HÓA SINH HỌC ĐẠI CƯƠNG - ENZYME pps

BẢN CHẤT HÓA HỌC BẢN CHẤT HÓA HỌC-- CẤU TẠO CẤU TẠO- Enzyme là tên gọi một nhóm các chất hữu cơ có hoạt tính sinh học - Enzyme không chỉ xúc tác cho các phản ứng trong hệ thống sống - Số

Chương 7

ENZYME

HÓA SINH HỌC ĐẠI CƯƠNG

I GIỚI THIỆU CHUNG

II CẤU TẠO CỦA ENZYMEIII CƠ CHẾ TÁC DỤNG CỦA ENZYMEIII TIỀN ENZYME VÀ SỰ HOẠT HÓA

IV TÍNH ĐẶC HIỆU CỦA ENZYME

V GỌI TÊN VÀ PHÂN LOẠI ENZYME THEOTÍNH ĐẶC HIỆU

VI CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN VẬN TỐCPHẢN ỨNG ENZYME

VII ĐƠN VỊ HOẠT TÍNH CỦA ENZYME VIII ỨNG DỤNG ENZYME

BẢN CHẤT HÓA HỌC BẢN CHẤT HÓA HỌC CẤU TẠO CẤU TẠO

- Enzyme là tên gọi một nhóm các chất hữu cơ có hoạt tính sinh học

- Enzyme không chỉ xúc tác cho các phản ứng trong hệ thống sống

- Số lượng các enzyme

- Bản chất enzyme : là protein


có tính chất của protein

- Cấu trúc

-Enzyme không bền -Enzyme có tính lưỡng tính:

- Hệ thống đa enzyme (mutilenzyme):

SO

SO SÁNH SÁNH GIỮA GIỮA ENZYME ENZYME & & CHẤT CHẤT XÚC XÚC TÁC TÁC VÔ VÔ CƠ CƠ

Enzyme có nguồn gốc sinh học …

VD: phản ứng thủy phân protein

- Bằng enzyme : pH acid yếu hay trung tính hay kiềm

tùy enzyme, nhiệt độ 370C, vài chục phút.

- Bằng xúc tác vô cơ : acid đặc, nhiệt độ>100oC,

1-Điều kiện phản ứng :

Cường độ phản ứng :

VD :

- Khi nằm ngoài tế bào H 2 O 2 phân giải từ từ Nếu có

Fe 3+ xúc tác phản ứng xảy ra vô cùng yếu; nếu có platin xúc tác sự phân giải H 2 O 2 sẽ tăng lên 20 000 lần

- Trong tế bào khi phân giải có catalase xúc tác thì sự phân giải H 2 O 2 sẽ tăng lên 3.10 11 lần

SO

SO SÁNH SÁNH GIỮA GIỮA ENZYME ENZYME & & CHẤT CHẤT XÚC XÚC TÁC TÁC VÔ VÔ CƠ CƠ

Tính đặc hiệu :

Hoạt tính của enzyme

VD: Tác nhân acid H+ có thể xúc tác cho cả phản ứng thủy phân tinh bột hay protein thì enzyme amylase chỉ xúc tác cho phản ứng thủy phân tinh bột, và protease xúc tác cho phản ứng thủy phân protein.

SO

SO SÁNH SÁNH GIỮA GIỮA ENZYME ENZYME & & CHẤT CHẤT XÚC XÚC TÁC TÁC VÔ VÔ CƠ CƠ

II CẤU TẠO CỦA ENZYME

- Thường là enzyme oxy hoá khử

enzym apoenzym cofactor (prostetic, coenzyme)

+

Cofactor có thể là:

-Nhóm prostetic (nhóm ngoại):

-Các ion kim loại:

2 MỘT SỐ COFACTOR QUAN TRỌNG 2.1 Coenzyme là các vitamin hoặc dẫn xuất của chúng a.Vitamin B1 - Tiamin pirophotphat (TPP),

TPP có chức năng:

-Đề carboxyl các αααα-cetoaminoacid -Đề cacboxyl oxy hóa các αααα-ceto acid -Chuyển nhóm ceto (transcetolase).

b Vitamin B2 - Các coenzyme Flavin

FMN

Coenzyme của các enzyme oxy hoá khử, gồm có

- FMN (Flavin mononucleotic)

