CƠ CHẾ xúc tác của ENZYME

Như vậy, trong các phản ứng có xúc tác, chất xúc tác làm giảm năng lượng hoạt hóa của phản ứng hóa học, có nghĩa là nó chỉ tham gia vào các phản ứng trung gian mà không đóng vai trò là c

I MỞ ĐẦU

Xúc tác là hiện tượng làm thay đổi tốc độ của phản ứng hay kích thích phản ứng, xảy ra dưới tác động của một số chất, và các chất này được gọi là các chất xúc tác

Vận tốc phản ứng hóa học được xác định bởi giá trị năng lượng hoạt hóa tức

là mức năng lượng các chất tham gia phản ứng phải đạt được để cắt đứt liên kết

cần thiết và hình thành các liên kết mới Năng lượng hoạt hóa càng lớn thì vận tốc phản ứng càng chậm và ngược lại Do làm giảm năng lượng hoạt hóa phản ứng, các chất xúc tác có tác dụng thúc đẩy vận tốc phản ứng hóa học

Ví dụ: bột platin là một chất xúc tác hóa học được sử dụng rộng rãi Vì các chất tham gia phản ứng trên bề mặt platin đều được chuyển sang trạng thái có khả năng phản ứng cao hơn Do vậy năng lượng hoạt hóa sẽ nhỏ hơn và tốc độ phản ứng sẽ cao hơn

Như vậy, trong các phản ứng có xúc tác, chất xúc tác làm giảm năng lượng hoạt hóa của phản ứng hóa học, có nghĩa là nó chỉ tham gia vào các phản ứng trung gian mà không đóng vai trò là chất tham gia phản ứng Sau phản ứng, chất xúc tác lại phục hồi về trạng thái ban đầu để tiếp tục xúc tác

Xúc tác được phân biệt là xúc tác hóa học và xúc tác sinh học (hay xúc tác

enzyme); Các phản ứng xúc tác được chia làm 2 loại: xúc tác đồng thể (khi các chất phản ứng và chất xúc tác nằm trong cùng một pha) và xúc tác dị thể (khi chất xúc tác nằm trong các pha riêng biệt, độc lập, và sự tương tác xảy ra trên bề mặt chất xúc tác) Ví dụ: các phản ứng enzyme xảy ra trong dung dịch nước thông thường là xúc tác đồng thể, còn các phản ứng enzyme xảy ra trên bề mặt màng sinh chất và các màng sinh học khác là xúc tác dị thể

II TỔNG QUAN VỀ ENZYME

2.1 Khái niệm

Enzyme là chất xúc tác sinh học có thành phần cơ bản là protein, xúc tác cho các phản ứng hóa học xảy ra trong tế bào sống

Một tế bào động vật, có thể chứa đến 4.000 loại enzyme khác nhau; mỗi loại xúc tác cho một phản ứng hóa học khác nhau Một số enzyme chung cho nhiều loại tế bào, trong khi một số khác chỉ chuyên biệt cho một loại tế bào để thực hiện một chức năng đặc biệt Trong một phản ứng có enzyme, chất phản ứng được gọi

là cơ chất (substrate) Hầu hết enzyme có tính chuyên biệt và chỉ phản ứng một cách chọn lọc trên một loại cơ chất nào đó mà thôi Là chất xúc tác, enzyme giảm

năng lượng kích động cần thiết cho một phản ứng xảy ra trong điều kiện nhiệt độ

và sinh lý bình thường (thí dụ 370C ở hầu hết hữu nhũ) Enzyme có thể mang hai chất lại với nhau nhờ tạo ra sự phối hợp tạm thời giữa các cơ chất hay tập trung vào một cầu nối hoa học đặc biệt trên cơ chất Tất cả enzyme được dùng đi dùng lại

Enzyme có khả năng xúc tác siêu tốc Thí dụ, phản ứng giữa CO2 + H2O tạo ra H2 CO3 phản ứng xảy ra rất chậm, có thể chỉ tạo ra 200 phân tử acid carbonic/1 giờ khi không có enzyme Trong tế bào sống, phản ứng được xúc tác với enzyme carbonic anhydraz ước chừng có 600.000 phân tử acid carbonic/1 giây Phản ứng nhanh gấp 10 triệu lần

