CHƯƠNG ENZYME VÀ SỰ XÚC TÁC SINH HỌC Để sống phát triển, thể sinh vật phải thường xuyên trao đổi chất trao đổi lượng với mơi trường bên ngồi Các q trình tiến hành nhờ phản ứng hóa sinh xẩy thể theo quy luật có tổ chức có liên quan chặt chẽ với Đặc điểm chung phản ứng xảy cách đặc hiệu, dễ dàng với vận tốc lớn điều kiện môi trường sinh lý nhiệt độ thể Sở dĩ phản ứng tiến hành thể có đặc điểm nhờ chất xúc tác đặc biệt có khả làm tăng vận tốc phản ứng lên gấp bội, chất xúc tác sinh học Enzyme chất xúc tác sinh học có chất protein làm nhiệm vụ xúc tác cho phản ứng hóa sinh xảy thể sinh vật Enzyme tồn tất tế bào sống động vật, thực vật, vi sinh vật Các phản ứng enzyme xúc tác xảy thể sống thể Hiện tách nhiều enzyme khác từ nguồn động vật, thực vật, đặc biệt từ vi sinh vật, có nhiều loại thu nhận với độ khiết cao Xúc tác enzyme có nhiều ưu điểm hẳn xúc tác thông thường cường lực xúc tác lớn, tính đặc hiệu cao, khơng độc, tác dụng điều kiện nhẹ nhàng, đơn giản Hơn sản xuất enzyme từ nguyên liệu giá rẻ đem lại hiệu kinh tế cao, nhờ việc ứng dụng enzyme rộng rãi ngành công nghiệp nhẹ, công nghiệp thực phẩm, nông nghiệp, y học nghiên cứu khoa học nhanh chóng có bước tiến dài ngày có nhiều triển vọng tốt đẹp I – KHÁI NIỆM VỀ SỰ XÚC TÁC NÓI CHUNG Tốc độ phản ứng hóa học xác định giá trị lượng hoạt hóa tức lượng chất tham gia phản ứng phải đạt mức lượng bình thường chúng để cắt đứt liên kết cần thiết hình thành liên kết Năng lượng hoạt hóa phản ứng lớn tốc độ phản ứng chậm ngược lại Việc đưa số chất vào hệ thống vốn có tác dụng làm tăng tốc độ phản ứng hóa học gọi xúc tác Trong trình xúc tác, chất xúc tác làm giảm lượng hoạt hóa phản ứng hóa học Năng lượng cần để xảy va chạm có hiệu lực dẫn đến phản ứng hóa học gọi lượng hoạt hóa 37 Năng lượng tự Trong trình xúc tác, chất xúc tác tham gia vào phản ứng trung gian sau chúng lại phục hồi nhanh chóng, chất xúc tác khơng đóng vai trị chất tham gia phản ứng Tốc độ phản ứng thuận nghịch chất xúc tác làm tăng theo hai chiều Điều nói lên rằng: chất xúc tác khơng định chiều phản ứng, chúng thúc đẩy cho phản ứng đạt đến cân cách nhanh chóng Ảnh hưởng chất xúc tác làm giảm lượng hoạt hóa Trong đồ thị sau: A chất phản ứng, B sản phẩm phản ứng Phản ứng enzyme xúc tác Phản ứng không xúc tác Năng lượng Năng lượng hoạt hóa hoạt hóa có enzyme xúc tác A B 6G1 6G2 Chiều phản ứng II – ENZYME LÀ CHẤT XÚC TÁC SINH HỌC Những luận sau chứng minh chất xúc tác enzyme: a) Cũng chất xúc tác nói chung, enzyme làm tăng nhanh tốc độ phản ứng Enzyme không định chiều hướng phản ứng b) Enzyme khơng đóng vai trị chất tham gia phản ứng phương trình phản ứng Trong trình xúc tác, lượng enzyme không thay đổi c) Cũng chất xúc tác khác, enzyme làm giảm lượng hoạt hóa cần thiết phản ứng hóa học Nói cách khác lượng hoạt hóa phản ứng giảm nhiều có xúc tác enzyme 38 III - BẢN CHẤT HÓA HỌC CỦA ENZYME 3.1 Enzyme chất xúc tác có chất protein Trong phát triển hóa sinh học, bước nhảy vọt đạt người ta thực thành công việc