CƠ CHẾ xúc tác của ENZYME

CƠ CHẾ XÚC TÁC CỦA ENZYME I MỞ ĐẦU Xúc tác tượng làm thay đổi tốc độ phản ứng hay kích thích phản ứng, xảy tác động số chất, chất gọi chất xúc tác Vận tốc phản ứng hóa học xác định giá trị lượng hoạt hóa tức mức lượng chất tham gia phản ứng phải đạt để cắt đứt liên kết cần thiết hình thành liên kết Năng lượng hoạt hóa lớn vận tốc phản ứng chậm ngược lại Do làm giảm lượng hoạt hóa phản ứng, chất xúc tác có tác dụng thúc đẩy vận tốc phản ứng hóa học Ví dụ: bột platin chất xúc tác hóa học sử dụng rộng rãi Vì chất tham gia phản ứng bề mặt platin chuyển sang trạng thái có khả phản ứng cao Do lượng hoạt hóa nhỏ tốc độ phản ứng cao Như vậy, phản ứng có xúc tác, chất xúc tác làm giảm lượng hoạt hóa phản ứng hóa học, có nghĩa tham gia vào phản ứng trung gian mà khơng đóng vai trò chất tham gia phản ứng Sau phản ứng, chất xúc tác lại phục hồi trạng thái ban đầu để tiếp tục xúc tác Xúc tác phân biệt xúc tác hóa học xúc tác sinh học (hay xúc tác enzyme); Các phản ứng xúc tác chia làm loại: xúc tác đồng thể (khi chất phản ứng chất xúc tác nằm pha) xúc tác dị thể (khi chất xúc tác nằm pha riêng biệt, độc lập, tương tác xảy bề mặt chất xúc tác) Ví dụ: phản ứng enzyme xảy dung dịch nước thơng thường xúc tác đồng thể, phản ứng enzyme xảy bề mặt màng sinh chất màng sinh học khác xúc tác dị thể II TỔNG QUAN VỀ ENZYME 2.1 Khái niệm Enzyme chất xúc tác sinh học có thành phần protein, xúc tác cho phản ứng hóa học xảy tế bào sống Một tế bào động vật, chứa đến 4.000 loại enzyme khác nhau; loại xúc tác cho phản ứng hóa học khác Một số enzyme chung cho nhiều loại tế bào, số khác chuyên biệt cho loại tế bào để thực chức đặc biệt Trong phản ứng có enzyme, chất phản ứng gọi chất (substrate) Hầu hết enzyme có tính chun biệt phản ứng cách chọn lọc loại chất mà thơi Là chất xúc tác, enzyme giảm Vũ Đình Duy Page CƠ CHẾ XÚC TÁC CỦA ENZYME lượng kích động cần thiết cho phản ứng xảy điều kiện nhiệt độ sinh lý bình thường (thí dụ 370C hầu hết hữu nhũ) Enzyme mang hai chất lại với nhờ tạo phối hợp tạm thời chất hay tập trung vào cầu nối hoa học đặc biệt chất Tất enzyme dùng dùng lại Enzyme có khả xúc tác siêu tốc Thí dụ, phản ứng CO + H2O tạo H2 CO3 phản ứng xảy chậm, tạo 200 phân tử acid carbonic/1 khơng có enzyme Trong tế bào sống, phản ứng 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 enzyme cuộn lại tạo hay nhiều rãnh bề mặt, vùng đặc biệt mà chất gắn vào Vùng gọi hoạt điểm (active site) Hoạt điểm enzyme có hình dạng đặc biệt có loại phân tử chất gắn vào Hoạt điểm nơi chất gắn vào mà hướng chất theo hướng định Hoạt điểm phân cực hay khơng, ưa nước hay kỵ nước nên gắn cách xác vào phần chất Thí dụ phần phân tử chất có điện tích dương