FAD

Chức năng:

Tham gia quá trình hô hấp, vận chuyển hydro; vòng izoalloxazin nhận cả 2 proton H+ và 2e, coenzyme từ dạng oxy hoá trở thành dạng khử

C=O NH

C=O

N H

N H

N N C

H 3 C

H 3

R

C=O NH

C=O N N

N N C

H 3 C

H 3

R

+2H -2H

c.Vitamin B6-Pirydoxal photphat,Pirydoxamin photphat

Chức năng: Vận chuyển nhóm amin -NH2từ 1 αacid amin này sang αacid amin khác

R-CH-COOH

C

H COOH R1

NH 2

CO COOH R1

pirodoxamin P pirodixal P

C=O H

CH 2 OP C

H 3

O H

N

H

CH 2 OP C

H 3

O H

C H

NH 2

COOH R

COOH R

N H

NH H

CH

N

H

CH 2 OP C

H 3

O H

NH 2 CH

N

H

CH 2 OP C

H 3

O H

R-C-COOH O alpha cetoaxit

piridoxamin photphat bazơ ship

NH 2 CH

N

H

CH 2 OP C

H 3

O H

O

COOH R1

N

H

CH 2 OP C

H 3

O H

O

COOH R1

NH 2

-H 2 O

+

O +H 2

+

Qua giai đoạn trung gian bazơ Ship

piridoxal photphat piridoxamin photphat

một cetoacid khác

Pirydoxamin photphat lại tác dụng với cetoacid khác để tạo thành pirydoxal photphat và acid amin khác

α-d.Vitamin PP - Nicotin amid nucleotide (NAD, NADP)

Coenzym của enzym oxy hóa khử: NAD và NADP

Chức năng: Tham gia vào quá trình hô hấp _ vận chuyển hydro Vòng nicotin amid của NAD nhận proton H+ và 2 điện tử trở thành dạng khử NADH

Coenzyme NAD Coenzyme NADH

Cơ chế vận chuyển điện tử của NADH Sự chuyển hóa các dạng xúc tác

e Vitamin B3 - Coenzyme A (coA, CoASH) thường gặp trong các quá trình trao đổi chất, gọi là coenzyme A vì nó xúc tác cho quá trình acetyl hoá

Vị trí hoạt động là nhóm –SH.

CH 2 -C-CHOH O

P

CH 3

CH 3

axit panthotenic (vit B3)

Thioethylamin Nhóm hoạt động

~

acyl-+ +

H 2 O

H 2 O

R - CO~SCoA

Nhóm acyl gắn với co A bằng

lk thiol ester tạo thành acyl coenzyme A (R-CO-S-CoA)

acetyl sẽ tạo thành acetyl coenzyme A (CH3-CO-S-CoA)

Acyl-coA

Acetyl coA

f Acid lipoic : (1,2-dithione-3-pentanoic acid) oxidant có chứa S, hoạt động trong pha béo và nước.

anti-g Biotin (vitamin H)

Biotin Biotin cacboxylated

Là coenzyme của các enzyme vận chuyển CO 2 +Biotin gắn với CO 2 tại nhóm NH tạo thành Biotin cacboxylated

+Biotin gắn với apoenzyme tạo thành liên kết peptid tại gốc lizin của apoezym.

C H C

H 2

S H C

N CH NH O

2.2 Các cofactor là nucleotide và dẫn xuất.

a Các adenin nucleotidevận chuyển nhóm P:

AMP, ADP, ATP

O N

N N

Sự phân giải ATP giải phóng năng lượng

b Các nucleotit photphat khác: UTP, CTP, GTP

UTP

GTP CTP

c Các pocfirin sắt.