tách rút chất xúc tác sinh học khỏi tế bào nghiên cứu tính chất chúng, lúc người ta nhận biết enzyme có chất protein Năm 1926, Sumner người thu urease dạng kết tinh Cho đến có khoảng 150 enzyme rút dạng tinh khiết Trong số enzyme đó, số biết trọn vẹn cấu trúc bậc I ribonuclease, trypsin, chymotrypsin, … Ngày người ta xác nhận rằng, enzyme nhóm protein quan trọng Chúng hình thành tế bào protein đơn giản (enzyme thành phần) protein phức tạp (enzyme hai thành phần) Trong số enzyme đa số enzyme hai thành phần Dạng hoạt động enzyme hai thành phần bao gồm phần protein phần khơng có chất protein gọi nhóm prostetic (nhóm ngoại, nhóm ghép, …) Enzyme thành phần protein đơn giản thực chức xúc tác Ví dụ: Ribonuclease A số enzyme thủy phân protein số enzyme khác 3.2 Các nhóm ghép, coenzyme Bên cạnh phần protein enzyme hai thành phần cịn chứa phần khơng có chất protein Người ta gọi phần protein cần thiết bắt buộc hoạt động enzyme nhóm ghép (nhóm ngoại, nhóm thêm, yếu tố phụ, …) phần protein vốn liên kết với nhóm apoenzyme, phức hợp hai thành phần holoenzyme (enzyme hai thành phần) Trong trường hợp nhóm ghép chất hữu có trọng lượng phân tử bé liên kết với phần protein nhóm ghép gọi coenzyme Theo cách thì: Apoenzyme + Coenzyme Holoenzyme Nếu đứng riêng rẽ coenzyme apoenzyme khơng có khả xúc tác Chỉ có lúc phần kết hợp với hoạt tính xúc tác enzyme thể Bản chất hóa học coenzyme khác nhau: - Một số loại vitamin Sự liên quan chức vitamin coenzyme giới thiệu bảng sau: 39 Coenzyme NAD, NADP FAD FMN Coenzyme A Thiaminpyro(P) Pyridoxal(P) Chức - Chuyển H+ e- Chuyển H+ e- Vận chuyển gốc acyl - Phân giải háo khí tổng hợp acid béo - Khử carboxyl hóa - Chuyển nhóm aldehyd - Chuyển amine hóa - Khử carboxyl hóa Vitamin tương ứng PP B2 Pantotenic acid(B3) B Thiamine(B1) Pyridoxine(B6) - Các ion kim loại có vai trò cần thiết bắt buộc cho hoạt động enzyme Các ion (cation) có chức giống với coenzyme Người ta gọi ion kim loại coenzyme đơn giản Các enzyme cần ion kim loại cho việc thực chức gọi metalloenzyme Chức ion kim loại nói chung phần nhiều chúng tạo phức hợp kiểu chelate nhóm định chất enzyme Trước tiên cation tạo phức “ion kim loại – chất”, sau phức hợp phản ứng với enzyme Các ion Ca, Cu, Mg, Mn, Mo, Zn, … ion tham gia hoạt động enzyme 3.3 Tính đặc hiệu enzyme Khả xúc tác với tính đặc hiệu cao đặc tính quan trọng enzyme Tính đặc hiệu enzyme thể chỗ: enzyme xúc tác cho vơ số chuyển hóa có chất Có hai loại đặc hiệu đặc hiệu phản ứng đặc hiệu chất * Tính đặc hiệu phản ứng: thể chỗ enzyme có khả lựa chọn dạng phản ứng số phản ứng xúc tác cho phản ứng Điều thấy rõ ví dụ sau đây: 40 R1 – C – COOH H2O oxidase 2H R1 – CH – COOH NH2 Aminoacid(1) NH3 O Cetoacid(1) decarboxylase Transaminase + R1 – CH2 NH2 + CO2 Amine R2 – CH – COOH NH2 R2 – C – COOH O Cetoacid(2) Aminoacid(2) R1 – C – COOH O Cetoacid(1) Dưới tác dụng oxidase, aminoacid bị khử amine hóa cách oxy hóa để tạo cetoacid NH3 Với có mặt oxidase, phản ứng khác khử carboxyl hóa lại