hoạt điểm enzyme có điện tích âm Hoạt điểm enzyme gồm vài acid amin toàn thể enzyme, acid amin kề cận chuỗi polypeptid hay phần khác chuỗi polypeptid kề cận cuộn lại tạo cấu trúc không gian ba chiều cấp ba cấp bốn enzyme Gốc R acid amin đưa tạo hoạt điểm cách xếp chúng định gắn chất với enzyme 2.2 Trung tâm hoạt động enzyme - Trong q trình xúc tác enzyme có phần tham gia trực tiếp vào phản ứng để kết hợp với chất gọi "trung tâm hoạt động" - Cấu tạo đặc biệt trung tâm hoạt động định tính đặc hiệu hoạt tính xúc tác enzyme - Trong "enzyme cấu tử", acid amin thường phân bố phần khác mạch polypeptid nằm kề không gian tạo thành trung tâm hoạt động Sự kết hợp nhóm chức acid amin, thường gặp -SH cysteine, -OH serine, vòng imidazol histidine, w-COOH aspartie acid glutamic, -COOH acid amin cuối mạch Vũ Đình Duy Page CƠ CHẾ XÚC TÁC CỦA ENZYME - Trong "enzyme hai cấu tử" ngồi mạch polypeptid mà nhóm chức kết hợp để tạo trung tâm hoạt động, có nhóm chức coenzyme nhóm ngoại khác kết hợp tạo thành trung tâm hoạt động - Ở enzyme chứa kim loại, ion kim loại tham gia vào việc tạo trung tâm hoạt động - Trong 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 enzyme) "nền tiếp xúc" (giúp enzyme kết hợp đặc hiệu với chất) - Một enzyme có nhiều trung tâm hoạt động, tác dụng trung tâm hoạt động không phụ thuộc vào Cơ chất liên kết với enzyme 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 S phải bổ sung mặt không gian hợp mặt hóa học, có khả hình thành nhiều liên kết yếu với Chúng liên kết cho tạo cắt đứt dính gây nên biến động nhiệt ngẫu nhiên nhiệt độ thường  Trong số enzyme có "trung tâm dị khơng gian" - phần enzyme kết hợp với chất có phân tử nhỏ làm biến đổi cấu trúc bậc ba toàn phân tử enzyme làm cấu trúc trung tâm hoạt động thay đổi → biển đổi hoạt tính enzyme 2.3 Tính đặc hiệu enzyme Enzyme tác dụng lên số chất số kiểu nối hóa học định phản ứng→tính đặc hiệu - Đặc hiệu lập thể: tác dụng lên dạng đồng phân quang học Enzyme thể tính đặc hiệu với đồng phân hình học: tác dụng lên dạng đồng phân cis trans - Đặc hiệu tuyệt đối: Enzyme có khả tác dụng lên chất định Cấu trúc trung tâm hoạt động enzyme phải kết hợp chặt chẽ với cấu trúc chất, khác biệt nhỏ cấu trúc chất làm enzyme khơng xúc tác Vũ Đình Duy Page CƠ CHẾ XÚC TÁC CỦA ENZYME - Đặc hiệu tương đối: enzyme có tác dụng lên kiểu nối hóa học định phân tử chất mà không phụ thuộc vào chất hóa học cấu tử tham gia tạo thành liên kết - Đặc hiệu nhóm: Enzyme có khả tác dụng lên kiểu liên kết định hay hai cấu tử tham gia tạo thành liên kết có cấu tạo định 2.4 Hoạt độ enzyme Hoạt độ enzyme đơn vị dùng để đo khả xúc tác enzyme Đơn vị hoạt độ lượng chất mà emzym xúc tác chuyển hóa lượng sản phẩm tạo thành