Enzyme VÀ SỰ XÚC TÁC SINH HỌC

Cơ chế xúc tác- Thuyết hợp chất trung gian Enzym cơ chất chất trung gian Enzym Sản phẩm Giải thích hệ thống phản ứng đồng thể Enzym và cơ chất cùng một trạng thái... Aûnh hưởng của nồng

Th.S Dinh Ngọc Loan Khoa Công Nghệ Thực Phẩm – ĐH Nông Lâm Tp HCM

1 KHÁI NIỆM:

- Chất xúc tác sinh học: vận tốc cao, đặc thù.

- Có trong tế bào mọi sinh vật

- Tham gia phản ứng in vivo và in vitro.

- > 2000 enzyme đã được khám phá.

- Ứng dụng rộng rãi: CNTP, chăn nuôi, y dược

2 CẤU TRÚC CỦA ENZYME

- Protein: cấu trúc bậc I, II, III, IV.

- Cofactor (nếu có): bản chất phi protein.

2.1 Bản chất của enzyme

- Thành phần cấu tạo chỉ có protein: một hoặc nhiều chuỗi polypeptide.

- Khối lượng phân tử phụ thuộc số lượng chuỗi hoặc chiều dài chuỗi.

- 1 Dal = 1,67 * 10 -24 g

2.1.1 Enzyme một cấu tử

- Ngoài protein (apoenzyme) còn có thêm cofactor.

- Apoenzyme ảnh hưởng đến tính đặc hiệu cơ chất.

- Cofactor ảnh hưởng đến đặc điểm phản ứng xúc tác.

- Tính hòa tan: tan trong nước  dung dịch keo.

- Tính lưỡng cực.

- Tính dễ biến tính.

- Dễ bị phân giải bởi protease.

2.2 Tính chất lý hóa

- Enzym một cấu tử

Trung tâm hoạt động là nhóm chức của acid amin liên kết lại.

Nhóm OH của serin

NH 2 của lysin COOH của aspartic và glutamic COOH của AA cuối mạch.

2.3 Trung tâm hoạt động của enzym.

- Enzym hai cấu tử

Ngoài một số nhóm chức của axid amin còn có thêm cofactor (cation kim lo i hay coenzym: ạ

3 Cơ chế hoạt động xúc tác của Enzym

Cường lực xúc tác:

+ Cần sử dụng với một lượng nhỏ.

+ Sau phản ứng được trả lại nguyên như trạng thái ban đầu.

- Ưu điểm của enzym:

Cường lực xúc tác mạnh hơn chất xúc tác vô cơ.

Cơ chế xúc tác

- Thuyết hợp chất trung gian

(Enzym) ( cơ chất) (chất trung gian) (Enzym) (Sản phẩm)

Giải thích hệ thống phản ứng đồng thể

(Enzym và cơ chất cùng một trạng thái)

Điều kiện để enzym kết hợp cơ chất:

gian phù hợp với cơ chất

(Thuyết Fisher) – (Thuyết ổ khóa – chìa khóa)

- •Thuyết Fisher – Thuyết ổ khóa – chìa khóa

dk.2 Thuyết tiếp xúc cảm ứng

Khi tương tác E và S xảy ra, có sự thay đổi cấu hình không gian của trung tâm hoạt động E sao cho phù hợp với cơ chất S.

Thuyết này được giải thích cơ chế tác dụng của: alpha - amilase, ribonuclease, hexokinase

- •Thuyết tiếp xúc cảm ứng ( Koshland)

dk.3 Một số enzym cần hoạt hóa mới hoạt động được

- •Thuyết hấp phụ

+ Chất xúc tác hấp phụ cơ chất lên bề mặt chúng  nồng độ cơ chất vùng bề mặt chất xúc tác tăng  tạo điều kiện phản ứng xảy ra dễ dàng.

+ Dùng giải thích cơ chế xúc tác phản ứng giữa

2 chất cụ thể

Enzym thể rắn.

4 Các yếu tố ảnh hưởng đến vận tốc phản ứng do enzym xúc tác

4.1 Nhiệt độ

•Aûnh hưởng của nhiệt độ đến vận tốc phản ứng.

+ t Ở o thấp (0 o - 40 o C): V↑ khi t o ↑

+ Ở t o cao: V ↓ khi t o ↑ (enzym biến tính).

+ 80 o C – 100 o C: Đa số enzym bị mất hoạt tính + t o

+ t o

opt động vật = 40 o C – 50 o C + t o

opt thực vật: 50 o C – 60 o C.