khơng thể xảy Việc xúc tác địi hỏi phải có enzyme khác, decarboxylase Cũng vậy, phản ứng chuyển amine hóa địi hỏi phải có transaminase * Tính đặc hiệu chất: Enzyme lựa chọn chất tham gia phản ứng Khơng phải chất có khả phản ứng enzyme “tiếp nhận” Mỗi enzyme chuyên xúc tác cho một vài chất định mức độ đặc hiệu tùy thuộc vào loại enzyme Có mức độ đặc hiệu chất chủ yếu: a) Đặc hiệu tương đối: Enzyme tác dụng lên kiểu liên kết hóa học định mà khơng phụ thuộc vào nhóm hóa học nằm hai bên liên kết Ví dụ esterase tác dụng lên hàng loạt ester phosphoric acid 41 b) Đặc hiệu nhóm: biểu enzyme tác dụng lên kiểu liên kết hóa học định hai nhóm nằm hai bên liên kết phải có cấu tạo định Ví dụ carboxylpeptidase có khả phân hủy liên kết peptide gần nhóm –COOH tự do, nghĩa liên kết peptide cuối mạch polypeptide, … CH – CONH – CH – COOH R1 CH – COOH + H2N – CH – COOH R2 R1 R2 c) Đặc hiệu tuyệt đối: Enzyme tác dụng lên kiểu liên kết định nhóm hóa học hai bên liên kết phải xác định Ví dụ: Enzyme trypsine thủy phân liên kết peptide lysine arginine với aminoacid Sản phẩm đoạn peptide có lysine arginine chứa nhóm COOH tự phía tận peptide O O C – NH – CH – C Lysine hay Arginine R Vị trí thủy phân trypsine - Enzyme Trombine cịn có tính đặc hiệu cao trypsine: thủy phân liên kết peptide phía carboxyl gốc arginine có gốc glycine đứng liền kề sau nó: O O C – NH – CH – C Arginine Glycine Vị trí thủy phân trombine * Ngồi tính đặc hiệu nhiều enzyme cịn biểu cao tính đặc hiệu hóa học lập thể (Đặc hiệu quang học): Enzyme tác dụng lên dạng đồng phân lập thể chất hữu Ví dụ: Enzyme L-lactatdehydrogenase tác dụng lên L-lactic acid mà không tác dụng lên D-Lactic acid Muốn tác dụng lên D-Lactic acid phải có enzyme D-lactatdehydrogenase 42 IV – CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG TỚI HOẠT TÍNH XÚC TÁC CỦA ENZYME 4.1 Nhiệt độ Trong phạm vi lý học, tốc độ phản ứng tăng lên với tăng nhiệt độ Nhưng vượt phạm vi đó, phản ứng enzyme xúc tác bị ảnh hưởng biến tính phân tử protein-enzyme Kết phụ thuộc vào nhiệt độ tối thích enzyme, nhiệt độ mà tốc độ phản ứng enzyme đạt cực đại Mỗi enzyme có nhiệt độ tối thích khác Sự khác tùy thuộc vào nguồn gốc enzyme, tùy theo điều kiện khác tính nhạy cảm với nhiệt độ phân tử protein-enzyme Đa số enzyme hoạt tính xúc tác nhiệt độ cao(>80oC), trừ papain, myokinase tồn 100oC Hoạt tính Nhiệt độ tối thích 20 30 40 50 60 70 80 toC 4.2 Ảnh hưởng pH Mỗi enzyme có trị số pH tối thích hoạt tính chúng Ở phạm vi trị số hoạt tính enzyme bị giảm thấp Trị số pH tối thích số enzyme sau: Enzyme Pepsine Amylase(mạch nha) Amylase(nước bọt) Trypsine Arginase Catalase Peroxidase pH tối thích 1,5 – 2,5 4,6 – 5,0 6,8 – 7,2 7,8 – 9,5 9,8 6,8 – 7,0 6,0 43 Những nguyên nhân sau dẫn tới phụ thuộc vào pH enzyme: a) Nếu số nhóm bên tham gia trực tiếp hoạt động enzyme chứa nhóm có khả phân ly b) pH ảnh hưởng tới nhóm phân ly khác protein-enzyme vốn có tác dụng việc trì cấu hình có hoạt tính enzyme c) Sự thay đổi pH mơi trường ảnh hưởng tới nhóm phân ly chất hay coenzyme vốn kết hợp với enzyme 4.3 Ảnh hưởng chất hoạt hóa chất kìm hãm enzyme Những chất có khả làm tăng hoạt tính xúc tác enzyme gọi chất hoạt hóa enzyme Các chất thường ion kim loại như: K+, Na+, Mg+2, Ca+2, Co+2, Zn+2, Mn+2, … Ví dụ: Mg+2 làm tăng hoạt tính phosphatase Ca+2 làm tăng hoạt tính lypase Sự hoạt động enzyme bị kìm hãm tác động gây biến tính protein Người ta phân biệt hình thức kìm hãm enzyme phân biệt chất kìm hãm enzyme sau: a) Chất kìm hãm chung: chất kìm hãm hoạt tính xúc tác tất enzyme Các chất muối kim loại nặng;chất tannin b) Chất kìm hãm riêng: có tác dụng kìm hãm hay nhóm enzyme có cấu tạo gần giống Ví dụ: chất chứa nhóm – CN kìm hãm enzyme hơ hấp 4.4 Nồng độ chất nồng độ enzyme Khi mơi trường có đầy đủ chất tốc độ phản ứng tỷ lệ thuận với lượng enzyme Khi nồng độ chất thấp, không đủ để lôi kéo tất lượng enzyme vào phản ứng tốc độ phản ứng tăng tỷ lệ thuận với nồng độ chất.Tốc độ phản ứng đạt tối đa tất enzyme kết hợp vào chất V – CƠ CHẾ XÚC TÁC CỦA ENZYME Khi đặt vấn đề nghiên cứu chế xúc tác enzyme người ta xuất phát từ giả thiết cho phản ứng enzyme xúc tác, phức tạm thời “Enzyme – Cơ chất” tạo thành Quá trình gồm giai đoạn: E+S ES* ES E+P 44 Ở giai đoạn phản ứng xảy tương đối nhanh chất (S) liên kết với enzyme (E) nhờ liên kết yếu Lúc liên kết không gian phân tử chất enzyme chưa đủ hiệu xúc tác enzyme Ở giai đoạn xảy biến đổi chất (S) có liên quan tới việc phá vỡ hay hình thành liên kết cộng hóa trị Ở giai đoạn này, chất hoạt hóa (một vài phức chất ES chuyển tiếp hoạt hóa) Ở đây, cấu trúc bậc enzyme biến đổi tạo khả tiếp xúc nhóm hoạt động enzyme với chất biến đổi Enzyme làm biến đổi phần tử chất làm cho liên kết bên phân tử trở nên “lỏng lẻo” hơn, cần lượng lượng nhỏ đủ làm cho chất biến thành sản phẩm (P) khác Người ta chứng minh hình thành phức chất ES có q trình đồng thời xảy nhanh chóng là: a) Sự thay đổi mật độ điện tử gây nên phân cực hóa liên kết b) Sự biến dạng mặt hóa học liên kết “kéo căng” phân tử chất Cả hai yếu tố (sự biến hình phân cực hóa liên kết đồng hóa trị) làm tăng nhiệt động học liên kết này, nghĩa xúc tiến việc vượt qua “hàng rào” lượng hoạt hóa q trình chuyển tiếp phức “Enzyme-Cơ chất” VI - ĐỘNG HỌC CỦA PHẢN ỨNG ENZYME 6.1 Động học phản ứng enzyme trường hợp khơng có chất kìm hãm 6.1.1 Ở giai đoạn: E + S E+S ES K+1 ES K-1 K+1: số vận tốc phản ứng thuận K-1: số vận tốc phản ứng nghịch Gọi V1 tốc độ phản ứng thuận V-1 tốc độ phản ứng nghịch [E]: nồng độ enzyme [S]: nồng độ chất Ta có: V1 = K+1([E] [S]) V-1 = K-1[ES] (1) 45 Khi phản ứng đạt đến cân (enzyme phản ứng hết với chất) V1 = V-1 nghĩa là: K+1([E] [S]) = K-1[ES] K−1 [E] ⋅ [S] từ ta có: = [ES] K+1 Nếu gọi Ks số cân phản ứng bậc I, ta có: [E][S] K Ks = Ks = −1 (2) [ES] K+1 * Nếu Ks có giá trị lớn K-1 lớn K+1 nhỏ Từ ta thấy phức hợp ES dễ phân giải thành chất S E Phản ứng enzyme tiến hành chậm * Nếu Ks có giá trị nhỏ tốc độ tạo ES nhanh đồng thời phản ứng enzyme tiến hành nhanh Vậy Ks nhỏ nồng độ ES cao Ở giai đoạn ta tính được: Ks = [E]⋅ [S] [ES] Hay viết dạng khác là: [E] [S] = Ks[ES] (3) Nếu gọi [Eo] nồng độ chung enzyme trước bắt đầu tham gia phản ứng [E]: nồng độ enzyme dạng tự (không tạo phức hợp) [ES]: nồng độ phức hệ ES nồng độ enzyme khơng tạo phức hợp (ở dạng tự do) là: [E] = [Eo] - [ES] (4) Thay vào phương trình (3), ta có: ([Eo] - [ES]) [S] = Ks [ES] Triển khai: [Eo] [S] - [ES] [S] = Ks [ES] hay là: Ks [ES] + [ES] [S] = [Eo] [S] hay là: [ES](Ks + [S]) = [Eo] [S] Từ [ES] = [Eo] [S] K s + [S] [ES] = [Eo ] [S] K s + [S] (5) Như nồng độ [ES] lớn tốc độ phản ứng enzyme lớn (Vì Ks lúc nhỏ).Tốc độ đạt tới tối đa nồng độ phức hệ [ES] nồng độ enzyme ban đầu [Eo] ([ES] = [Eo]) nghĩa tất enzyme kết hợp với chất phản ứng enzyme tối đa 46 Phương trình có dạng y = ax + b đường biểu diễn có dạng đường thẳng sau: V Vmax − Km [S] Qua đồ thị xác định Vmax Km 6.2 Động học phản ứng enzyme trường hợp có chất kìm hãm Trong trường hợp có chất kìm hãm cạnh tranh hay khơng cạnh tranh giá trị V phản ứng bao gồm số Ki (Ki số phân li phức hợp enzyme-chất kìm hãm EI hay cịn gọi số kìm hãm) Hằng số Ki tính nhờ phương trình sau: Ki+1 E+I EI Ki-1 [E]⋅ [I] K i −1 = [EI] K i +1 * Các chất kìm hãm cạnh tranh: chất thường có cấu tạo gần giống với chất Các chất kìm hãm cạnh tranh có tính đặc hiệu cao, nghĩa kìm hãm enzyme riêng biệt Ví dụ: Malonic acid chất kìm hãm cạnh tranh enzyme succinat-dehydrogenasa có cấu tạo gần giống succinic acid Ki = CH2 – COOH CH2 – COOH COOH Malonic acid CH2 – COOH Succinic acid 51 Khi tăng nồng độ chất kìm hãm cạnh tranh * Các chất kìm hãm khơng cạnh tranh: chất có tác dụng kìm hãm hoạt động enzyme cách gắn vào vị trí khác với vị trí gắn chất enzyme Trong trường hợp làm giảm V cực đại phản ứng khơng ảnh hưởng đến số Km Ví dụ: Các ion kim loại nặng Ag+2; Hg+; Trichloroacetic acid 6.2.1.Động học phản ứng enzyme trường hợp có chất kìm hãm cạnh trạnh Việc tính tốn Vi phức tạp ta có đồng thời với q trình gắn E với chất, cịn có q trình gắn E vào chất kìm hãm I E+S K+1 ES K+2 E+P K-1 E+I Ki+1 EI Ki-1 Bằng cách tính tốn ta có : Vi = Vi max [S] ⎛K ⎞ K m + [S] + ⎜ m [I]⎟ ⎜K ⎟ ⎝ i ⎠ Phương trình giống phương trình Michaelis có thêm Km [I] để phản ánh q trình kìm hãm chất kìm hãm cạnh tranh Ki * Cũng tính Vi cách : 1 ⎛ K [I] ⎞ = ⎜Km + m ⎟ + Vi Vi max ⎜ K i ⎟ [S] Vi max ⎝ ⎠ 52 6.2.2.Động học phản ứng enzyme trường hợp có chất kìm hãm không cạnh tranh: Trong trường hợp người ta thấy chất kìm hãm khơng cạnh tranh gắn vào enzyme tự vào phức hệ ES theo phản ứng sau: E+S K+1 ES K+2 E+P K-1 E+I Ki+1 EI Ki-1 ES + I Ki+2 IES Ki-2 EI + S Ki+3 IES Ki-3 Cách tính phức tạp hơn: - Giả thiết K+2 nhỏ so với K+1 K-2, phức hợp IES không tạo thành sản phẩm tương ứng số cân có giá trị (tương ứng với phản ứng ghi trên), cách tính có: Vi = K +2 [E o ][S] ⎛ ⎞ (K s + [S]).⎜1 + [I] ⎟ ⎜ K ⎟ i ⎠ ⎝ tính theo dạng khác: ⎛ [I] ⎞ ⎛ + K m ⎞ = ⎜1 + ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ K ⎟ ⎜V Vi ⎝ Vmax [S] ⎟ i ⎠ ⎝ max ⎠ Khi so sánh tốc độ phản ứng khơng bị kìm hãm với tốc độ phản ứng có chất kìm hãm không cạnh tranh người ta thu tỉ lệ sau: 53 [I] Vo = 1+ Ki Vi Vo tốc độ ban đầu phản ứng enzyme khơng có chất kìm hãm K [E ][S] Vo = +2 o từ (8) K s + [S] Ở Ks thay vào chỗ Km K+2 nhỏ so với K-1 nghĩa Km = Ks Như thấy rằng: Sự biến đổi tương đối hoạt tính enzyme có chất kìm hãm khơng cạnh tranh phụ thuộc vào nồng độ chất kìm hãm mà khơng phụ thuộc vào nồng độ chất [S] V * Đối với chất kìm hãm cạnh tranh tỉ lệ o có dạng: Vi Vo Km Ki [I] từ phương trình ta thấy biến đổi =1+ Vi K m + [S] hoạt tính enzyme có chất kìm hãm cạnh tranh phụ thuộc vào nồng độ chất nồng độ chất kìm hãm Có thể biểu diễn tốc độ phản ứng enzyme trường hợp có chất kìm hãm cạnh tranh khơng cạnh tranh đồ thị: V V Vmax = Vimax Km Kmi V Vmax [S] Km = Ki V 1 = Vmax Vi max Vimax [S] Vi max Vmax − 1 − [S] Km K mi – có chất kìm hãm – khơng có chất kìm hãm Có chất kìm hãm cạnh tranh − 1 =− Km K mi [S] Có chất kìm hãm khơng cạnh tranh 54 Tóm tắt: (Tất phương trình sau dùng cho trường hợp chất tham gia vào phản ứng) Khơng có chất kìm hãm Phương trình = V Km + Vmax [S] Vmax Đoạn thẳng trục tung điểm Vmax Đoạn thẳng cắt trục hồnh điểm [S] Có chất kìm hãm cạnh tranh = Vi ⎛ K [I] ⎞ ⎜Km + m ⎟ ⎜ Vi max ⎝ Ki ⎟ ⎠ 1 + [S] Vi max Vmax − Km Vmax − ⎛ [I] ⎞ ⎟ K m ⎜1 + ⎜ Ki ⎟ ⎝ ⎠ Có chất kìm hãm khơng cạnh tranh Vi = ⎛ [I] ⎞ ⎜1 + ⎜ K ⎟ ⎟ i ⎠ ⎝ ⎛ Km ⎞ ⎜ ⎟ + + ⎜V ⎟ ⎝ i max Vi max [S] ⎠ Vmax ⎛ ⎜ ⎝ ⎜1 + − [I] ⎞ ⎟ Ki ⎟ ⎠ Km 55 VII CÁCH GỌI TÊN VÀ PHÂN LOẠI ENZYME Trong thời gian chế tác dụng enzyme chưa nêu ra, người ta đặt cho số enzyme tên riêng biệt pepsine, trypsine, chymotrypsine, papaine, bromeline, … Khi số enzyme biết ngày nhiều tên enzyme gọi theo nguyên tắc sau đây: Tên enzyme = (tên chất mà enzyme xúc tác + loại phản ứng mà enzyme xúc tác + tiếp vị ngữ “ase”) Ví dụ: AscorbatAscorbic acid + ½ O2 Dehydroascorbic acid + H2O oxidase CH2 – COOH CH2 – COOH Succinic acid Succinat+ FAD dehydrogenase CH – COOH + FAD.H2 CH –COOH Fumaric acid Việc phân loại enzyme cơng việc khó khăn số enzyme mà chế xúc tác hiểu biết cách tường tận khơng nhiều Việc phân loại enzyme dựa theo nguyên tắc là: lấy sở kiểu phản ứng enzyme xúc tác mà Hiệp hội Hóa sinh Quốc tế đề xuất năm 1964 Năm 1973 hệ thống phân loại lại tiếp tục hoàn thiện Ủy ban danh pháp Hóa sinh thuộc Hiệp hội hóa học ứng dụng Quốc tế (IUPAC) Trên sở tất enzyme phân chia nhóm chủ yếu sau: Oxydoreductase Lyase Transferase Isomerase Hydrolase Synthetase (Ligase) Các số thập phân bảng phân loại có ý nghĩa sau: - Số thứ nhóm (Ví dụ nhóm 2: transferase) - Số thứ hai qui định số đặc tính phản ứng (Ví dụ: 2.1 cho biết enzyme vận chuyển gốc carbon) - Số cho biết chi tiết (Ví dụ 2.1.1: có nghĩa enzyme vận chuyển nhóm methyl…) Tuy nhiên tên gọi truyền thống enzyme sử dụng VIII CÁC NHÓM ENZYME RIÊNG BIỆT 8.1 Oxydoreductase (các enzyme oxy hóa khử) 56 Các enzyme nhóm làm nhiệm vụ xúc tác cho phản ứng oxy hóa khử Chúng chuyển vận H+ hay điện tử xúc tác cho oxy hóa sinh học Các enzyme có vai trị to lớn q trình hơ hấp trao đổi lượng thể Sơ đồ tổng quát phản ứng xúc tác oxydoreductase sau: AH2 + B A + BH2 oxydoreductase Trong AH2 chất; B chất nhận H đó, O2 Trong tế bào oxydoreductase tạo nên hệ thống (được gọi chuỗi enzyme oxy hóa khử), việc vận chuyển nguyên tử hydro (H+ e-) qua nhiều giai đoạn, từ chất đến chất nhận cuối O2 Kết nguyên tử hydro vận chuyển đến O2 tạo thành H2O Sơ đồ hệ thống enzyme hô hấp việc vận chuyển H+ e- trình bày tổng quát sau đây: 2H+, 2eAH2 NAD (NADP) 2H+, 2eNADH2 (NADPH2) FAD FADH2 2H+, 2eQ 2H+ H2O O-2 ½ O2 2e- QH2 2e2cytochrome b 2e2cytochrome c 2e2cytochrome a Tùy theo khả oxydoreductase chuyển H2 vừa lấy từ chất (AH2) đến O2 khơng khí, người ta chia oxydoreductase thành hai phân nhóm: - Dehydrogenase háo khí (oxidase) - Dehydrogenase yếm khí a) Dehydrogenase yếm khí: enzyme khơng có khả vận chuyển H+ e- từ chất oxy hóa đến trực tiếp cho O2 khơng 57 khí, mà chúng chuyển H+ e- cho chất vận chuyển trung gian khác Nhóm ghép dehydrogenase yếm khí dẫn xuất vitamin PP (B5) NAD NADP NH2 O C N (NAD+) NH2 N(+) H N CH2 – O – (P)- – O – (P)- – O – CH2 O N H N O H H OH HO H H H OH HO H Nếu là: – O – (P) NADP+ b) Dehydrogenase háo khí: enzyme có khả vận chuyển H+ e- đến trực tiếp cho O2 khơng khí Chúng enzyme hai thành phần Nhóm ghép chúng dẫn xuất vitamin B2 (Riboflavin) FMN FAD O N H3C H3C NH NH2 N N O N N CH2 (CH – OH)3 N CH2 – O – (P) – O – (P) – CH2 H FMN N FAD O H H OH HO H 58 Các enzyme chứa FMN, FAD thường khơng oxy hóa trực tiếp chất mà chúng lấy H2 từ NADH2 (hoặc từ NADPH2) chuyển điện tử cho hệ cytochrome Đa số enzyme chứa FMN tác dụng trực tiếp với O2 khơng khí tạo thành H2O2 Ví dụ: enzyme glycolatoxidase xúc tác cho phản ứng oxy hóa glycolic acid theo sơ đồ sau: COOH Glycolatoxidase CH2OH Glycolic acid O C–H FMN H2O2 FMNH2 O2 COOH Glyoxilic acid 8.2 Nhóm transferase (các enzyme vận chuyển) Các enzyme nhóm làm nhiệm vụ vận chuyển nhóm hóa học từ hợp chất sang hợp chất khác mà khơng làm thay đổi hóa trị nguyên tố Sơ đồ tổng quát: Ax + B A + Bx transferase x: nhóm vận chuyển Tùy thuộc vào x mà ta có tên enzyme vận chuyển khác Ví dụ: Acyltransferase: x gốc acid béo có gốc acetic acid Đây enzyme hai thành phần nhóm hoạt động HS-CoA có cấu tạo sau: NH2 N H3C N CH3 O CH2 – O – (P) – O – (P) – O O N N H H OH H O – (P) H NH OH O SH NH 59 - Glycozyltransferase: Nếu x gốc glycozyl - Aminotransferase: Nếu x nhóm amin (– NH2 ) - Methyltransferase: Nếu x nhóm (CH3) - Aldotransferase: Nếu x nhóm aldehyd - Cetotransferase: Nếu x nhóm cetone - Phosphotransferase: Nếu x gốc H3PO4 Enzyme cịn có tên là: a) Kinase: Nếu xúc tác cho phản ứng chuyển gốc H3PO4 mà ATP nhóm hoạt động enzyme Ví dụ: Glycerine + ATP Glycerol(P) + ADP Kinase b) Mutase: enzyme vận chuyển gốc H3PO4 nội phân tử chất Ví dụ: Enzyme hexoso(P)-mutase xúc tác cho phản ứng sau: CH2OH O H H HO H Hexoso(P) - OH H O – (P) H OH Glucoso-1(P) mutase CH2 – O – (P) O