Để giải thích cơ chế của phản ứng xúc tác enzyme, người ta xuất phát từ giả thuyết rằng khi enzyme tương tác với cơ chất sẽ tạo ra phức hợp trung gian E-S. Giả thuyết này được V. Henri đưa ra vào năm 1902 và sau đó người ta đã xác nhận bằng thực nghiệm. Tác dụng tương hỗ giữa enzyme và cơ chất được minh họa trong hình 2.6.
E + S E S E + P E-S
Hình 2.6 . Sơ đồ mô tả cơ chế của phản ứng xúc tác enzyme.
(E: enzyme, S: cơ chất; E-S: Phức hệ trung gian giữa enzyme và cơ chất; P: sản phẩm của phản ứng)
Sự hình thành phức hợp E-S xảy ra rất nhanh chóng. Cơ chất liên kết với enzyme bằng các liên kết yếu: liên kết hydro, lực Van der waals, tương tác tĩnh điện... Trong phức hợp enzyme - cơ chất xảy ra quá trình dịch chuyển điện tử dẫn đến sự phân cực của các liên kết tham gia vào phản ứng. Ngoài ra, khi enzyme liên kết với cơ chất, cấu hình không gian của phân tử sẽ thay đổi, làm cho các liên kết trong phân tử cơ chất bị "kéo căng". Sự kết hợp của hai yếu tố nói trên có tác dụng làm cho phân tử cơ chất trở nên hoạt động và dễ dàng tham gia vào phản ứng. Cuối cùng là giai đoạn hình thành sản phẩm của phản ứng và giải phóng enzyme tự do.
Một trong những khác biệt cơ bản giữa enzyme và các chất xúc tác phi sinh học là tính đặc hiệu (hay chuyên hóa) cao của nó. Khả năng của enzyme lựa chọn cơ chất và kiểu phản ứng để xúc tác được gọi là tính đặc hiệu của enzyme. Nhờ tính đặc hiệu cao của enzyme mà các phản ứng hóa sinh trong tế bào xảy ra có trật tự và theo một hướng xác định. Có hai kiểu đặc hiệu: đặc hiệu kiểu phản ứng và đặc hiệu cơ chất.
- Đặc hiệu kiểu phản ứng: mỗi enzyme chỉ có thể xúc tác một kiểu phản ứng nhất định.
- Đặc hiệu cơ chất: một enzyme chỉ có thể xúc tác cho quá trình biến đổi một hoặc một số cơ chất nhất định. Enzyme thể hiện tính đặc hiệu cơ chất ở nhiều mức độ khác nhau. Người ta
phân biệt thành các mức sau: đặc hiệu tương đối, đặc hiệu tuyệt đối và đặc hiệu lập thể (đặc hiệu quang học).
2.2.4. Ảnh hưởng của các yếu tố khác nhau lên hoạt tính của enzyme.
Phản ứng xúc tác enzyme, cũng như các phản ứng hóa học thông thường chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố khác nhau: nồng độ các chất tham gia phản ứng và các yếu tố của môi trường phản ứng.
* Ảnh hưởng của nồng độ enzyme.
Như ta đã biết, cơ sở của phản ứng xúc tác enzyme là khi enzyme kết hợp với cơ chất tạo thành phức hợp trung gian ES. Như vậy, tốc độ của phản ứng xúc tác phụ thuộc vào nồng độ chung của phức hợp trung gian này. Khi [S] >> [E], toàn bộ enzyme
trong hệ thống phản ứng đều tồn tại ở dạng E S, lúc này
vận tốc của phản ứng không v = k[E]
phụ thuộc vào nồng độ cơ chất mà chỉ phụ thuộc vào nồng độ của enzyme theo phương trình:
v = K.[E] (Hình 2.7). Hình 2.7. Sự phụ thuộc của tốc độ
phản ứng vào [E] khi [S]>>[E]
* Ảnh hưởng của nồng độ cơ chất.
