Enzyme là một chất xúc tác của các hệ thống sinh học và cực kỳ hiệu quả.
Trong thực tế, thông thường một loại enzyme làm tăng tốc độ của một phản ứng lên ít nhất một triệu lần so với tốc độ của một phản ứng mà trong đó không có enzyme. Hầu hết các phản ứng sinh học không xảy ra khi không có mặt của các enzyme. Một trong những phản ứng sinh học đơn giản được xúc tác bởi một enzyme là hydrat hóa CO2. Chất xúc tác trong phản ứng này là carbonic anhydrase. Phản ứng này là một phần của chu kỳ hô hấp là loại bỏ CO2 ra khỏi cơ thể. Carbonic anhydrase là một enzyme có hiệu quả cao, mỗi phân tử enzyme có thể xúc tác hydrat hóa 105 phân tử CO2 trong một giây.
Enzyme có tính đặc hiệu cao, thường là một enzyme điển hình chỉ xúc tác cho một phản ứng hóa học đơn lẻ hoặc một tập hợp các phản ứng hóa học liên quan chặt chẽ. Trên thực tế ở một bất kỳ chất xúc tác nào, enzyme không làm thay đổi điểm cân bằng của phản ứng. Điều này có nghĩa rằng các enzyme làm tăng tốc độ phản ứng thuận và cũng làm tăng tốc độ phản ứng nghịch ở cùng các yếu tố giống nhau. Sự chuyển dịch qua lại A và B.
A B (1)
Giả sử trong trường hợp không có các enzyme thì hằng số tốc độ phản ứng thuận (kf) là 10-4/s và hằng số tốc độ phản ứng ngược (kr) là 10-6/s. Hằng số cân bằng (Keq) giữa tỷ lệ của hai hằng số tốc độ.
(2)
Ngành Công nghệ thực phẩm 28 Khoa Nông nghiệp
Nồng độ cân bằng của B gấp 100 lần so với A khi không có enzyme xúc tác. Tuy nhiên, khi không có mặt enzyme thì phản ứng có thể mất hơn một giờ mới có thể đạt trạng thái cân bằng, trong khi có sự hiện diện của một loại enzyme thì trạng thái cân bằng có thể đạt được trong vòng một giây. Các enzyme làm giảm các rào cản năng lượng của phản ứng do đó làm tăng tốc độ của phản ứng, nhưng khi tỷ lệ của cả hai phía của phản ứng bị ảnh hưởng cùng một số yếu tố thì hằng số cân bằng không bị ảnh hưởng bởi sự hiện diện của enzyme (Hình 2.7).
Hình 2 7: Thể hiện năng lượng hoạt hóa có và không có chất xúc tác EAf là năng lượng kích hoạt cho phản ứng về phía thuận (A B) khi không có mặt của một chất xúc tác là enzyme và E'Af là năng lượng kích hoạt cho phản ứng về phía thuận (A B) khi có sự hiện diện của một chất xúc tác là enzyme và ΔGo là sựthay đổi năng lượng tự do của phản ứng. Hằng số cân bằng là liên quan đến ΔGo như sau:
RT Go
eq e
K
Nếu ΔG0 là như nhau cho các phản ứng xúc tác có và không có enzyme thì Keqlà như nhau cho cả hai phản ứng. Một lý do khác về tính hiệu quảvà độ đặc hiệu của một loại enzyme là cách các enzyme tương tác với các phân tử chất phản ứng, thường được gọi là cơ chất trong phản ứng enzyme xúc tác.
Các enzyme và cơ chất tương tác để tạo thành một phức chất enzyme - cơ chất.
Sự tương tác giữa cơ chất và trung tâm hoạt động yếu kém, tương tác không hóa trị (tức là cơ chất không liên kết hóa trị với trung tâm hoạt động nhưng tương tác yếu với nó như tương tác liên kết hydro, tương tác Van der Waals, ...
Sự định hướng trong đó hai tương tác là rất thuận lợi để tạo điều kiện chuyển đổi của cơ chất đến sản phẩm. Trong phức hợp enzyme-cơ chất, phân tử cơ
Năng lượng
Ngành Công nghệ thực phẩm 29 Khoa Nông nghiệp
chất liên kết với một khu vực cụ thể của phân tử enzyme được gọi là trung tâm hoạt động. Những trung tâm hoạt động này thì có tính chọn lọc cao cho một phân tử chất cụ thể mà các enzyme liên kết. Đây là lý do tại sao các enzyme là chất xúc tác rất riêng biệt, cụ thể và enzyme chỉ xúc tác cho một phản ứng duy nhất, hoặc một loạt các phản ứng có liên quan chặt chẽ. Có hai mô hình được đề xuất để giải thích các đặc trưng về sựtương tác giữa các phân tửcơ chất và vị trí trung tâm hoạt động của một loại enzyme.
Mô hình "khóa và chìa khóa", trong mô hình này các chất nền có hình dạng phù hợp với vị trí trung tâm hoạt động của enzyme (Hình 2.8).
Hình 2 8: Mô hình “khóa và chìa khóa”
(Joseph R. Powers., 2010)
Cơ chế của phản ứng xúc tác enzyme thường được nghiên cứu bằng cách đo động học của hệ thống phản ứng enzyme-cơ chất. Nghiên cứu này bao gồm đo lường mức độ phản ứng của enzyme xúc tác ở cơ chất khác nhau và nồng độ khác nhau. Đối với nhiều enzyme, có đồ thị biểu diễn tốc độ xúc tác theo V (còn được gọi là tốc độ phản ứng) so với các nồng độ cơ chất (S) và nồng độ enzyme cố định được thể hiện bằng đồ thị.
Ngành Công nghệ thực phẩm 30 Khoa Nông nghiệp
Hình 2 9: Ảnh hưởng của nồng độ cơ chất đến vận tốc phản ứng (Joseph R. Powers., 2010)
Nhìn vào đồ thị ta thấy, vận tốc (V) thay đổi tuyến tính với nồng độ cơ chất (S) khi nồng độcơ chất nhỏ. Nhưng khi nồng độ cơ chất (S) tăng cao thì vận tốc (V) tăng đến mức nào đó thì không tăng nữa.
Sơ đồ xúc tác của enzyme:
Trong đó E là enzyme, S là cơ chất, ES là phức chất enzyme-cơ chất, P là sản phẩm của phản ứng enzyme xúc tác, k1 hằng số tốc độ của phản ứng thuận, k-1 hằng số tốc độ phản ứng nghịch và k2 hằng số tốc độ của phản ứng chuyển tiếp của phức chất ES tạo thành E + P.
Biểu thức liên quan tới vận tốc phản ứng (V) với nồng độ của cơ chất và nồng độ enzyme. Tốc độ phản ứng (V) được thể hiện :
V = k2 [ES] (4)
ES là một chất trung gian, do đó nồng độ của nó không rõ ràng, giá trị của [ES] biết đến tại tốc độ phản ứng [ES] được hình thành và phân ly là:
- Tốc độ hình thành : [ES] = k1 [E] [S] (5) - Tốc độ phân ly: [ES] = (k-1 + k2) [ES] (6)
Nồng độcơ chất, [S]/Km
Ngành Công nghệ thực phẩm 31 Khoa Nông nghiệp
2 1
1
k k
k S ES E
1 2 1
k k KM k
KM
S ES E
KM
S ES ES E0
M M
K S
K E S
ES 1 /
/
0
ES E0 S S KM
S KM E S
k
V 2 0
S KM S
Có thể sử dụng trạng thái gần như ổn định thể hiện vận tốc phản ứng (V) về số lượng được biết đến. Ở trạng thái gần như ổn định, nồng độ của các trung gian [ES] vẫn là một hằng số, trong khi nồng độ của chất phản ứng và sản phẩm thay đổi. Trạng thái ổn định xảy ra khi:
k1[ E ] [ S ] = (k-1 + k2 ) [ ES ] (7) (8)
Hằng số Michaelis-Menten, KM:
(9)
Thay (9) vào (8) :
(10)
Vì trong hầu hết các phản ứng nồng độ enzyme là rất nhỏ ([E] << [S]), nồng độ của các cơ chất không phản ứng (S) là gần như bằng với tổng nồng độ của [S]. Nồng độ của enzyme không phản ứng (E) bằng với tổng nồng độ enzyme [Eo] trừ nồng độ của phức chất [ES].
[E] = [ Eo ] - [ ES ] (11)
(12)
(13)
(14) Thay thế (14) vào (4):
(15)
Vận tốc phản ứng tối đa (Vmax) đạt được khi tất cả các trung tâm hoạt động của enzyme được bão hòa với các cơ chất. Điều này sẽ xảy ra khi :
[ S ] >> KM, vì vậy tiến về bằng 1. Trong giới hạn này, vận tốc phản ứng có thể trình bày:
Từ phương trình (15): Vmax = k2 [Eo] (16) Thế (16) vào (15):
Ngành Công nghệ thực phẩm 32 Khoa Nông nghiệp
S KM
V S
V max
S
V K V
V
M 1
1 1
max max
(17)
Dựa vào đồ thị biễu diễn vận tốc theo nồng độ cơ chất trong Hình 2.11, ta có phương trình (17) diễn tảcác động học của một loại enzyme. Từphương trình (17) khi nồng độ [S] rất thấp, thì [S] << KM, V= Vmax [S]/KM, có nghĩa là, tỷ lệ này là tỷ lệ thuận với [S]. Khi [S] >> KM, V = Vmaxvà do đó độc lập với nồng độcơ chất [S].
Từphương trình (17) có thểđược sắp xếp lại như sau:
(18)
Nếu vẽ đồ thị 1/V so với 1/[S] thì có được một đường thẳng với hệ số là y = 1/Vmax và độ dốc là KM/Vmax , được gọi là đồ thị Lineweaver-Burke (Hình 2.10).
Hình 2 10: Đồ thị thể hiện phương trình Lineweaver-Burke
Từ phương trình (18), khi [S] = Km, thì V = Vmax/2. Do đó, khi KM bằng với nồng độ cơ chất mà tại đó tốc độ phản ứng là một nửa giá trị cực đại của nó. Nói cách khác, nếu một loại enzyme có giá trị Km nhỏthì nó đạt được hiệu quả tối đa khi xúc tác ở nồng độ cơ chất thấp. Giá trị Km của một enzyme phụ thuộc vào các cơ chất khác nhau. Ngoài ra, KM cũng phụ thuộc vào độ pH và nhiệt độ mà tại đó phản ứng được thực hiện.