Trong cấu trúc không gian ba chiều, sợi polypeptid của enzyme cuộn lại tạo

ra một hay nhiều rãnh trên bề mặt, là những vùng đặc biệt mà cơ chất có thể gắn vào Vùng này được gọi là hoạt điểm (active site) Hoạt điểm của mỗi enzyme có hình dạng đặc biệt và chỉ có một loại phân tử cơ chất có thể gắn vào Hoạt điểm không những là nơi cơ chất gắn vào mà hướng cơ chất theo một hướng nhất định Hoạt điểm có thể phân cực hay không, ưa nước hay kỵ nước nên nó gắn một cách chính xác vào phần nào của cơ chất Thí dụ nếu ở phần phân tử cơ chất có điện tích dương thì hoạt điểm của enzyme sẽ có điện tích âm

Hoạt điểm của enzyme chỉ gồm vài acid amin của toàn thể enzyme, những acid amin này kề cận nhau trong một chuỗi polypeptid hay ở những phần khác nhau của các chuỗi polypeptid nhưng kề cận nhau do sự cuộn lại tạo ra cấu trúc không gian ba chiều cấp ba và cấp bốn của enzyme Gốc R của acid amin được đưa ra ngoài tạo ra hoạt điểm và cách sắp xếp của chúng quyết định sự gắn cơ chất với enzyme

2.2 Trung tâm hoạt động của enzyme

- Trong quá trình xúc tác của enzyme chỉ có một phần tham gia trực tiếp vào phản ứng để kết hợp với cơ chất gọi là "trung tâm hoạt động"

- Cấu tạo đặc biệt của trung tâm hoạt động quyết định tính đặc hiệu và hoạt tính xúc tác của enzyme

- Trong "enzyme 1 cấu tử", các acid amin thường phân bố trên những phần khác nhau của mạch polypeptid nhưng nằm kề nhau trong không gian tạo thành trung tâm hoạt động Sự kết hợp của các nhóm chức của các acid amin, thường gặp

là -SH của cysteine, -OH của serine, vòng imidazol của histidine, w-COOH của aspartie và acid glutamic, -COOH của các acid amin cuối mạch

- Trong "enzyme hai cấu tử" ngoài mạch polypeptid mà các nhóm chức kết hợp để tạo trung tâm hoạt động, còn có các nhóm chức coenzyme và các nhóm ngoại khác kết hợp tạo thành trung tâm hoạt động

- Ở enzyme chứa kim loại, các ion kim loại cũng tham gia vào việc tạo trung tâm hoạt động

- Trong các nhóm chức tham gia tạo trung tâm hoạt động cần phân biệt hai nhóm: "tâm xúc tác" (tham gia trực tiếp vào hoạt động xúc tác của enzyme) và

"nền tiếp xúc" (giúp enzyme kết hợp đặc hiệu với cơ chất)

- Một enzyme có thể có 2 hoặc nhiều trung tâm hoạt động, tác dụng của các trung tâm hoạt động không phụ thuộc vào nhau

Cơ chất liên kết với enzyme ở các trung tâm hoạt động tạo phức hợp enzyme-cơ chất (ES)

E + S → ES → E + P

S:cơ chất

P:sản phẩm

 Yêu cầu: E và S phải bổ sung về mặt không gian và hợp nhau về mặt hóa học, có khả năng hình thành nhiều liên kết yếu với nhau Chúng liên kết sao cho có thể tạo ra và cắt đứt sự dính nhau được gây nên do biến động nhiệt ngẫu nhiên ở nhiệt độ thường

 Trong một số enzyme còn có "trung tâm dị không gian" - những phần enzyme khi kết hợp với các chất có phân tử nhỏ nào đó sẽ làm biến đổi cấu trúc bậc ba của toàn bộ phân tử enzyme làm cấu trúc trung tâm hoạt động thay đổi → biển đổi hoạt tính của enzyme

2.3 Tính đặc hiệu của enzyme

Enzyme chỉ tác dụng lên một số cơ chất và một số kiểu nối hóa học nhất định trong phản ứng→tính đặc hiệu

- Đặc hiệu lập thể: chỉ tác dụng lên một dạng đồng phân quang học Enzyme cũng thể hiện tính đặc hiệu với các đồng phân hình học: chỉ tác dụng lên một dạng đồng phân cis hoặc trans

- Đặc hiệu tuyệt đối: Enzyme chỉ có khả năng tác dụng lên một cơ chất nhất định Cấu trúc trung tâm hoạt động của enzyme phải kết hợp chặt chẽ với cấu trúc của cơ chất, một khác biệt nhỏ về cấu trúc của cơ chất cũng làm enzyme không xúc tác được

- Đặc hiệu tương đối: enzyme có tác dụng lên một kiểu nối hóa học nhất định trong phân tử cơ chất mà không phụ thuộc vào bản chất hóa học của các cấu tử tham gia tạo thành liên kết đó