thời gian điều kiện nhiệt độ, pH, xác định III CƠ CHẾ HOẠT ĐỘNG XÚC TÁC CỦA ENZYME 3.1 Hoạt động enzyme Mơ hình hoạt động enzyme + Mơ hình ổ chìa khóa Theo thuyết này, chất gắn vào hoạt đểm chìa khóa gắn khít vào ổ, chất enzyme gắn vào tạo phức hợp enzyme-cơ chất Cơ chất bị biến đổi cách chuyên biệt kết sản phẩm phóng thích + Mơ hình cảm ứng (the induced-fit model) Các nghiên cứu cấu trúc enzyme cho hoạt điểm linh động lỗ ổ khóa Trong số trường hợp, lúc chất gắn vào, cấu hình thay đổi hình dạng hoạt điểm enzyme bị cảm ứng làm cho chúng khớp với Sự cảm ứng làm thay đổi lực nối đặc biệt phân tử phản ứng phản ứng có xúc tác dễ dàng xảy Các yếu tố ảnh hưởng lên hoạt động enzyme + pH làm thay đổi cấu hình enzyme, đặc biệt tương tác acid amin có điện tích âm (acidic) điện tích dương (basic) Khi pH thay đổi, hình dạng hoạt điểm thay đổi, chất khơng thể gắn vào Hầu hết enzyme hoạt động tốt khoảng pH - Tuy nhiên, pepsin giúp tiêu hóa protein bao tử hoạt động khoảng pH thấp Pepsin có trình tự acid amin trì cầu nối hydro ion hóa có diện acid mạnh pH ảnh hưởng phản ứng ion H+ thành phần thay đổi hóa học đượcû xúc tác Vũ Đình Duy Page CƠ CHẾ XÚC TÁC CỦA ENZYME + Nhiệt độ thay đổi dễ làm đứt cầu nối hydro, cầu nối tương tác cực kỵ nước giúp giữ cấu trúc cấp ba, cấp bốn protein kể enzyme Sinh vật thường có enzyme hoạt động tối ưu nhiệt độ mà chúng sống Ở hữu nhũ, nhiệt độ tối ưu từ 35 - 400C Dưới nhiệt độ này, nối để giữ hình dạng protein khơng đủ linh động để thay đổi hình dạng cần thiết tham gia phản ứng Do đó, enzyme hoạt động khơng hữu hiệu nhiệt độ 350C Trên 400C, cầu nối hydro cầu nối yếu khác giữ protein hình dạng xác Một enzyme bị biến tính phần nhiệt có cấu trúc bị quéo lại chút chuỗi polypeptid thay đổi cấu hình (conformation) trở lại hình dạng cũ làm nguội, biến tính hồn tồn albumin trứng luộc chín khơng thể trở lại dạng ban đầu Cofactor coenzyme Nhiều enzyme cần phải có thêm thành phần hóa học khác để thực chức năng, phần thêm gọi cofactor Cofactor phân tử hữu hay ion kim loại (sắt, mangan, kẽm ) Khi cofactor phân tử hữu khơng phải protein,û vitamin, gọi coenzyme Tương tự enzyme, coenzyme sử dụng lại sau xúc tác phản ứng Dù cần với lượng nhỏ thiếu coenzyme tai hại đời sống sinh vật, phần cần phải có vitamin Coenzyme cofactor tìm thấy enzyme chuỗi dẫn truyền điện tử trình quang hợp hô hấp tế bào 3.2 Cơ chế hoạt động xúc tác enzyme Tính xúc tác enzyme Trong thể sinh vật người ta thấy phản ứng hóa học xảy với tốc độ nhanh điều kiện đặc biệt nhiệt hóa học như: - Nhiệt độ bình thường (thân nhiệt 37oC) - Mơi trường có nước, khơng phát nhiệt mạnh - Hiệu phân giải tổng hợp cao so với trình độ xúc tác kỹ thuật Tính xúc tác sinh học enzyme thể chỗ enzyme với nồng độ (số lượng) nhỏ có khả tăng tốc độ phản ứng sinh hóa học lên hàng ngàn, vạn lần so với điều kiện bình thường Nhưng chất xúc tác khác, thân enzyme không tham gia vào sản phẩm cuối phản ứng Điều kiện để phản ứng hóa học xảy Vũ Đình Duy Page CƠ CHẾ XÚC TÁC CỦA ENZYME Ta lấy ví dụ: C6H12O6 + O2 -> CO2 + H2O + 688 Kcal (Đây cháy điều kiện bình thường) Để hiểu chế xúc tác enzyme, ta cần nhớ lại số điều kiện nhiệt độn học để phản ứng tiến hành Tốc độ phản ứng hóa học chất A + B  AB phụ thuộc vào yếu tố sau: - Nồng độ chất tham gia phản ứng A B - Thế va chạm hữu hiệu phân tử Ngoài để phản ứng xảy phân tử chất tham gia phải trạng thái kích động (tức trạng thái hoạt hóa) Muốn đạt điều kiện cần nạp cho phân tử chất nguồn lượng từ bên (dưới dạng nhiệt năng, điện quang năng) Chất xúc tác có nhiệm vụ: - Tăng nồng độ chất tham gia phản ứng - Làm cho phản ứng chóng đạt tới điểm thăng động Về chế xúc tác sinh học enzyme người ta đề nhiều giả thuyết để giải thích, thống chỗ q trình xúc tác bắt đầu kết hợp enzyme chất thành hợp chất trung gian E (enzyme) + S (cơ chất) ES (hợp chất trung gian) Trong phản ứng có xúc tác enzyme, nhờ tạo thành phức hợp trung gian enzyme - chất mà chất hoạt hóa Khi chất kết hợp vào enzyme, kết cực hóa, chuyển dịch electron biến dạng liên kết tham gia trực tiếp vào phản ứng dẫn tới làm thay đổi động năng, kết làm cho phân tử chất trở nên hoạt động hơn, nhờ tham gia phản ứng dễ dàng Năng lượng hoạt hóa có xúc tác enzyme nhỏ nhiều so với trường hợp khơng có xúc tác mà nhỏ so với trường hợp có chất xúc tác thơng thường Ví dụ phản ứng phân hủy H 2O2 thành H2O O2 khơng có chất xúc tác lượng hoạt hóa 18 Kcal/mol, có chất xúc tác platin lượng hoạt hóa 11,7 Kcal/mol, có enzyme catalase xúc tác lượng hoạt hóa 5,5 Kcal/mol Vũ Đình Duy Page CƠ CHẾ XÚC TÁC CỦA ENZYME Nhiều dẫn liệu thực nghiệm cho thấy trình tạo thành phức hợp enzyme chất biến đổi phức hợp thành sản phẩm, giải phóng enzyme tự thường trải qua ba giai đoạn theo sơ đồ: E + S → ES → E + P Cơ chất liên kết với enzyme trung tâm hoạt động liên kết có tính chất chọn lọc đặc biệt Từ đặc điểm người ta đề giả thuyết hoạt động enzyme: - Thuyết tập hợp chất trung gian - Thuyết hấp phụ Thuyết hoạt động enzyme a Thuyết tập hợp chất trung gian Thuyết Nensky đề xướng sau Langhenbec phát triển Theo thuyết này, phản ứng, enzyme chất kết hợp với thành hợp chất q độ khơng bền vững Do sản phẩm tạo đòi hỏi lượng hoạt hóa thấp bình thường Thuyết dùng để giải thích hệ thống enzyme chất đồng pha (tức thể chất nhau, vd: thể lỏng) biểu diễn qua sơ đồ sau: Giả sử có phản ứng A + B  AB (Tiến hành chậm điều kiện bình thường) Khi thêm chất xúc tác K (hoặc có enzyme) tốc độ thuận