1.1- Bản chất hóa học của enzyme
Bản chất hóa học của enzyme là protein hay nói cách khác enzyme là những protein ựặc hiệu làm nhiệm vụ xúc tác các phản ứng hóa sinh học trong cơ thể sống.
Enzyme có ựầy ựủ mọi tắnh chất của protein, như: - Tắnh tan: ựa số tan trong H2O, dung dịch muối lỏng. - Không bền ựối với tác dụng của nhiệt ựộ.
- Mất khả năng hoạt ựộng nếu protein bị biến tắnh dưới tác dụng lý, hóa khác nhau.
- Tắnh lưỡng tắnh - có thể phân tách bằng phương pháp ựiện di. 1.2- Cấu trúc
Dựa vào cấu tạo phân tử enzyme người ta chia enzyme thành 2 nhóm: - Enzyme một cấu tử là những enzyme mà trong phân tử chỉ có thành phần
protein.
- Enzyme hai cấu tử: Là những enzyme mà trong phân tử ngoài protein còn có chứa một nhóm ngoại không có bản chất của protein. Phần protein ựược gọi là Apoenzyme còn phần không phải protein ựược gọi là Coenzyme hay còn gọi là nhóm ngoại. Trong phân tử enzyme, phần protein và phần Coenzyme ựược liên kết chặt chẽ với nhau,
Vắ dụ: Enzyme 1 cấu tử như Pepxin, Amilase, Urease.
đối với các enzyme 2 cấu tử thì Coenzyme trực tiếp tham gia phản ứng xúc tác, giữ vai trò quyết ựịnh kiểu phản ứng mà enzyme xúc tác, còn Apoenzyme có tác dụng nâng cao cường lực xúc tác của Coenzyme và quyết ựịnh tắnh ựặc hiệu của enzyme.
Vắ dụ: Enzyme 2 cấu tử như: Catalase, Peroxydase (2 enzyme này có nhóm ngoại giống nhau (nhân Hem.Fe), nhưng phần Apoenzyme khác nhau nên xúc tác 2 phản ứng hóa học khác nhau:
- Catalafa: phân ly 2 H2O2 2 H2O + O2 - Peroxidafa: phản ứng oxy hóa khử 2 H2O2 2 H2O + 2 O
Trong nhóm enzyme 2 cấu tử, nhiều enzyme có Coenzyme là những vitamin, vắ dụ:
+ Coenzyme của aminotransferase là vitamin B6 + Dehydrogenase hiếu khắ chứa vitamin B2 + Dehydrogenase kỵ khắ chứa vitamin PP 1.3- Cấu trúc trung tâm hoạt ựộng của enzyme
Trong qúa trình xúc tác của enzyme luôn có giai ựoạn tạo thành phức enzyme cơ chất.
Sự kết hợp ựặc hiệu giữa enzyme và cơ chất chỉ xảy ra trên một phần xác ựịnh của phân tử enzyme. Phần của enzyme tham gia trực tiếp vào phản ứng ựể kết hợp vào cơ chất ựược gọi là trung tâm hoạt ựộng của enzyme.
- Ở các enzyme 1 cấu tử, trung tâm hoạt ựộng của enzyme do 1 số nhóm chức của axắt amin trong thành phần phân tử của enzyme phối hợp tạo thành (thông qua các cấu trúc bậc 2, 3, 4 mà các nhóm chức có ựiều kiện nằm kề nhau), các nhóm ựó như : Ở OH, Ở SH, Ở COOH, Ở NH2, ... - Ở các enzyme 2 cấu tử, ngoài phần mạch polypeptit thực hiện nhiệm vụ
kết hợp, ựặc biệt tham gia vào việc tạo thành trung tâm hoạt ựộng, còn có các nhóm chức của Coenzyme hoặc nhóm ngoại của phân tử enzyme. * Một số enzyme: trong phân tử có thể chứa 2 hoặc nhiều trung tâm hoạt ựộng, vắ dụ: Alcoldehydrogenase của nấm men có 4 trung tâm hoạt ựộng, của gan có 2 trung tâm hoạt ựộng.
* Giữa các nhóm chức tham gia tạo thành tâm hoạt ựộng của enzyme thường phân biệt các nhóm của" tâm xúc tác" tham gia trực tiếp vào hoạt ựộng xúc tác của enzyme và các nhóm của " miễn tiếp xúc" làm nhiệm vụ ựảm bảo tắnh ựặc hiệu của enzyme, nghĩa là sự kết hợp ựặc hiệu ựể tạo thành phức enzyme- cơ chất (E Ở S). Sự phân biệt này chỉ là tương ựối vì lúc nào cũng có tác dụng tương hỗ giữa chúng.
* Ngoài ra ở một số enzyme còn có " tâm dị không gian "- là phần của enzyme, khi kết hợp với các chất có phân tử nhỏ nào ựó thì cấu trúc bậc 3 của toàn bộ phân tử enzyme sẽ bị biến ựổi ( làm biến ựổi cấu trúc của tâm hoạt ựộng, do ựó kèm theo sự biến ựổi hoạt tắnh của enzyme.
* Ở một số loại enzyme ngoài dạng hoạt ựộng còn tồn tại dạng không hoạt ựộng ựược gọI là tiền enzym hay Zimogen, vắ dụ: Pepxinogen, Tripxinnogen, Kimotripxinogen, ...
để chuyển chúng sang dạng hoạt ựộng, phải qua qúa trình hoạt hóa. Qúa trình này thường xảy ra sự ựứt một số liên kết peptit trong phân tử zimogen. Loại bỏ ựi ựoạn peptit có tác dụng kìm hãm hoặc bao vây các nhóm hoạt ựộng của enzyme - khi cắt bỏ ựoạn peptit kìm hãm ựi (sự sắp xếp lại nội tại phân tử) hình thành trung tâm hoạt ựộng.
1.4- Cường lực xúc tác và tắnh tác dụng ựặc hiệu của enzyme
Tốc ựộ của một phản ứng hóa học ựược xác ựịnh bởi gắa trị của năng lượng hóa học (năng lượng dư thừa mà các phản ứng phải có trên mức ựộ năng lượng tế bào của các phân tử ựể có thể phá vỡ các liên kết có trong chúng và sau ựó có thể xuất hiện các loại mới. Năng lượng hóa học của phản ứng nào ựó càng lớn, tốc ựộ của phản ứng sẽ càng nhỏ và ngược lại năng lượng hóa học càng nhỏ, tốc ựộ phản ứng hóa học sẽ càng lớn, như vậy - chất xúc tác bằng con ựường nào ựó làm giảm năng lượng hóa học của phản ứng hóa học. để có thể hình dung ựược cụ thể về sự sai khác của năng lượng giữa năng lượng tự do ở ựầu và cuối phản ứng, chúng ta so sánh với thế năng của một vật nặng bất kỳ nào ựó: nếu vật nặng này nằm ở sườn núi trong các hố thì lúc ựầu phải nâng nó lên tới miệng hố ựể rồi sau ựó khi là xuống thấp nó sẽ chuyển vào một hố khác ựạt tới trạng thái ổn ựịnh.
Ghi chú:
I - Năng lượng hoạt hóa
II - Sự thay ựổi năng lượng tự do A - Phản ứng không có xúc tác B - Phản ứng có xúc tác
Chất xúc tác có tác dụng hạ thấp năng lượng hóa học ( làm tăng vận tốc phản ứng (các chất xúc tác không ảnh hưởng ựến trạng thái cân bằng của phản ứng).
- Trong các phản ứng sinh học thì enzyme là những chất xúc tác. So với các chất xúc tác vô cơ thì enzyme có cường lực xúc tác mạnh hơn nhiều lần, vắ dụ như thủy phân ựường mắa:
Bằng ion H+ thì năng lượng hoạt hóa là 25.600 kcal/phân tử Bằng βỞfructofuranolidase nấm men → 9.400 kcal/phân tử Bằng βỞfructofuranolidase ựại mạch → 13.000 kcal/phân tử
- Khác với chất xúc tác vô cơ, enzyme chỉ tác dụng lên một cố cơ chất và kiểu nối hóa học nhất ựịnh trong phân tử: Tắnh chất ựó ựược gọi là tắnh ựặc hiệu, người ta phân biệt các dạng ựặc hiệu sau :
1,- đặc hiệu quang học:
Enzyme chỉ có khả năng tác dụng lên một dạng ựồng phân quang học nhất ựịnh (hoặc là dạng D hoặc là dạng L, có thể là dạng Cis hoặc dạng Trans, ...), vắ dụ: H COOH COOH \ / Fumarathydratase ← C = C ⇔ OH Ở CH Axit L - malic / \ Ở H2O HOOC H Ở CH2 Trans axit fumaric COOH
COOH CH Ở COOH Fumarat ║
↑ HO Ở CH → HOOC Ở CH - dehydeogenase
Axit L Ở malic CH2 Axit fumaric
COOH
Enzyme fumaratựehyrogenase không tác dụng lên dạng D của axit malic - vì trung tâm hoạt ựộng của enzyme có cấu trúc tương ứng với cơ chất dạng ựồng phân L (tạo E - S).
Theo thuyết ựa ái lực của Berman và Fruton trong cơ chế ựặc hiệu quang học là E phải kết hợp với cơ chất ắt nhất ở 3 ựiểm.
2,- đặc hiệu tuyệt ựối:
Enzyme chỉ có khả năng tác dụng lên một cơ chất nhất ựịnh. Trong trường hợp này thì cấu trúc trung tâm hoạt ựộng của enzyme tương ứng chặt chẽ với cơ chất, nếu có một sự sai khác nhỏ nào ựó thì cũng ựủ làm cho enzyme không thể sai khác ựược. (Xem vắ dụ dưới)
NH2 NH2 NH2 ( CH2)3 arginaza C = NH → C Ở NH2 + CH Ở NH2 ║ NH O COOH ( CH2)3 U rê L Ở ornitin dạng este CH Ở NH2 ↑
Thay COOCH3 ← COOH L Ở arginin
Nếu ta thay ựổi bất kỳ nhóm nào trong phân tử thì cũng ựủ làm cho phân tử enzyme không hoạt ựộng ựược như nếu thay arginin bằng este metylic của arginin thì phản ứng sẽ không xảy ra.
3,- đặc hiệu tương ựối:
Là trường hợp enzyme có khả năng tác dụng lên một kiểu nối hóa học nhất ựịnh mà không phụ thuộc vào bản chất hóa học của các cấu tử tham gia tạo thành mối liên kết ựó.Vắ dụ như:
Ớ lipase → thủy phân tất cả các liên kết este trong lipit
Ớ aminopeptidase → thủy phân nhiều liên kết peptit trong ựoạn peptit hay protein.
4,- đặc hiệu nhóm:
Enzyme có khả năng tác dụng lên một kiểu nối hóa học nhất ựịnh với ựiều kiện một trong hai cấu tử tham gia tạo thành liên kết phải có cấu tạo xác ựịnh.
Có thể lấy vắ dụ: Enzyme protease cắt liên kết peptit ở ựầu mạch hoặc cuối chuổi protein:
NH2 Ở CH Ở CO Ở NH ...ẦẦẦ.CO Ở NH Ở CH Ở COOH