Trường hợp đơn giản nhất là phản ứng xúc tác enzyme không thuận nghịch một cơ chất được mô tả bằng phương trình sau:
k k1 2
E + S ES ⎯⎯→ E + P
(9) k-1
Ở đây k1: hằng số tốc độ của phản ứng tạo ES;
k-1: hằng số tốc độ của phản ứng phân ly ES về phía E +
S;
k2: hằng số tốc độ của phản ứng phân ly ES về phía E + P.
Khi phản ứng đạt trạng thái cân bằng, ta có:
k1.[E].[S] = k-1.[ES] + k2 .[ES] (10)
= [ES](k-1 + k2) (11) [E] k-1 + k2 ⎯⎯ = ⎯⎯⎯ (12) [ES] k1.[S]
k-1 + k2 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Đặt Km = ⎯⎯⎯ ta có: ⎯⎯ [E] K = ⎯⎯m (13) k1 [ES] [S]
Vì nồng độ enzyme tổng số [E]t = [E] + [ES], nên:
[E]t -[ES] Km ⎯⎯⎯⎯ = ⎯⎯ , (14) [ES] [S] [E]t Km [ES] ⇒ ⎯⎯ = ⎯⎯ + ⎯⎯ , (15) [ES] [S] [ES] [E]t Km ⇒ ⎯⎯ = ⎯⎯ + 1 , (16) [ES] [S] [E]t Km [S] ⇒ ⎯⎯ = ⎯⎯ + ⎯ , (17) [ES] [S] [S]
Vì tốc độ tối đa Vmax tỉ lệ thuận với [E]t, còn tốc độ tức thời v
tỉ lệ thuận với [ES], nên:
Vmax Km + [S] ⎯⎯ = ⎯⎯⎯⎯ (18) v [S] Vmax [S] Từ đó ta có: v = ⎯⎯⎯⎯ (19) Km+[S]
Phương trình này được gọi là phương Vmax
trình Michaelis-Menten, trong đó Vmax là
vận tốc tối đa của phản ứng, Km được gọi
là hằng số Michaelis. Hằng số này mô tả Vmax/2
ái lực giữa enzyme và cơ chất và có thứ
nguyên là mol/ lit. Phương trình (19) và hình 2.8 mô tả ảnh hưởng của nồng độ cơ
chất lên vận tốc của phản ứng xúc tác Km [S]
enzyme.
Hình 2.8. Đồ thị của phương
trình Michaelis-Menten.
* Ảnh hưởng của các chất ức chế.
Chất ức chế (inhibitor, I) là những chất khi kết hợp với enzyme sẽ làm giảm hoặc làm mất hoàn toàn hoạt tính của enzyme. Các chất ức chế có bản chất hóa học rất khác nhau: có thể là ion kim loại, anion, các hợp chất hữu cơ khác nhau, các peptide, khách sinh... Căn cứ vào sự kết hợp giữa chất ức chế và
enzyme, người ta phân biệt hai kiểu ức chế: ức chế cạnh tranh và ức chế không cạnh tranh.
- Ức chế cạnh tranh: Chất ức chế có cấu trúc hóa học giống với
cơ chất, cho nên nó cạnh tranh với cơ chất trong quá trình kết hợp với trung tâm hoạt động của enzyme.
- Ức chế không cạnh tranh: Chất ức chế không phải kết hợp với
trung tâm hoạt động của enzyme mà kết hợp ở một phần khác của phân tử enzyme.
Trong trường hợp ức chế cạnh tranh phương trình Michaelis-
Menten có dạng: Vmax [S] v = ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ (20) [I] K (1 + m ⎯⎯ ) + [S] Ki
trong đó Ki được gọi là hằng số ức chế.
v Vmax a b Vmax/2 [S]
Hình 2.9. Đồ thị của phương trình Michaelis-Menten khi không có mặt chất ức chế (a)
và khi có mặt chất ức chế cạnh tranh (b).