H H H HO OH H OH H OH Glucoso-6(P) 8.3 Nhóm hydrolase (các enzyme thủy phân): Các enzyme nhóm xúc tác cho phản ứng thủy phân Sơ đồ tổng quát: R1 – R2 + H2O R1 – H + R2 – OH Hydrolase 60 Dựa vào liên kết R1 R2 mà ta có tên enzyme thủy phân khác nhau: - Peptidase: Thủy phân liên kết peptide - Glycosidase: Thủy phân liên kết glycoside - Esterase: Thủy phân liên kết ester - Amidase: Thủy phân amide R – C – NH2 + H2O Amidase R – COOH + NH3 O Amide Ví dụ: NH2 C = O + H2O Urease CO2 + 2NH3 NH2 Ure H2N – CH – COOH CH2 + H2O NH3 H2N – CH – COOH CH2 Asparaginase CONH2 Asparagin COOH Aspactic acid 8.4 Nhóm Liase (các enzyme phân cắt) Enzyme nhóm phân cắt nhóm khỏi hợp chất mà khơng có tham gia H2O Có trường hợp kết phản ứng tạo liên kết đơi Ví dụ: * Decarboxylase: xúc tác cho phản ứng sau: R – CH – COOH CO2 Decarboxylase NH2 Aminoacid R – CH2 NH2 Amine 61 * Aldolase: xúc tác cho phản ứng thuận nghịch sau: 62 Fructosodi(P) Aldehyd(P)glyceric + Phosphodioxiacetone CH2 – O – (P) O C=O C–H CH2 – OH Aldolase (CH – OH)3 CH – OH CH2 – O(P) Fructoso 1,6 di(P) + C=O CH2 – O(P) CH2 – O(P) Aldehyd(P)glyceric Phosphodioxiacetone * Hydratase (hydroliase): gồm enzyme xúc tác cho phản ứng loại trừ kết hợp H2O CH2 – COOH H2O CH2 - COOH C(OH).COOH C – COOH Aconitat-hydratase CH2 – COOH Citric acid CH - COOH Cis-aconitic acid CH2 – COOH CH – COOH H2O Aconitat-hydratase CH.OH.COOH Isocitric acid 8.5 Nhóm Isomerase (các enzyme đồng phân hóa): Các enzyme nhóm xúc tác cho phản ứng chuyển hóa chất hữu thành đồng phân chúng Ví dụ chuyển hóa dạng cetone dạng aldehyd Giữa dạng L dạng D … Ví dụ: Enzyme trioso(P)isomerase xúc tác cho phản ứng sau: O CH2 – OH C–H C=O CH – OH CH2 – O(P) Phosphodioxiacetone CH2 – O(P) Aldehyd(P)glyceric 63 Enzyme alaninracemase xúc tác cho phản ứng biến đổi L-alanine thành D-alanine ngược lại COOH COOH Alaninracemase H2N – C – H H – C – NH2 CH3 L-Alanine CH3 D-Alanine 8.6 Nhóm synthetase (các enzyme tổng hợp) Các enzyme nhóm xúc tác cho phản ứng tổng hợp chất hữu Nhóm xúc tác có mặt ATP hợp chất cao khác Vì phản ứng tổng hợp địi hỏi phải cung cấp nhiều lượng Một số ví dụ sau đây: ATP * Aspactic acid + NH3 ADP + H3PO4 Glutamine – H2O Glutaminsynthetase ATP * CH3 – COOH + HS-CoA Acetic acid Asparagine – H2O Asparaginsynthetase ATP * Glutamic acid + NH3 ADP + H3PO4 AMP + H4P2O7 Acetyl-CoA-Synthetase CH3 – C ~ S.CoA O Acetyl-CoA 64 o0o 65 ... phản ứng Phản ứng enzyme xúc tác Phản ứng không xúc tác Năng lượng Năng lượng hoạt hóa hoạt hóa có enzyme xúc tác A B 6G1 6G2 Chiều phản ứng II – ENZYME LÀ CHẤT XÚC TÁC SINH HỌC Những luận sau... coenzyme Theo cách thì: Apoenzyme + Coenzyme Holoenzyme Nếu đứng riêng rẽ coenzyme apoenzyme khơng có khả xúc tác Chỉ có lúc phần kết hợp với hoạt tính xúc tác enzyme thể Bản chất hóa học coenzyme... - BẢN CHẤT HÓA HỌC CỦA ENZYME 3.1 Enzyme chất xúc tác có chất protein Trong phát triển hóa sinh học, bước nhảy vọt đạt người ta thực thành công việc tách rút chất xúc tác sinh học khỏi tế bào