4.2 Aûnh hưởng của pH

nhóm  Thay đổi trung tâm hoạt động enzym  ảnh hưởng đến trạng thái ion hóa cơ chất.

Aûnh hưởng của pH

4.3 Aûnh hưởng của nồng độ cơ chất [S] đến vận tốc phản ứng enzym Phương trình Michaelis –

Menten

Hoạt tính enzyme thay đổi rõ rệt với sự thay đổi của các yếu tố môi trường mà một trong các yếu tố quan trọng nhất là nồng độ cơ chất Như ta đã biết, nồng

độ các cơ chất bên trong tế bào thường thấp Ở

nồng độ cơ chất rất thấp enzyme chậm tạo thành

sản phẩm do ít khi được tiếp xúc với phân tử cơ

chất Nếu có mặt nhiều phân tử cơ chất hơn enzyme

sẽ liên kết cơ chất thường xuyên hơn và tốc độ phản ứng (thường được thể hiện như tốc độ tạo thành sản phẩm) cũng lớn hơn ở nồng độ cơ chất thấp hơn Do

đó tốc độ của một phản ứng do enzyme xúc tác tăng lên theo nồng độ cơ chất

Tuy nhiên nếu tiếp tục tăng nồng độ cơ chất thì tốc độ phản ứng cũng không tăng nữa vì các phân tử enzyme đã bão hoà cơ chất và đang chuyển hoá cơ chất thành sản phẩm với tốc độ cực đại ( Vmax ) Đường cong của nồng độ cơ chất bây giờ sẽ là đường hyperbole (Hình 16.17) Để biết được nồng độ cơ chất

mà một enzyme cần để hoạt động thích hợp người ta thường dùng hằng số Michaelis ( Km ) Đây là nồng độ cơ chất enzyme cần để thực hiện được một nửa tốc độ cực đại và được dùng như một đại lượng đo ái lực thực sự của một enzyme đối với cơ chất Giá trị Km càng thấp có ý nghĩa là nồng độ cơ chất mà enzyme xúc tác phản ứng cũng càng thấp.Hoạt tính enzyme

cũng thay đổi theo sự thay đổi của pH và nhiệt độ ( hình 16.18 )

Phöông trình Michaelis

V =

Hằng số Michaelis

E-S

4.3 Aûnh hưởng của nồng độ cơ chất [S] đến vận tốc phản ứng enzym Phương trình Michaelis –

Menten

- Km: Hằng số Michaelis

+ [S] ↑  V ↑+ V = Vmax  V không tăng dù S tăng.

- Hằng số Michaelis đặc trưng cho ái lực enzym và

cơ chất Km càng nhỏ thì ái lực enzym và cơ chất càng lớn.

4.4 Sự hoạt hóa enzym

- Định nghĩa

Chất hoạt hoá có tác dụng làm tăng hoạt tính enzym.

- Chất hoạt hóa

Ion kim loại – vitamin – chất hữu cơ.

Quá trình hoạt hóa: xảy ra theo 1 trong 4 hướng

- Cắt bỏ 1 đoạn peptid kìm hãm  lộ trung tâm hoạt động.

Trypsinogen  Trypsin Pepsinogen  Pepsin

- Thành lập cầu S-S để hoàn chỉnh trung tâm hoạt

động của enzym.

- Thành lập phức hợp với kim loại.

- Hoạt hóa nhờ hiện tượng cảm ứng của chất gây

hiệu ứng dị không gian.

4.5 Aûnh hưởng của chất kìm hãm ( c ch ) lên vận ứ ế tốc phản ứng.

- Định nghĩa chất kìm hãm.

Chất kìm hãm là chất làm yếu hay ngưng tác dụng xúc tác của enzym.

Phân loại chất kìm hãm

1) Kìm hãm thuận nghịch

- Khi có mặt chất kìm hãm: hoạt tính enzym yếu;

- Khi loại bỏ chất kìm hãm: hoạt tính enzym bình thường.

1.1) Kìm hãm thuận nghịch cạnh tranh

- •Xảy ra khi enzym không có tính đặc hiệu tuyệt đối

- •Chất kìm hãm có cấu tạo tương tự cơ chất

enzym – cơ chất giảm  vận tốc phản ứng giảm.

Kìm hãm thuận nghịch cạnh tranh

1.2) Kìm hãm thuận nghịch không cạnh tranh

tranh

1.2) Kìm hãm thuận nghịch không cạnh tranh

- Các phản ứng có thể xảy ra.

I có thể gắn ở 1 trung tâm E khác với trung tâm mà S gắn vào (Trung tâm

dị không gian).

