7.1. Nguyên lý về cơ chế xúc tác của Enzyme
Tính xúc tác sinh học của Enzyme thể hiện chính ở chỗ với một nồng độ rất nhỏ Enzyme cũng có khả năng làm tăng tốc độ phản ứng lên hàng ngàn vạn lần. Cũng như các chất xúc tác khác Enzyme không tham gia vào sản phẩm cuối cùng của phản ứng, nó chỉ làm cho phản ứng nhanh chóng đạt tới trạng thái cân bằng động. Để hiểu được cơ chế xúc tác của Enzyme cần nhớ lại một số điều kiện nhiệt hoá động học để phản ứng tiến hành. Tốc độ phản ứng hoá học phụ thuộc vào nhiều yếu tố, đó là:
Sự va chạm nhau của các chất tham gia phản ứng nhất là các va chạm hữu hiệu, khả năng va chạm này phụ thuộc vào nồng độ của chúng và sự nhiễu động mạnh (tức là nội năng của chúng).
Năng lượng hoạt hoá của chất tham gia phản ứng: tốc độ phản ứng hoá học nói chung được xác định bởi giá trị năng lượng hoạt hoá, tức là mức năng lượng các chất tham gia phản ứng phải đạt được, để cắt đứt các liên kết cần thiết và hình thành các liên kết mới. Năng lượng hoạt hoá càng lớn thì tốc độ phản ứng càng chậm và ngược lại, năng lượng này càng thấp thì tốc độ phản ứng càng tăng. Muốn đạt tới năng lượng hoạt hoá thì cần nạp cho phân tử chất một nguồn năng lượng từ bên ngoài dưới dạng nhiệt năng, quang năng hoặc điện năng...
Chất xúc tác (Enzyme) có tác dụng thúc đẩy tốc độ phản ứng hoá học, vì làm giảm năng lượng hoạt hoá phản ứng.
Enzyme chỉ ảnh hưởng lên tốc độ phản ứng, không ảnh hưởng tới cân bằng phản ứng.
Một phản ứng được xúc tác bởi Enzyme thường theo trình tự sau:
Trong đó: E = Enzyme; p = Sản phẩm phản ứng (Product), ES và EP = Phức Enzyme với cơ chất và sản phẩm.
Bất kỳ phản ứng biến đổi S →P nào cũng có thể diễn đạt theo sự thay đổi năng lượng phản ứng mà trong các hệ sinh học nó thường được diễn đạt theo sự thay đổi năng lượng tự do G. Chúng ta cũng biết bất kỳ chất nào S hay P đều có năng lượng tự do nền và người ta sử dụng đại lượng ΔG0 biểu thị sự thay đổi năng lượng tự do chuẩn để mô tả thay đổi năng lượng tự do của phản ứng ở điều kiện chuẩn tương ứng với nhiệt độ 298º K, áp suất 1 atm
Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Hoá Sinh động vật ……… 89
hoặc 101,3 Kpa, nồng độ cơ chất là 1M. Do phản ứng sinh học thường diễn ra với các chất có nồng độ nhỏ hơn rất nhiều so với 1M và ở pH 7,0 nên thay vì ΔG0 bằng ΔG0’, biểu thị sự thay đổi năng lượng tự do ở pH 7,0 để tính toán động học của các quá trình biến đổi sinh học. Sự cân bằng giữa S và P phản ánh sự khác biệt trạng thái nền của chúng. Trường hợp P có trạng thái nền tự do thấp hơn S nghĩa là ΔG0’ của phản ứng là âm (-) và cân bằng phản ứng có xu hướng về phía tạo P. Sự cân bằng có lợi hướng về phía tạo P không có nghĩa là quá trình biến đổi S thành P dễ dàng xảy ra vì tốc độ phản ứng còn phụ thuộc vào các thông số khác nữa. Giữa cơ chất tham gia phản ứng và sản phẩm tạo ra tồn tại hàng rào cản năng lượng gọi là trạng thái chuyển tiếp. Trạng thái này không biểu thị sản phẩm trung gian nào, mà chỉ biểu thị thời điểm xảy ra sự biến đổi cơ bản biến S thành P.
Độ chênh lệch giữa trạng thái nền và trạng thái chuyển tiếp gọi là năng lượng hoạt hoá ΔG≠. Trong đó ΔG≠uncat biểu thị năng lượng hoạt hoá của phản ứng không có xúc tác (hình 3.12). Năng lượng hoạt hoá càng cao tốc độ phản ứng càng thấp và ngược lại. Do đó, tốc độ phản ứng gia tăng khi nhiệt độ, áp suất và nồng độ chất tham gia phản ứng gia tăng. Vì các yếu tố này làm tăng chuyển động hỗn loạn của các chất tham gia phản ứng và số lượng các phân tử được kích thích vượt qua rào cản năng lượng đồng nghĩa với sự gia tăng tốc độ phản ứng. Mặt khác, có thể gia tăng tốc độ phản ứng bằng cách bổ sung chất xúc tác làm giảm mức năng lượng hoạt hoá.
∆G≠cat –Năng lượng hoạt hoá có xúc tác.
∆G≠ Năng lượng hoạt hoá không xúc tác.
Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Hoá Sinh động vật ……… 90
Do vậy, trong những trạng thái trung gian trên, trạng thái nào có mức năng lượng hoạt hoá cao nhất, thì nó sẽ là bước giới hạn tốc độ của phản ứng.
7.2. Xác định tốc độ và cân bằng phản ứng.
Theo nhiệt động học, cân bằng phản ứng liên quan chặt chẽ với ΔG0’, còn tốc độ phản ứng thì liên quan tới ΔG≠.
Trong quá trình biến đổi S → P, cân bằng phản ứng được xác định bởi hằng số cân bằng Keq ; ở điều kiện chuẩn Keq sẽ là Keq’ = [p] / [s] (3. 2)
Keq’ quan hệ với ΔG0’ bằng phương trình:
ΔG0’ = - RT ln Keq’ (3.3) Trong đó R = hằng số khí (8,315 J/mol. K)
T = nhiệt độ tuyệt đối ở điều kiện chuẩn (298ºK)
Keq’ phản ánh biến đổi năng lượng tự do chuẩn, trong đó ΔG0’càng (-) thì phản ứng càng dễ xảy ra, nhưng không có nghĩa là ΔG0’càng âm thì tốc độ phản ứng càng lớn.
Tốc độ phản ứng phụ thuộc vào nồng độ các chất tham gia phản ứng và hằng số tốc độ K. Như vậy, tốc độ phản ứng trong một đơn vị thời gian.
V = K[S] (3.4)
Theo (3.4) thì V chỉ phụ thuộc vào nồng độ của 2 cơ chất thì phản ứng được gọi là bậc 2 với:
V=K[S1] [S2] (3.5)
7.3. Cơ chế xúc tác của Enzyme.
Về cơ chế xúc tác của Enzyme có nhiều giả thiết nhưng đều thống nhất ở chỗ là quá trình xúc tác bắt đầu bằng sự kết hợp giữa Enzyme với cơ chất để tạo thành phức hợp trung gian, cơ chất kết hợp với Enzyme ở phần trung tâm hoạt động, hiện tượng chọn lọc đặc hiệu được thực hiện ở giai đoạn này. Có các thuyết giải thích cơ chế hoạt động của Enzyme như sau:
7.3.1. Thuyết hợp chất trung gian: do Nensky đề xướng và Langhenbec phát triển, thuyết này giải thích trường hợp Enzyme và cơ chất là đồng pha. Theo thuyết này Enzyme tạo thuyết này giải thích trường hợp Enzyme và cơ chất là đồng pha. Theo thuyết này Enzyme tạo với cơ chất thành những hợp chất trung gian không bền vững nhờ đó sản phẩm tạo ra với mức đòi hỏi năng lượng hoạt hoá thấp hơn bình thường, ta có thể hình dung như sau:
Giả sử có phản ứng: A + B AB tiến hành chậm. Khi có Enzyme K thì quá trình diễn ra như sau: A + K AK với mức năng lượng thấp. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
AK + B AB + K cũng với mức năng lượng thấp. Tóm lại là: A + B + K ⇔ AK + B ⇔ AB + K
Tốc độ phản ứng tăng vì nó đi theo con đường vòng để tránh mức năng lượng hoạt hoá cao. Bằng cách đo mức năng lượng hoạt hoá, người ta cũng thấy được điều đó: Ví dụ: phản ứng phân giải H2O2 H2O + O2 có mức năng lượng hoạt hoá là 18 kcal/mol. Khi có peroxydase thì mức năng lượng hoạt hoá chỉ còn 2 kcal/mol. Bằng quang phổ hấp phụ cho thấy có sự tồn tại của hợp chất trung gian. Bình thường quang phổ hấp phụ của peroxydase là
Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Hoá Sinh động vật ……… 91
4 vạch, khi cho tác dụng với H2O2 nó mất đi 2 vạch, khi H2O2 phân giải hết nó lại có 4 vạch như cũ. Điều đó chứng tỏ có sự tồn tại của hợp chất trung gian peroxydase - H2O2. Những nghiên cứu về trung tâm hoạt động của Enzyme cũng đem lại nhiều dẫn chứng về hợp chất trung gian giữa Enzyme với cơ chất. Sơ đồ hợp chất trung gian được trình bày ở hình 3.13.
Cơ chất Hợp chất trung gian Sản phẩm Enzyme
Hình 3.13. Sơ đồ hợp chất trung gian
7.3.2. Thuyết hấp phụ: do Bailixơ đề xướng (1906) sau được nhiều tác giả bổ xung. Thuyết này giải thích hiện tượng Enzyme với cơ chất là khác pha. Nhờ trạng thái phân tán cao Thuyết này giải thích hiện tượng Enzyme với cơ chất là khác pha. Nhờ trạng thái phân tán cao mà diện tích hấp phụ của Enzyme là rất lớn, làm chỗ thu hút cơ chất, cơ chất tập trung lại làm cho nồng độ tăng cao, các va chạm hữu hiệu tăng, nên tốc độ phản ứng tăng. Quá trình hấp phụ này không chỉ tuân theo các quy luật vật lý đơn thuần mà nó bị chi phối bởi các yếu tố hoá học phức tạp dẫn đến hiện tượng hấp phụ có chọn lọc giữa Enzyme và cơ chất, ngoài ra hiện tượng dễ tiến hành phản ứng trên bề mặt Enzyme còn được cắt nghĩa bằng những biến đổi trong những cấu trúc của các liên kết nguyên tử cơ chất dưới ảnh hưởng của lực trường của các tương tác phân cực điện... mà phân tử Enzyme đem lại, cho nên chúng dễ phân hoá hoặc liên kết với nhau. Như vậy hấp phụ ở đây cũng có tính chọn lọc, chủ động và rất có thể vì những ảnh hưởng đó mà mức năng lượng hoạt hoá được hạ thấp tạo điều kiện cho phản ứng dễ thực hiện.
7.3.3. Cơ chế xúc tác acid – base. Trong các phản ứng hoá sinh luôn có sự hình thành các chất trung gian mang điện thế không bền, dễ dàng bị phân rã trở lại trạng thái ban đầu. các chất trung gian mang điện thế không bền, dễ dàng bị phân rã trở lại trạng thái ban đầu. Tuy nhiên, chúng có thể được ổn định nhờ sự trao đổi proton với sự tham gia của H+, H3O+, OH- trong môi trường nước. Trường hợp này gọi là xúc tác acid – base, chúng xảy ra trong môi trường phản ứng ngoài nước còn có các chất cho và nhận proton khác. Một số acid amin tham gia trung tâm xúc tác Enzyme như Glu, Asp, Lys, Arg, Cys, His và Tyr đóng vai trò làm chất cho (ở dạng acid) hoặc chất nhận proton (ở dạng Base) (hình 3.14).
Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Hoá Sinh động vật ……… 92
7.3.4. Xúc tác thông qua tạo liên kết hoá trị tạm thời.
Các liên kết này tồn tại trong khoảng thời gian rất ngắn giữa cơ chất và Enzyme, nó hoạt hoá phản ứng rất mạnh. Nhiều gốc acid amin và cofactor của Enzyme đóng vai trò là nhóm ưa nhân.
7.3.5. Xúc tác thông qua ion kim loại. Các Enzyme có chứa kim loại thì kim loại giúp định hướng cơ chất vào tâm phản ứng hoặc giúp ổn định trạng thái chuyển tiếp. Ngoài ra, kim định hướng cơ chất vào tâm phản ứng hoặc giúp ổn định trạng thái chuyển tiếp. Ngoài ra, kim loại còn tham gia phản ứng oxy hoá khử. Có tới 1/3 số Enzyme cần sự trợ giúp của ion kim loại để thể hiện hoạt tính sinh học của mình.