Hem

Cấu tạo vòng Pocfirin:

Hem: gồm Pocfirin liên kết với Fe

Có 2 chất hem: Fe++: Ferohem,

Fe+++: Ferihem

N CH CH-CH 3

N

CH 2

CH 2 COOH

Fe CH

CH

N CH-CH 3

CH

N

CH 2

CH 2 COOH

Peroxydase-H 2

H 2 O

H 2 O 2

2 2

Peroxydase Catalase

Hemoproteit nội bào:hệ thống cytocrom là các enzyme vận chuyển điện tử cùng sự biến đổi thuận nghịch hóa trị của Fe trong hem Các cytocrom thường gắn trên màng ty thể, đến nay biết được khoảng 20 cytocrom khác nhau

Các cytocrom quan trọng

3 TRUNG TÂM HOẠT ĐỘNG –(TTHĐ)

ĐN TTHĐ:

- tập hợp những nhĩm chức khác nhau

- cấu trúc khơng gian

TTHĐ của enzyme một cấu tử

gồm có –SH của cystein,

- OH của serine,

- NH2 của lysine,

- COOH của acid glutamic, aspartic, vòng imidazol của histidin,

vòng indol của tryptophan…

Đặc điểm của các nhĩm chức này:

VD: TTHĐ của chymotripsin gồm –OH của Ser 195, -COOH của Asp 102, vòng imidazol của His 57

Nhờ cấu trúc bậc 3 củaprotein mà nhóm -OH củaSerin và vòng imidazol củahistidin đứng gần với nhautạo thành liên kết hydro

TTHĐ của enzyme hai cấu tử thường là do cofactor và các nhóm định chức của các acid amin ở phần apoenz

Phần lớn các enzyme thuộc loại enzyme 2 thành phần và các thành phần này có tác dụng bổ trợ nhau

- Apoenzyme

- Cofactor :

4.TRUNG TÂM ĐIỀU HOÀ DỊ LẬP THỂ

(ALLOSTETIC) Trung tâm điều hoà, trung tâm dị lập thể (allosteric) Chất điều hoà dị lập thể.

Chất điều hòa đồng hướng (homotropic):

Chất điều hòa dị hướng (heterotropic):

Chất điều hoà dương : Chất điều hòa âm :

III CƠ CHẾ TÁC DỤNG CỦA ENZYME

1 Các loại liên kết trong [ES]

a).Liên kết ion (tương tác tĩnh điện):nhóm tích điện của cơ chất với nhóm tích điện trái dấu trên enzyme

CO

O Tyr Gly

-L-+ +

mạch bên của gốc Arg của enz hình thành liên kết ion giữa dipeptide glixil - L - tyrozin và cacboxylpeptidase

b).Liên kết hydro: H liên kết với A bằng liên kết cộnghoá trị, đồng thời tạo liên kết yếu với B Liên kết H đượctạo thành khi khoảng cách giữa A và B khoảng 3 A0

A-H B

N O

O H N

R

H C N C O

c).Tương tác Vandecvan: yếu và ít đặc hiệu hơn liênkết H và ion, xuất hiện khi …, xảy ra khi có sự ăn khớpvề hình dạng giữa S và E

d).Tương tác kỵ nước: Xuất hiện khi các phần khôngphân cực của E và S kết lại với nhau:

C

120 H

H H

O O O

2 CƠ CHẾ TÁC DỤNG CỦA ENZYME

S (subtrate-cơ chất), E (enzyme), ES: phức hợp enzyme-cơ chất, EP : phức hợp enzyme- sản phẩm.

2 CƠ CHẾ TÁC DỤNG CỦA ENZYME

Phản ứng chia làm 3 giai đoạn:

(1) Giai đoạn hình thành phức ES

(2) Giai đoạn hoạt hóa và biến đổi cơ chất

(3) Giai đoạn tạo thành sản phẩm P và giải phóng E

Có 2 giả thiết về cơ chế tác dụng của enzym

Theo quan điểm “ổ khoá và chìa khóa”của Fisher(thuyết tương ứng tĩnh):…

cơ chế khóa và chìa cơ chế cảm ứng

Theo quan điểm hiện đại “khớp cảm ứng” củaDaniel E.Koshland (thuyết tương ứng động)

III TIỀN ENZYME VÀ SỰ HOẠT HÓA

Một số enz protease ở tụy, dạ dày và protease trong quá trình đông máu khi chưa hoạt động đều ở dạng zymogen (pepsinogen, tripsinogen, chymotripsinogen, protrombin…)Cách hoạt hóa các zymogen:

Cơ

Cơ chế chế hoạt hoạt hóa hóa zymogen zymogen::