nghịch tăng lên gấp bội A+K  AK AK + B  AB + K (với mức lượng thấp) -A + B + K  AK + B  AB + K Tốc độ cao tiến hành theo đường vòng để tránh mức lượng hoạt hóa q cao Langhenbec dùng nhiều hình mẫu phản ứng đường vòng nói để chứng minh Ví dụ: Lấy hình mẫu esterase – enzyme xúc tác thủy phân (hoặc tổng hợp) este Vũ Đình Duy Page CƠ CHẾ XÚC TÁC CỦA ENZYME R-CO-O-R′ + H2O R-COOH + R′-OH Nếu lấy benzoilcarbonyl thay enzyme (C 6H5-CO-CH2OH) chất tạo hợp chất trung gian, giải phóng rượu: R-CO-OR′ + HOCH2-COC6H5 R-OH + RCOOCH2-COC6H5 Sau hợp chất trung gian dễ phân tán với có mặt H 2O thành acid benzoilcarbonyl nguyên cũ R-COOCH2COC6H5 + H2O R-COOH + C6H5CO-CH Nhờ có benzoilcarbonyl mà trạng thái cân động phản ứng xảy với tốc độ gấp nhiều lần Một số ví dụ giảm lượng hoạt hóa nhờ tập hợp chất trung gian như: *Saccarose Saccarose Add Glucose + fructose + 32 Kcal/mol Saccarase Glucose + fructose + 9,4 Kcal/mol *2H2O2 2H2O2 2H2O + O2 + 18 Kcal/mol Catalase *Tryglyxerid Tryglyxerid 2H2O + O2 + Kcal/mol Glycerin + acid béo + 18,6 Kcal/mol Lipase Glycerin + acid béo + 4,5 Kcal/mol Bằng phương pháp nghiên cứu quang phổ hấp phụ Keilin chứng minh tồn có thực hợp chất trung gian Những nghiên cứu trung tâm hoạt động enzyme đem lại nhiều dẫn chứng vấn đề lập hợp chất trung gian AB Cơ chất A + B + Hợp chất trung Enzyme Sản phẩm + Enzyme gian hoạt động b Thuyết hấp phụ Vũ Đình Duy Page CƠ CHẾ XÚC TÁC CỦA ENZYME Thuyết Bai-li-xơ (1906) đề xướng trước tiên, sau nhiều tác giả bổ sung Người ta dùng để cắt nghĩa tượng xúc tác hệ thống enzyme – chất khác pha (không đồng chất thể lỏng, chất xúc tác thể rắn) Khi cho enzyme vào hệ thống phản ứng, enzyme hấp phụ chất lên bề mặt làm chất tập trung lại Nồng độ chất tập trung cao môi trường xung quanh, từ tốc độ va chạm hữu hiệu phân tử tăng lên gấp bội phản ứng tiến hành nhanh chóng IV CƠ CHẾ XÚC TÁC CỦA ENZYME AMYLASE 4.1 Amylase gì? Amylase hệ enzyme phổ biến giới sinh vật Các enzyme thuộc nhóm enzyme thủy phân, xúc tác phân giải liên kết nội phân tử nhóm polysaccharide với tham gia nước: RR’ + H-OH  RH + R’OH Có loại enzyme xếp vào nhóm: + Endoamylase (enzyme nội bào) + Exoamylase (enzyme ngoại bào) Cơ chất tác dụng amylase tinh bột glycogen 4.2 Phân loại Enzym α - amylase(EC 3.2.1.1) hay α – 1-4 – glucanohydrolase Enzyme Pullulanase (EC 3.2.1.41) hay α - dextrin – glucosidase Vũ Đình Duy Page CƠ CHẾ XÚC TÁC CỦA ENZYME Enzyme Isoamylase (EC 3.2.1.68) hay glycogen – glucanohydrolase Enzyme β – amylase (EC 3.2.1.2) Enzyme γ - amylase (EC 3.2.1.3) hay glucose amylase Vũ Đình Duy Page 10 CƠ CHẾ XÚC TÁC CỦA ENZYME Amylo - 1,6 – glucosidase (EC 3.2.1.33) hay dextrin –1,6 glucanhydrolaza 4.3 Đặc tính Thủy phân tinh bột -> dextrin + maltoza Dextrin có khả họat hóa cao đặc trưng cho tính chất enzyme Phân tử có - nguyên tử C, tham gia vào hình thành ổn định cấu trúc bậc enzyme -> tính bền nhiệt enzyme α - amylase sinh vật có đặc tính đặc trưng chế tác động, chuyển hóa tinh bột, khả chịu nhiệt + Thể họat tính vùng axit yếu: - Nấm mốc: pH = 4,5 - 4,9 - Vi khuẩn: pH = 5,9 - 6,1 pH HFCS 90 theo bước sau: + Tinh bột bắp xử lý α-amylase để sản xuất chuỗi đường ngắn gọi oligosaccharides + Glucoseamylase phá vỡ chuỗi đường để sản xuất đường đơn glucose + Xylose isomerase biến đổi glucose => hỗn hợp có khoảng 42% fructose 50- 52% glucose với vài loại đường hòa trộn + Hỗn hợp 42 - 43% fructose glucose phải chịu qua bước sắc kí lỏng nơi mà fructose làm giàu đến xấp xỉ 90% V KẾT LUẬN Vũ Đình Duy Page 13 CƠ CHẾ XÚC TÁC CỦA ENZYME Trong sống sinh vật xảy nhiều phản ứng hóa học, với hiệu suất cao, điều kiện bình thường nhiệt độ, áp suất, pH Sở dĩ có diện chất xúc tác sinh học gọi chung enzyme Trong thể sống, khơng có q trình hóa học lại khơng có liên quan mật thiết đến trình sinh học enzyme xúc tác Có thể nói sống gắn liền với enzyme Hầu hết phản ứng xúc tác enzyme có tốc độ cao nhiều so với khơng xúc tác Nhờ enzyme mà trình sinh hóa thể sống xảy nhạy với tốc độ lớn điều kiện sinh lý bình thường Khi có enzyme xúc tác, tốc độ phản ứng tăng hàng triệu lần Nếu tế bào khơng có enzyme hoạt động sống khơng thể trì tốc độ phản ứng sinh hoá xảy chậm Ngày nay, với phát triển mạnh mẽ Công nghệ sinh học, chế phẩm enzyme sản xuất ngày nhiều sử dụng hầu hết lĩnh vực như: chế biến thực phẩm, nông nghiệp, chăn nuôi, y tế TÀI LIỆU THAM KHẢO Bergmeyer H U 1968 Methods of enzymatic analysis, translated from the third German edition, Academic Press, New York Copeland R A 2000 Enzymes,copyright by Wiley-VCH, Inc Gilbert H F 1992 Basic concepts in biochemistry, Copyright by the Mcgraw- Hill companies, Inc Lehninger A L 2004 Principles of Biochemistry, 4th Edition W.H Freeman http://tailieu.vn/tag/tai-lieu/enzyme%20h%E1%BB%8Dc.html www.hoahocngaynay.com/vi/kho-tu /157-giao-tranh-enzym.html Vũ Đình Duy Page 14 ... cấu trúc chất, khác biệt nhỏ cấu trúc chất làm enzyme không xúc tác Vũ Đình Duy Page CƠ CHẾ XÚC TÁC CỦA ENZYME - Đặc hiệu tương đối: enzyme có tác dụng lên kiểu nối hóa học định phân tử chất... hoạt hóa 18 Kcal/mol, có chất xúc tác platin lượng hoạt hóa 11,7 Kcal/mol, có enzyme catalase xúc tác lượng hoạt hóa 5,5 Kcal/mol Vũ Đình Duy Page CƠ CHẾ XÚC TÁC CỦA ENZYME Nhiều dẫn liệu thực nghiệm... ứng tiến hành nhanh chóng IV CƠ CHẾ XÚC TÁC CỦA ENZYME AMYLASE 4.1 Amylase gì? Amylase hệ enzyme phổ biến giới sinh vật Các enzyme thuộc nhóm enzyme thủy phân, xúc tác phân giải liên kết nội phân