- Đặc hiệu nhóm: Enzyme có khả năng tác dụng lên một kiểu liên kết nhất định khi một hay hai cấu tử tham gia tạo thành liên kết này có cấu tạo nhất định

2.4 Hoạt độ của enzyme

Hoạt độ của enzyme là đơn vị dùng để đo khả năng xúc tác của enzyme Đơn vị hoạt độ là lượng cơ chất mà emzym xúc tác chuyển hóa hoặc lượng sản phẩm được tạo thành trong một thời gian và các điều kiện như nhiệt độ, pH, xác định

III CƠ CHẾ HOẠT ĐỘNG XÚC TÁC CỦA ENZYME

3.1 Hoạt động của enzyme

1 Mô hình hoạt động của enzyme

+ Mô hình ổ và chìa khóa

Theo thuyết này, một cơ chất gắn vào hoạt đểm như một chìa khóa gắn khít vào ổ, cơ chất và enzyme gắn vào nhau tạo ra một phức hợp enzyme-cơ chất Cơ chất bị biến đổi một cách chuyên biệt và kết quả là sản phẩm được phóng thích

+ Mô hình cảm ứng (the induced-fit model)

Các nghiên cứu cấu trúc của enzyme cho rằng hoạt điểm linh động hơn lỗ của ổ khóa Trong một số trường hợp, trong lúc cơ chất gắn vào, cấu hình thay đổi

do hình dạng hoạt điểm của enzyme bị cảm ứng làm cho chúng khớp với nhau hơn

Sự cảm ứng này làm thay đổi lực giữa các nối đặc biệt của phân tử phản ứng do đó phản ứng có xúc tác được dễ dàng xảy ra

2 Các yếu tố ảnh hưởng lên hoạt động của enzyme

+ pH có thể làm thay đổi cấu hình của enzyme, đặc biệt là sự tương tác giữa những acid amin có điện tích âm (acidic) và điện tích dương (basic) Khi pH thay đổi, hình dạng của hoạt điểm có thể thay đổi, do đó cơ chất không thể gắn vào được Hầu hết enzyme hoạt động tốt nhất trong khoảng pH 6 - 8 Tuy nhiên, pepsin giúp tiêu hóa protein trong bao tử hoạt động trong khoảng pH rất thấp Pepsin có một trình tự acid amin duy trì cầu nối hydro và ion hóa ngay cả khi có sự hiện diện của acid mạnh pH cũng ảnh hưởng trên phản ứng trong đó ion H+ là một thành phần của sự thay đổi hóa học đượcû xúc tác

+ Nhiệt độ thay đổi dễ làm đứt các cầu nối hydro, các cầu nối này và sự tương tác giữa các cực kỵ nước giúp giữ cấu trúc cấp ba, cấp bốn của protein kể cả enzyme Sinh vật thường có những enzyme hoạt động tối ưu ở nhiệt độ mà chúng sống Ở hữu nhũ, nhiệt độ tối ưu từ 35 - 400C Dưới nhiệt độ này, các nối để giữ hình dạng của protein không đủ linh động để thay đổi hình dạng cần thiết tham gia phản ứng Do đó, enzyme hoạt động không hữu hiệu ở nhiệt độ dưới 350C Trên 400C, các cầu nối hydro và các cầu nối yếu khác không thể giữ protein ở hình dạng chính xác của nó Một enzyme bị biến tính một phần bởi nhiệt có cấu trúc bị quéo lại một chút và chuỗi polypeptid thay đổi cấu hình (conformation) có thể trở lại hình dạng cũ nếu được làm nguội, nhưng nếu biến tính hoàn toàn như albumin

của trứng luộc chín thì không thể trở lại dạng ban đầu được nữa

3 Cofactor và coenzyme

Nhiều enzyme cần phải có thêm các thành phần hóa học khác để thực hiện chức năng, phần thêm đó được gọi là cofactor Cofactor có thể là một phân tử hữu

cơ hay các ion kim loại (sắt, mangan, kẽm ) Khi cofactor là một phân tử hữu cơ không phải là protein,û như một vitamin, thì được gọi là coenzyme Tương tự enzyme, coenzyme cũng được sử dụng lại sau khi xúc tác phản ứng Dù cần với một lượng rất nhỏ nhưng nếu thiếu coenzyme thì rất tai hại đối với đời sống sinh vật, cho nên trong khẩu phần cần phải có vitamin Coenzyme và cofactor được tìm thấy ở các enzyme trong các chuỗi dẫn truyền điện tử của các quá trình quang hợp

và hô hấp của tế bào

3.2 Cơ chế hoạt động xúc tác của enzyme

1 Tính xúc tác của enzyme

Trong cơ thể sinh vật người ta thấy các phản ứng hóa học xảy ra với tốc độ rất nhanh ở những điều kiện đặc biệt về nhiệt hóa học như:

- Nhiệt độ bình thường (thân nhiệt 37oC)

- Môi trường có nước, không phát nhiệt mạnh

- Hiệu quả phân giải và tổng hợp cao so với trình độ xúc tác kỹ thuật

Tính xúc tác sinh học của enzyme thể hiện chính ở chỗ enzyme với nồng độ (số lượng) rất nhỏ cũng có khả năng tăng tốc độ phản ứng sinh hóa học lên hàng ngàn, vạn lần so với điều kiện bình thường

Nhưng cũng như các chất xúc tác khác, bản thân enzyme không tham gia vào sản phẩm cuối cùng của phản ứng

2 Điều kiện để 1 phản ứng hóa học xảy ra

Ta hãy lấy ví dụ:

C6H12O6 + O2 -> CO2 + H2O + 688 Kcal

(Đây không phải là sự cháy trong điều kiện bình thường)

Để hiểu cơ chế xúc tác của enzyme, ta cần nhớ lại một số điều kiện nhiệt độn học để phản ứng tiến hành được Tốc độ phản ứng hóa học của 2 chất A + B 

AB phụ thuộc vào các yếu tố sau:

- Nồng độ các chất tham gia phản ứng A và B

- Thế năng va chạm hữu hiệu giữa các phân tử

Ngoài ra để phản ứng xảy ra được những phân tử chất tham gia phải ở trạng thái kích động (tức là ở trạng thái hoạt hóa) Muốn đạt được điều kiện này cần nạp cho phân tử cơ chất một nguồn năng lượng từ bên ngoài (dưới dạng nhiệt năng, điện năng hoặc quang năng)

Chất xúc tác có 2 nhiệm vụ:

- Tăng nồng độ các chất tham gia phản ứng

- Làm cho phản ứng chóng đạt tới điểm thăng bằng động

Về cơ chế xúc tác sinh học của enzyme người ta đề ra nhiều giả thuyết để giải thích, nhưng đều thống nhất ở chỗ quá trình xúc tác bắt đầu bằng sự kết hợp giữa enzyme và cơ chất thành hợp chất trung gian

E (enzyme) + S (cơ chất) ES (hợp chất trung gian)

Trong phản ứng có sự xúc tác của enzyme, nhờ sự tạo thành phức hợp trung gian enzyme - cơ chất mà cơ chất được hoạt hóa Khi cơ chất kết hợp vào enzyme,

do kết quả của sự cực hóa, sự chuyển dịch của các electron và sự biến dạng của các liên kết tham gia trực tiếp vào phản ứng dẫn tới làm thay đổi động năng cũng như thế năng, kết quả là làm cho phân tử cơ chất trở nên hoạt động hơn, nhờ đó tham gia phản ứng dễ dàng

Năng lượng hoạt hóa khi có xúc tác enzyme không những nhỏ hơn rất nhiều

so với trường hợp không có xúc tác mà cũng nhỏ hơn so với cả trường hợp có chất xúc tác thông thường

Ví dụ trong phản ứng phân hủy H2O2 thành H2O và O2 nếu không có chất xúc tác thì năng lượng hoạt hóa là 18 Kcal/mol, nếu có chất xúc tác là platin thì năng lượng hoạt hóa là 11,7 Kcal/mol, còn nếu có enzyme catalase xúc tác thì năng lượng hoạt hóa chỉ còn 5,5 Kcal/mol

Nhiều dẫn liệu thực nghiệm đã cho thấy quá trình tạo thành phức hợp enzyme cơ chất và sự biến đổi phức hợp này thành sản phẩm, giải phóng enzyme

tự do thường trải qua ba giai đoạn theo sơ đồ:

E + S → ES → E + P

Cơ chất liên kết với enzyme ở các trung tâm hoạt động sự liên kết này có tính chất chọn lọc đặc biệt

Từ đặc điểm trên người ta đề ra 2 giả thuyết hoạt động của enzyme:

- Thuyết tập hợp chất trung gian

- Thuyết hấp phụ

3 Thuyết hoạt động của enzyme

a Thuyết tập hợp chất trung gian

Thuyết này do Nensky đề xướng và sau đó được Langhenbec phát triển Theo thuyết này, trong phản ứng, enzyme và cơ chất kết hợp với nhau thành một hợp chất quá độ không bền vững Do đó sản phẩm được tạo ra này đòi hỏi

năng lượng hoạt hóa thấp hơn bình thường Thuyết này dùng để giải thích hệ thống

enzyme và cơ chất đồng pha (tức là cùng thể chất như nhau, vd: cùng ở thể lỏng)

có thể biểu diễn qua sơ đồ sau:

Giả sử có phản ứng A + B  AB

(Tiến hành chậm ở điều kiện bình thường)

Khi thêm chất xúc tác K (hoặc có enzyme) lập tức tốc độ thuận và nghịch tăng lên gấp bội

A + K  AK (với mức năng lượng thấp)

AK + B  AB + K

-A + B + K  -AK + B  -AB + K

Tốc độ ở đây rất cao vì nó tiến hành theo đường vòng để tránh mức năng lượng hoạt hóa quá cao Langhenbec đã dùng nhiều hình mẫu của phản ứng đường vòng nói trên để chứng minh

Ví dụ: Lấy hình mẫu esterase – enzyme xúc tác sự thủy phân (hoặc tổng hợp) các este

R-CO-O-R′ + H2O R-COOH + R′-OH

Nếu lấy benzoilcarbonyl thay enzyme (C6H5-CO-CH2OH) thì chất này sẽ tạo hợp chất trung gian, giải phóng rượu:

R-CO-OR′ + HOCH2-COC6H5 R-OH + RCOOCH2-COC6H5

Sau đó hợp chất trung gian dễ phân tán với sự có mặt của H2O thành acid và benzoilcarbonyl nguyên như cũ

R-COOCH2COC6H5 + H2O R-COOH + C6H5CO-CH

Nhờ có benzoilcarbonyl mà trạng thái cân bằng động của phản ứng trên xảy

ra với tốc độ gấp nhiều lần

Một số ví dụ về sự giảm năng lượng hoạt hóa nhờ sự tập hợp chất trung gian như:

*Saccarose Add Glucose + fructose + 32 Kcal/mol Saccarose Saccarase Glucose + fructose + 9,4 Kcal/mol

*2H2O2 2H2O + O2 + 18 Kcal/mol

2H2O2 Catalase 2H2O + O2 + 2 Kcal/mol

*Tryglyxerid Glycerin + acid béo + 18,6 Kcal/mol

Tryglyxerid Lipase Glycerin + acid béo + 4,5 Kcal/mol Bằng phương pháp nghiên cứu quang phổ hấp phụ Keilin đã chứng minh sự tồn tại có thực của những hợp chất trung gian

Những nghiên cứu về trung tâm hoạt động của enzyme cũng đem lại nhiều dẫn chứng về vấn đề lập hợp chất trung gian

AB

Hợp chất trung Sản phẩm gian hoạt động

b Thuyết hấp phụ

Enzyme

Enzyme

Thuyết này được Bai-li-xơ (1906) đề xướng trước tiên, về sau được nhiều tác giả bổ sung Người ta dùng nó để cắt nghĩa hiện tượng xúc tác ở hệ thống enzyme – cơ chất khác pha (không đồng nhất như cơ chất thể lỏng, chất xúc tác thể rắn)

Khi cho enzyme vào hệ thống phản ứng, enzyme hấp phụ cơ chất lên bề mặt của nó làm cơ chất tập trung lại Nồng độ cơ chất tập trung cao hơn môi trường xung quanh, từ đó tốc độ va chạm hữu hiệu giữa các phân tử tăng lên gấp bội và các phản ứng tiến hành nhanh chóng

IV CƠ CHẾ XÚC TÁC CỦA ENZYME AMYLASE

4.1 Amylase là gì?

Amylase là một hệ enzyme rất phổ biến trong thế giới sinh vật

Các enzyme này thuộc nhóm enzyme thủy phân, xúc tác phân giải liên kết nội phân tử trong nhóm polysaccharide với sự tham gia của nước:

RR’ + H-OH  RH + R’OH

Có 6 loại enzyme được xếp vào 2 nhóm:

+ Endoamylase (enzyme nội bào)

+ Exoamylase (enzyme ngoại bào)

Cơ chất tác dụng của amylase là tinh bột và glycogen

4.2 Phân loại

1 Enzym α - amylase(EC 3.2.1.1) hay α – 1-4 – glucanohydrolase

2 Enzyme Pullulanase (EC 3.2.1.41) hay α - dextrin 6 – glucosidase

3 Enzyme Isoamylase (EC 3.2.1.68) hay glycogen 6 – glucanohydrolase.

4 Enzyme β – amylase (EC 3.2.1.2).

5 Enzyme γ - amylase (EC 3.2.1.3) hay glucose amylase.