysaccarit tự nhiên như agarose, dextran và cellulose Polyme hydrocacbon tổng hợp ưa béo như polyacrylamide, polystyrene và nylon Các vật liệu... và nylon Các vật liệu vô cơ như oxit sắt, hạt thủy tinh 83 Phương pháp họat hóa chất mang Polysacarit - Derivatization các nhóm hydroxy chức năng - Tác nhân: cyanogen bromide, các dẫn xuất triazin, ganuric chloride, sodium periodate, expoxide hoặc benzoquinone Poacrylamide và dẫn xuất: hoạt hóa nhờ phản ứng diamine Chất mang vô cơ: họat hóa nhờ phản ứng với glutaraldehyt 84 Đặc tính của enzym... đồng hóa trị 76 Phương pháp cố định enzym Phương pháp bao gói: enzym được trộn lẫn với tiền chất của gel hoặc các monomer Gel hình thành hoặc quá trình polyme hóa các monomer sẽ bao gói các gel lại Ưu điểm Enzym không có những thay đổi về mặt hóa học Đặc tính enzym không thay đổi - Nhược điểm Quá trình bất hoạt enzym xảy ra trong quá trình hình thành gel Rõ rỉ enzym xảy ra liên tục phụ thuộc vào... phản ứng đạt tốc độ lớn nhất Nguyên tắc: duy trì trạng thái ion hóa của các nhóm chức năng tại trung tâm họat động và trong toàn cấu trúc protein Khoảng họat động: axit yếu, bazơ yếu hoặc trung tính Chất họat hóa Khái niệm: là các chất làm enzym từ trạng thái hoạt động yếu trở nên mạnh hoặc từ không họat động trở nên hoạt động Bản chất hóa học: + Coenzym vận chuyển điện tử, hydro + Chất phá vỡ liên kết... enzym ngoài trung tâm hoạt động làm biến dạng enzym và làm giảm vận tốc phản ứng Sản phẩm đóng vai trò là các chất kìm hãm không cạnh tranh - - Cơ chất phản ứng: nồng độ cơ chất quá lớn có khả năng kết hợp với một vị trí thứ 2 của enzym cũng như vào trung tâm hoạt động của enzym làm thay đổi hình dáng của enzym và từ đó làm giảm vận tốc phản ứng 73 Các yếu tố ảnh hướng đến hoạt tính của enzym (cont.)... enzym trong phức hợp với cơ chất k1: hằng số vận tốc tạo phức trung gian ES k-1: hằng số vận tốc phân ly trung gian tạo E và S k2: hằng số vận tốc phân ly phức ES tạo sản phẩm và enzym tự do V0: vận tốc ban đầu Vmax: vận tốc cực đại Km: hằng số Michaelis K 1 1 1 m V0 Vmax [ S ] Vmax Công thức Michaelis-Menten 68 Các yếu tố ảnh hướng đến hoạt tính của enzym (cont.) Ý nghĩa của giá trị Km: Km rất khác... mức tối thiểu Công thức Michaelis Menten V [S ] V0 max K m [ S ] 71 Kìm hãm không cạnh tranh Khái niệm:Cơ chất và chất kìm hãm kết hợp với enzym tại 2 vị trí khác nhau Chất kìm hãm không cạnh tranh làm thay đổi cấu trúc, hình dạng của enzym cũng như trung tâm hoạt động của enzym, từ đó làm giảm vận tốc của phản ứng Đặc tính: cấu tạo của cơ chất và chất kìm hãm không giống nhau Công thức Michaelis... hoạt động của enzym Không thích hợp cho các enzym proteolytic hoặc các phân tử cơ chất lớn 78 Phương pháp cố định enzym (cont.) Phương pháp liên kết đồng hóa trị: enzym được hấp phụ lên bề mặt chất mang nhờ quá trình hình thành các liên kết đồng hóa trị thông qua các nhóm chức năng Các nhóm chức năng phổ biến nhất của chất mang Nhóm amin Nhóm cacboxyl Nhóm hydroxyl Nhóm sulphydryl - Chất mang: . 55 Sinh học đại cương Chương III: Enzym 56 Một số khái niệm chung 1700: tiêu hóa thitj nhờ dịch chiết trong dạ dày 1800: chuyển hóa tinh bột thành đường nhừ. epimerase: chuyển hóa giữa ribulose 5-phosphate và xylose-5-phosphate - Ligase (xúc tác hình thành các liên kết hóa học nhờ phân cắt ATP) VD: Hexokinase: chuyển hóa giữa glucose và ATP với glucose-6-phosphate. khỏi tế bào 1956 – Summer: tách và kết tinh urease. Urease mang bản chất Protein 1 930 – John Northrop và Moses Kunitz: tách và tinh chế các enzym tiêu hóa mang bản chất protein - Enzym