Dưới tác dụng của enzyme hoạt hóa, zymogen bị cắt bớt một số liên kết peptide

Bảng Bảng:: Proenzyme Proenzyme và và các các enzyme enzyme hoạt hoạt hóa hóa tương tương ứng ứng

Pepsinogen Chymotrypsinogen Trypsinogen Procacboxypeptidase Proelastase

Pepsin Chymotrypsin Trypsin Cacboxypeptidase Elastase

Pepsin Trypsin, Chymotrypsin Trypsin, enteropeptidase Trypsin

Trypsin

S S

H

S S

S S

S

Trungtâm hoạt động S

đoạn hexapeptide

bị loại

Trypsinogen

Trypsin

Quá trình hoạt hóa trypsinogen

Ví dụ: Tripsinogen có thể được hoạt hóa nhờ tripsin hay enterokinase của ruột non để tạo thành tripsin hoạt động

IV

IV TÍNH TÍNH ĐẶC ĐẶC HIỆU HIỆU CỦA CỦA ENZYME ENZYME

1.

1 Đặc Đặc hiệu hiệu kiểu kiểu phản phản ứng ứng:

Xem thêm phần phân loại

2 Đặc Đặc hiệu hiệu cơ cơ chất chất::

Mức độ đặc hiệu của các enzyme không giống nhau,thường phân biệt ở các mức sau

2.1 Đặc hiệu tuyệt đối:

VD: enzyme urease chỉ thủy phân ure

H N-CO-NH + H O


CO2 + NH

2.2 Đặc hiệu tương đối:

VD: enzyme lipase thủy phân tất cả các liên kết ester.

2.3 Đặc hiệu nhóm

VD: protease xúc tác thuỷ phân liên kết peptide gồm:

+Exopeptidase: thủy phân liên kết ở đầu tận cùng +Endopeptidase: thủy phân liên kết peptide bên trong

R- C - N - CH - COOH RCOOH + H 2 N - CH - COOH

cacboxylpeptidase

cacboxylpeptidase thuỷ phân lk gần nhóm cacboxyl tự do

2.4 Đặc hiệu quang học (đặc hiệu lập thể)

VD: enzyme fumarahydratase chỉ tác dụng lên L-malic acid mà không tác dụng lên D-malic acid

CH

CH 2 COOH

COOH O

H

HOOC - CH CH- COOH

fumarahydratase

V GỌI TÊN VÀ PHÂN LOẠI ENZYME -Theo tên thông dụng : papain, pepsin, chymotripsin -Theo tên cơ chất gắn đuôi aza (ase): peptidase, amylase

Mã số EC VD : EC 3.1.1.3 (triacylglycerol lipase) -Lớp :

-Phân lớp : -Nhóm -Enzyme thứ mấy trong nhóm:

Hội đồng Hóa sinh học quốc tế đã thống nhất phân loại enzyme thành 6 lớp và mã EC theo tính đặc hiệu

-Tên cơ chất ghép với tên kiểu phản ứng: pyruvate dehydrogenase

(1) Oxidoreductase: xúc tác cho các phản ứng oxy hoá khử gồm

dehydrogenase (vận chuyển H), oxidase (vận chuyển electron đến phân tử oxy), oxygenase (vận chuyển oxy từ phân tử oxy) peroxidase (vận chuyển electron đến peroxide)

(2) Transferase: xúc tác cho các phản ứng vận chuyển nhóm chức ( acyl-, alkyl- và glycosyl-), giữa 2 phân tử (3) Hydrolase: xúc tác cho các phản ứng thủy phân gồm có esterase, glycosidase, lipase and protease

(4) Lyase : cắt các nhóm chức khỏi cơ chất không có sự tham gia của nước, tạo nối đôi, gồm có aldolase,

decarboxylase, dehydratase và một số pectinase

(5) Isomerase: xúc tác cho các phản ứng chuyển vị đồng phân bao gồm epimerase, racemase…

(6) Ligase: còn gọi là synthetase, xúc tác cho các phản ứng tổng hợp hình thành liên kết giữa 2 phân tử, có sử dụng năng lượng ATP

Các ví dụ

NADH

2 Transferase Glucose + ATP <-> Glucose-6 phosphate

+ ADP

3 Hydrolase Peptide n <-> Peptide n-1 + amino acid

5 Isomerase D-alanine <-> L-alanine

Fatty acyl CoA + AMP + PP

VI CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN VẬN TỐC

Trong điều kiện dư S, vận tốc phản ứng phụ thuộc tuyến tính với nồng độ enzyme

2 Aûnh hưởng của cơ chất

[E T ] nồng độ enzyme tổng;

[E] nồng độ enzyme tự do

Km được gọi là hằng số Michaelis

Phương trình động học do L.Michaelis và M.Menten đề xuất.