Trong trường hợp này đường biểu diễn của phương trình Michaelis-Menten có dạng như trong hình 2.9. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Phương trình (20) và hình 2.9 cho thấy, khi có mặt chất ức
chế cạnh tranh giá trị Vmax của phản ứng không thay đổi nhưng Km
tăng lên (1+[I]/ki) lần, có nghĩa là ái lực của enzyme với cơ chất bị
Khác với ức chế cạnh tranh, phương trình động học của phản ứng xúc tác enzyme trong sự có mặt chất ức chế không cạnh tranh có dạng: Vmax[S] v = ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ (21) [ I ] (K +[S]) (1+ m ⎯⎯ ) Ki So sánh phương trình (21) với phương trình (19), ta thấy Vmax của phản ứng đã giảm một đại lượng là (1+[I]/ki) lần, nhưng Km của phản ứng không
đổi. Điều này có thể
thấy rõ ở hình 2.10.
* Ảnh hưởng của nhiệt độ.
Hình 2.10. Đồ thị của phương trình
Machaelis-Menten khi không có chất ức chế (a) và khi có chất ức chế không cạnh tranh (b)
(a) ((b)
Hình 2.11. Ảnh hưởng của pH lên hoat tính enzyme.
Nhiệt độ làø một yếu tố ảnh hưởng rất lớn đến vận tốc của phản ứng xúc tác enzyme.
Theo quy luật chung, khi nhiệt độ tăng, vận tốc phản ứng sẽ tăng. Tuy nhiên, do bản chất protein của enzyme, sự tăng nhiệt độ chỉ làm tăng tốc độ phản ứng trong một phạm vi tương đối hẹp. Người ta
nhận thấy đa số mất hoạt tính khi nhiệt độ vượt quá 70oC. (hình
2.11)
Đường cong trong hình 2.11 mô tả tính hai mặt trong tác động của nhiệt độ đối với hoạt tính của enzyme. Nhiệt độ mà tại đó
hoạt tính enzyme cao nhất được gọi là nhiệt độ tối thích (To
opt) của enzyme đó. Đa số enzyme có nhiệt độ tối thích nằm trong khoảng
30-50oC. Nhiệt độ này không cố định mà thay đổi và phụ thuộc
vào nhiều yếu tố khác nhau như: bản chất của cơ chất, pH môi trường, sự có mặt của chất hoạt hóa... Nhiệt độ tại đó enzyme bị
Để mô tả ảnh huởng của nhiệt độ (trong một phạm vi nhất
định) lên hoạt tính của enzyme người ta cũng sử dụng hệ số Q10 :
KT + 10
Q = 10 ⎯⎯⎯⎯⎯
KT
Đối với các phản ứng hóa học thông thường, Q10 có giá trị
khoảng 2 – 4; còn Q10 của các phản ứng xúc tác enzyme có giá trị
nhỏ hơn : 1,0 → 2,0.
* Ảnh hưởng của pH.
Enzyme rất nhạy cảm với sự thay đổi pH của môi trường. Sự biến thiên pH có thể làm thay đổi mạnh hoạt tính của enzyme. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Hình 2.11. Ảnh hưởng của pH lên hoạt tính enzyme
Cũng giống như với nhiệt độ, đường cong mô tả ảnh hưởng của pH lên hoạt tính enzyme có dạng
như mô tả trong hình 2.12. Mỗi enzyme chỉ hoạt động
mạnh trong phạm vi pH xác định
gọi là pHopt của enzyme đó.
Đa số pH các enzyme bền trong phạm vi pH khoảng 5,0–9,0 và có pH nằm gần vùng trung tính. Tuy nhiên, cũng có enzyme có
pHopt nằm rất xa vùng trung tính, ví dụ pepsin có pHopt nằm trong
khoảng 1,0 – 2,0. Giá trị pHopt thường đặc trưng cho mỗi enzyme,
mặc dù giá trị này còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác, như nhiệt độ, nồng độ cơ chất v.v...
Dạng đường cong mô tả trong hình 2.12 được xác định bởi nhiều yếu tố khác nhau, nhưng tất cả đều liên quan đến bản chất protein của enzyme. Sự thay đổi pH dẫn đến sự thay đổi mức độ ion-hóa của protein enzyme, ảnh hưởng đến độ bền của phân tử enzyme, đến sự kết hợp giữa enzyme và cơ chất, và như vậy, làm thay đổi hoạt tính xúc tác của enzyme.