ATP (hay của các
16.2.2. Cơ chế của các phản ứng enzyme
Cần nhớ rằng các enzyme tăng cường tốc độ phản ứng nhưng khơng làm thay đổi hăng số cân băng. Nêu một phản ứng là thu nhiệt enzyme sẽ khơng chuyền dịch cân băng và nhiều sản phẩm hơn sẽ được tạo thành. Các enzyme chỉ nâng cao tốc độ mà ở đĩ phản ứng diễn ra theo hướng cân băng cuối cùng.
Đề hiểu được enzyme xúc tác các phản ứng như thế nào ta hãy xem xét diễn biến của một phản ứng hố học thải nhiệt bình thường sau đây:
_—_ >
A+B —=—— C+D
Khi các phân tử A và B tiếp cận nhau để phản ứng chúng sẽ tạo thành một phức hợp ở trạng thái quá độ chi cả cơ chât và sản phâm (Hình T6. I3)
Hình 16.13: Coenzyme như các chất mang
Chức năng của l coenzyme trong vai trị mang các chất đi khắp tế bào. Coenzyme Œ cùng với enzyme E, tham gia ch uyền hĩa A thành sản phẩm B. Trong quá trình phản ứng coenzyme C nhận X từ cơ chất A và cĩ thể chuyến X sang cơ chất P trong phản ứng 2. Kết quả là coenzvme lại trở về dạng ban đấu để săn sàng tiếp nhận 1X khác. Coenzyme khơng chỉ tham gia vào 2 phản ứng mà cịn vận chuyến X đi khắp tế bào. (Theo Prescodl, Harley
và Kilein, 2005)
Năng lượng hoạt hố là cần nhằm mang các phân tử phản ứng tiếp xúc với nhau theo một cách chính xác đê đạt được trạng thái quá độ (hay chuyên tiêp). Phức hợp ở trạng thái
quá độ cĩ thê phân ly để tạo thành các sản phẩm C và D. Sự khác nhau trong mức độ năng lượng tự do giữa các chất phản ứng và các sản phẩm là AG°. Vì vậy, trong ví dụ nêu trên cân băng, sẽ năm về phía các sản phẩm vì AG”' là âm (nghĩa là các sản phẩm ở mức năng lượng thập hơn cơ chất). Trong hình 16.13 rõ ràng A và B khơng thể
chuyên hố thành C và D nếu chúng khơng được cung cấp một lượng năng lượng tương đương với năng lượng hoạt hố. Enzyme thúc đây các phản ứng băng cách hạ thập năng lượng hoạt hố. Do đĩ nhiều phân tử cơ chất hơn sẽ cĩ năng lượng đầy đủ để tiếp cận nhau và tạo thành sản phẩm. Mặc dù hăng số cân băng (hoặc AG°) khơng thay đổi nhưng cân băng sẽ đạt được nhanh hơn khi cĩ mặt enzyme do năng lượng hoạt hố giảm.
AVăng lượng tự đo EC+đ Tiên trình nhàn ứng
Hình 16.14: Enzyme hạ thấp năng lượng hoạt hĩa
Trong tiễn trình của 1 phản ứng hĩa học nêu trên A và B được chuyền thành C và D. Phúc hợp chuyển tiếp được biếu thị bởi AB` và năng lượng hoạt hĩa cần đề đạt được trạng thải này bởi lt„ 1)ường đỏ biểu thị tiễn trình của phản ứng trong sự cĩ mặt của Ì enzyme. Cân chú ý, năng lượng hoạt hĩa trong phản ứng cĩ enzyme xúc tác thấp hơn rất nhiễu. (Theo Prescow, Harley và Klein, 2005)
Sở dĩ enzyme cĩ khả năng hạ thập năng lượng hoạt hố của các phản ứng vì chúng
mang các cơ chất lại gần nhau tại một điểm đặc biệt gọi là vị trí hoạt động hoặc vỊ trí xúc
tác để tạo thành phức hợp enzyme - cơ chất (Hình 16.15 và 16.16). Sự tương tác giữa cơ chất và enzyme cĩ thê diễn ra theo hai con đường:
I. Enzyme cĩ hình dạng cơ định, khớp với hình dạng của cơ chất giúp cho cơ chất liên kết chính xác và thuận lợi cho phản ứng diễn ra.
2. Enzyme thay đồi hình dạng khi gắn với cơ chất tạo điều kiện cho vị trí xúc tác bao quanh và khớp chính xác với cơ chất.
Cơ chế diễn ra theo con đường thứ nhất được gọi là mơ hình “ổ khố và chìa khố” (lock - and - key model). Theo con đường thứ hai cơ chế được gọi là mơ hình “khớp cảm ứng” (induced ft). Mơ hình này được ứng dụng cho hexokinase và nhiều enzyme khác (Hình T6. l6).
Cơ chất | Enzyme
Phúc hợp Cơ chất enzyme xân nhám
Hình I6. 15. Chức năng của enzyvme. Sự tạo thành phức hợp enzvme-cơ chất và chuyển hĩa phức hợp thành l sản phám. (Theo Prescoft, Hlarley và Klein, 2005)
Việc tạo thành phức hợp enzyme - cơ chất cĩ thê hạ thập năng lượng hoạt hố theo một số cách. Chắng hạn, băng cách mang các cơ chất lại gần nhau tại vị trí xúc tác, trên thực tế,
enzyme đã làm tăng nồng độ của chúng và thúc đầy phản ứng. Tuy nhiên, một enzyme khơng chỉ đơn giản làm đậm đặc nơng độ các cơ chất của chúng mà cịn liên kết các cơ chất sao cho các cơ chất này hướng chính xác với nhau đề tạo thành phức hợp ở trạng thái quá độ. Một sự định hướng như vậy sẽ hạ thấp lượng năng lượng mà các cơ chất cần để
đạt được trạng thái quá độ. Các hoạt tính này và các hoạt tính khác của vỊ trí xúc tác đã
tăng cường phản ứng hàng trăm nghìn lần bất kê vi sinh vật sinh trưởng giữa 20°C và khoảng 113°C. Những nhiệt độ này khơng đủ cao đề giúp cho hầu hết các phản ứng hữu cơ trong sự vắng mặt của enzyme, hơn nữa các tế bảo khơng thê sống sĩt ở những nhiệt độ cao dùng bởi một nhà hố học hữu cơ trong các quá trình tổng hợp hữu cơ thường ngày. Enzyme giúp cho sự sống tồn tại bằng cách thúc đây các phản ứng đặc biệt ở nhiệt độ thấp.
Hình 16.16. Một ví dụ về sự tạo thành phức hợp enzyme-cơ chất
a) Mơ hình đây đủ của hexokinase nấm men và cơ chất Giucose (màu tỉa). Vị trí hoạt động trong khe tạo thành bởi thùy nhỏ của enzyme (màu lục) và thùy lớn (tàu xám). (b) Khi Giucose liên kết để tạo thành phức hợp enzyme-cơ chất hexokinase thay đổi hình dạng và bao quanh cỏ chất. (Theo Prescoft, Harley và Klein. 2003)