[ES]

Xét 3 trường hợp

+ mối quan hệ V và [S]

+ mô hình động học học phản ứng E

Phương trình cải tiến (Lineaweaver và Burk) bằng cách lấy nghịch đảo phương trình Michaelis


đường thẳng

3 Aûnh hưởng của chất kìm hãm (Inhibitor)

ĐN chất kìm hãm hay chất ức chế (inhibitor):

Bản chất của Inhibitor:

Phân biệt : Sự kìm hãm cạnh tranh Sự kìm hãm không cạnh tranh

a Sự kìm hãm cạnh tranh: …

b Sự kìm hãm không cạnh tranh:….

4 Aûnh hưởng của chất hoạt hóa (Activator)

ĐN và bản chất:

5 Aûnh hưởng của nhiệt độ :

Trong điều kiện sinh lí nhất định khi tăng nhiệt độ thì vận tốc phản ứng tăng lên từ 0- 50oC

Nhiệt độ tối thích:

t opt phụ thuộc time, [E], [S], trạng thái tồn tại của Enz

Enz thực vật: 50-70 0 C Enz động vật : 40-50 0 C

Nhiệt độ tới hạn :

6 Aûnh hưởng của pH

6 Aûnh hưởng của pH ::

pH ảnh hưởng đến mức độ ion hóa của cơ chất và enzyme

hóa trong các nhóm chức trong TTHĐ

pH tối thích (pH opt ):

Đa số enzyme có pH opt trung tính (6-8), có enzyme có pH opt rất acid như pepsin (từ 1,5- 2) hay rất kiềm như acginase, phosphatase kiềm (9,5 -10)

VII

VII ĐƠN VỊ HOẠT TÍNH CỦA ĐƠN VỊ HOẠT TÍNH CỦA ENZYME ENZYME Cơ

Cơ sở sở tính tính xác xác định định h hoạt oạt tính tính của của enzyme enzyme

a.Đơn vị hoạt động

định bằng lượng enzyme cần thiết để chuyển hóa hoàn toàn 1micromol cơ chất sau 1 phút trong điều kiện tiêu chuẩn về nhiệt độ, pH, lượng cơ chất 1UI = 1micromol cơ chất (10 -6 mol)/phút

Đơn vị Katal (Kat)là lượng enzyme có khả năng xúc tác làm chuyển hoá 1mol cơ chất sau 1 giây ở điều kiện chuẩn

1Kat = 1mol cơ chất/ giây 1UI = 1/60.10 -6 Kat = 16,67 nKat (nanokatal) Đơn vị khác : như đơn vị Anson đối với protease, SKB với amylase…

b Hoạt tính riêng (Specific Activity) của một chế phẩm enzyme

Ex: 1 chế phẩm enzyme có hoạt lực riêng là 30UI/mg

c Hoạt tính phân tử: (Molecular activity)

d Hoạt tính toàn phần (total activity)

được sử dụng nhiều trong quá trình tách và làm sạch enzyme từ một nguồn nguyên liệu

Ex:

1kg vỏ đu đủ có 30UI/g đu đủ


HTTP = 30000UI 5g chế phẩm I có 3000UI/g


HTTP = 15000UI 0,03g chế phẩm II có 30000UI/g

VIII ỨNG DỤNG ENYMECông nghệ enzyme

Chế phẩm enzyme -Trong nông nghiệp :

-Trong công nghiệp :

-Trong Y dược :

-Trong nghiên cứu :

IX NGUỒN THU NHẬN ENYMEThực vật : lá, thân, mủ (nhựa), hạt nảy mầm

Động vật : tuyến tụy, màng nhày, dạ dày, tim…

Vi sinh vật (chủ yếu) từ nấm mốc, men, vi khuẩn, xạ khuẩn với nguồn enz rất phong phú…