2) Kìm hãm không thuận nghịch

- Chất ức chế [I] liên kết hay phá hủy trung tâm

hoạt động của enzym.

- Khi loại [I] enzym vẫn không trở lại trạng thái ban đầu.

5 Tính đặc hiệu của enzym

- Đặc hiệu quang học

Mọi enzym chỉ tác dụng lên một trong những dạng đồng phân quang học.

( Dạng D – Dạng L – Dạng Cis – Dạng Trans)

Tính đặc hiệu của enzym

( Dạng Trans)

Tính đặc hiệu của enzym

- Đặc hiệu nhóm

hóa học nhất định.

liên kết đó phải xác định.

Ví dụ: Carboxy peptidase.

+ Xúc tác thủy phân liên kết peptid.

+ Liên kết peptid này phải gần gốc COOH tự do.

5 Tính đặc hiệu của enzym

- Đặc hiệu tuyệt đối.

Enzym chỉ tác dụng lên một cơ chất nhất định.

- Đặc hiệu tương đối

Tác dụng lên một kiểu liên kết hóa học, không phụ thuộc vào bản chất hóa học cơ chất.

Ví dụ: Lipase: Thủy phân liên kết Ester của Lipid.

- A: Enzym Glucose 6P dehydrogenase

B: Phosphatase C: Phosphoglucomutase D: Phospho hexo Isomerase

7 Phân loại và danh pháp

7.1 Tên thông dụng.

Pepsine, trypsine, amilase, catalase… 7.2 Tên hệ thống

Phần 1: Tên cơ chất Phần 2: Tên kiểu phản ứng + ase

Ví dụ: Malate dehydrogenase

7 Phân loại và danh pháp

Hội nghị quốc tế sinh hóa 1964:

-Enzym chia làm 6 nhĩm

-1) Enzyme oxyd hóa khử ( oxydoreductase) -2) Enzym vận chyển (Transferase)

-3) Enzyme thủy phân ( Hydrolase)

-4) Enzyme phân cắt (lyase)

-5) Enzyme đồng phân hĩa (Isomerase)

-6) Enzyme t ng h p (ligase hay synthetase) ổ ợ

7 Phân loại và danh pháp

-Mỗi enzym được mã hóa bằng 4 con số

phosphotransferase)

Số thứ 1 “2” : chỉ nhóm chính của enzym là nhĩm 2

chuyển phosphate.

Số thứ 3 “1”: phân nhóm phụ 1 cho biết nhĩm nhận phosphate là nhĩm rượu

Pyruvate + NADH + H Lactate + NAD

Transferase Các phản ứng

chuyển nhóm giữa các phân tử

Lyase Loại bỏ các nhóm để

tạo thành các nối đôi hoặc bổ sung các nhóm vào nối đôi

Fumarate hydratase L-malate fumarate + H2O

Isomerase Các phản ứng xúc

tác đồng phân hóa

Alanine racemase:

L-alanine D-alanine

Lygase Nối 2 phân tử nhờ năng

luợng của ATP (hay của các nucleoside

triphosphate khác)

Glutamine synthetase:

Glutamate + NH3 + ATP Glutamine + ATP + Pi

1) Enzyme oxyd hóa khử: oxydoreductase

- Enzym xúc tác phản ứng oxyd hóa khử

- Enzyme nhị cấu tử

Protein + coenzym

- NAD

- NADP

Enzyme oxyd hóa khử: oxydoreductase

- Enzyme phổ biến.

Dehydrogenase: vận chuyển hydrogen Oxydase: oxyd hóa

Cytochrome: vận chuyển điện tử

2) Enzym vận chyển: Transferase

- Xúc tác phản ứng chuyển vị các gốc (nhóm chức) từ chất này sang chất khác.

Phosphotransferase: chuyển gốc phosphate Glycoxyl –transferase: chuyển gốc glycoxyl

3) Enzyme thủy phân: Hydrolase

- Xúc tác phản ứng thủy phân với sự tham gia của H 2 O

- Các enzym phổ biến

• + Esterase: thủy phân liên kết ester

• + Glucosidase: thủy phân liên kết glycoside

5) Enzyme Isomerase.

- Xúc tác phản ứng đồng phân hóa

Dạng Cis  dạng trans Dạng D  dạng L

Dạng Aldehyd  dạng cetone Chuyển nhóm nội phân tử: Mutase

- Enzyme phổ biến:

Triophosphate isomerase Glucophosphate isomerase

6) Enzyme ligase hay synthetase

Xúc tác phản ứng

Xúc tác phản ứng tổng hợp chất hữu cơ nhờ năng lượng ATP và các chất khác.

Enzyme phổ biến: