Enzyme - Tài liệu ôn thi nội trú môn Hóa sinh Đại học Y Hà Nội

Enzyme - Tài liệu ôn thi nội trú môn Hóa sinh Đại học Y Hà Nội
 

Chuyên đề 1 : Enzym  : cách gọi tên , phân loại , tính chất đặc hiệu , cấu trúc  phân tử , tác dụng ,động học enzym  , các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động của enzym  , cấu tạo và cơ chế hoạt động 1 số coenzym

1.    Cách gọi tên : 4 cách

-         Tên cơ chất + ase : urease, proteinase

-         Tên tác dụng + ase : oxidase , aminotransferase , decarboxylase

-         Tên cơ chất, tác dụng + ase : lactatdehydrogenase , tyrosin decarboxylase

-         Tên thường gọi : pepsin , trypsin , chymotrypsin …

2.    Phân loại

a.    Enzym  oxy hóa khử : xúc tác phản ứng oxy hóa và khử , nghĩa là các phản ứng  có sự trao đổi H hoặc điện tử theo phản ứng  tổng quát :

AH2+ Bà A + BH2

-         Gồm  :

o       Các dehydrogenase : sử dụng các phân tử ko phải oxy (VD: NAD⁺) làm chất nhận điện tử . VD: lactat dehydrogenase ….

o       Các oxidase :sử dụng oxy như 1 chất nhận điện tử nhưng ko tham gia vào thành phần cơ chất . VD: cytochrom oxidase …

o       Các reductase : đưa H và điện tử vào cơ chất . VD: β- cetoacyl –ACP reductase

o       Catalase : xúc tác phản ứng  2H2O2 à O2 + 2H2O

o       Các peroxidase : xúc tác phản ứng  :H2O2 +AH2à A + 2H2O

o       Các oxygenase (hydroxylase ) :gắn 1 nguyên tử O vào cơ chất . VD: cytochrom P-450 xúc tác phản ứng  : RH+ NADPH + H⁺+ O2 à ROH + NADP⁺ + H2O

b.    Enzym  vận chuyển nhóm (transferase ): lxúc tác phản ứng  vận chuyển 1 nhóm hóa học( ko phải H) giữa 2 cơ chất : AX + B à A + BX

-         Gồm :

o       Các aminotransferase : chuyển nhóm –NH2 tử acid amin vào acid cetonic . VD: aspartat transaminase , alanin transferase …

o       Transcetolase và transaldolase : chuyển đơn vị 2C và 3C vào cơ chất . VD: transscetolase , transaldolase ….

o       Các acyl-, metyl- , glucosyl –transferase , phosphorylase : chuyển các nhóm tương ứng vào cơ chất . VD: acyl CoA – cholesterol acyl transferase (ACAT) , glycogen phosphorylase …

o       Các kinase : chuyển gốc –PO3 từ ATP vào cơ chất .VD: hexokinase

o       Các thiolase : chuyển nhóm CoA –SH vào cơ chất .VD: acyl –CoA acetyltransferase( thiolase )..

o       Các polymerase : chuyển các nucleotid từ các nucleotide triphosphat (NTP) vào phân tử ADN hoặc ARN .VD: các ADN polymerase , các ARN polymerase

c.     Enzym  thủy phân (hydrolase ) : xúc tác phản ứng  cắt đứt liên kết của chất hóa học bằng cách thủy phân ,có sự tham gia của phân tử nước :

AB+ H2Oà AH + BOH

-         Gồm :

o       Esterase : thủy phân liên kết este .VD: triacylglycerol lipase

o       phosphatase : thủy phân lk este phosphat , tách–PO3- khỏi cơ chất

o       Các phospholipase : thủy phân lk este phosphat trong phospholipid

o       Các protease :thủy phân lk peptid trong phân tử protein

o       Các amidase :thủy phân lk N-osid . VD: nucleosidase

o       Các desaminase :thủy phân lk C-N , tách nhóm amin ra khỏi cơ chất .VD: adenosin desaminase , guanin desaminase

o       Các glucosidase :thủy phân lk glycosid

o       Các nuclease : thủy phân các lk este phosphat trong ADN , ARN

d.    Enzym  đồng phân (isomerase ) : xúc tác cho phản ứng  biến đổi giữa các dạng đồng phân của chất hóa học . pứ : ABCà ACB

-         gồm :

o       racemase : chuyển dạng đồng phân giữa dãy D và L

o       các epimerase : chuyển dạng đồng phân epi .VD: ribose 5-phosphat epimerase

o       các isomerase : chuyển dạng giữa nhóm ceton và nhóm aldehyd .VD: phosphopentose isomerase

o       các mutase :chuyển nhóm hóa học giữa các nguyên tử trong 1 phân tử

e.    Enzym  phân cắt(lyase ) : còn gọi là enzym  tách nhóm, là loại enzym  xúc tác cho phản ứng  chuyển đi 1 nhóm hóa học khỏi 1 cơ chất mà ko có sự tham gia của phân tử nước , phản ứng  tổng quát :ABà A+B

-         Gồm

o       Các decarboxylase :tách phân tử CO2 từ cơ chất .VD: pyruvat decarboxylase ..

o       Các aldolase :tách 1 phân tử aldehyd từ cơ chất .VD: aldolase xúc tác phản ứng  tách fructose 1,6 –diphosphat thành GAP và DHAP

o       Các hydratase :gắn 1 phân tử H2O vào cơ chất .VD: fumarase

o       Các dehydratase :tách 1 phân tử H2O khỏi 1 phân tử cơ chất .VD: β-hydroxyacyl-ACP dehydratase ..

o       Các lyase :tách đôi 1 phân tử mà ko có sự tham gia của H2O .VD: arginosuccinase

o       Các synthase : gắn 2 phân tử mà ko cần ATP .VD: ATP synthase , citrat synthase , glycogen synthase , acid béo synthase …

f.       Enzym  tổng hợp ( ligase hoặc synthetase ): là loại enzym  xúc tác cho phản ứng  gắn 2 phân tử với nhau thành 1 phân tử lớn hơn , sử dụng ATP hoặc các nucleosidetriphosphat khác để cung cấp NL , phản ứng  :

                                              

-         Gồm :

o       Các synthetase : gắn 2 phân tử cần ATP

o       Các Carboxylase : gắn CO2 vào cơ chất .VD: pyruvat carboxylase…

o       Ligase :gắn 2 đoạn nucleotid với nhau .VD: ADN ligase

3.    Cấu trúc phân tử enzym  

a.    Thành phần cấu tạo của enzym 

-         Thành phần cấu tạo của enzym :

o       Các enzym  là các protein có KLPT 12.000 đến hàng triệuDalton (Da) . Chia 2 loại : enzym  thuần và enzym  tạp

§        Enzym  thuần(enzym 1 thành phần ) :  ko đòi hỏi các nhóm hóa học cho hoạt động của chúng , phân tử chỉ do các gốc acid amin tạo nên

§        Enzym  tạp (enzym  2 thành phần ):đòi hỏi thành phần hữu cơ cho hoạt động của chúng, tức là ngoài thành phần protein , phân tử enzym  còn có chất cộng tác (cofactor ) là các ion như Fe⁺⁺, Mg⁺⁺, Mn⁺⁺, Zn⁺⁺ ,…hoặc là 1 phân tử chất hữu cơ hoặc phức hợp hữu cơ kim loại , cấu tạo nên . Một số phân tử enzym đòi hỏi cả coenzym và ion kim loại cho hoạt động của chúng . Trong phân tử enzym  tạp (còn gọi là holoenzym ), phần protein gọi là apoenzym , phần chất cộng tác gọi là cofactor : Holoenzym = Apoenzym + cofactor

o       Phần apoenzym mang những đặc tính cơ bản của enzym , phần coenzym hoặc ion KL là chất phối hợp của enzym , có vai trò bổ sung khả năng phản ứng  và khả năng xúc tác cho phân tử enzym 

o       Coenzym thường có trong thành phần các enzym  thuộc loại oxh khử và enzym  vận chuyển nhóm à thiếu coenzym thì enzym  loại này ko hoạt động . Các coenzym thường là các vitamin và dẫn xuất của chúng . 1 số coenzym  gắn chặt vào phân tử enzym , ko thể tách ra được gọi là nhóm phụ .

o       Những enzym  chứa KL hoặc cần KL cho hoạt động của nó gọi là enzym  KL (metalloenzym ) .Vai trò của KL là :

§        Tham gia trực tiếp vào phản ứng  xúc tác của enzym 

§        Hoạt động như 1 chất oxh-khử

§        Tạo thành phức hợp với cơ chất

§        VD:

·        cytochrom oxidase , catalase , peroxidase chứa Fe⁺⁺ /Fe⁺⁺⁺

·        cytochrom oxidase chứa cu⁺⁺

·        carbonic anhydrase , alcol dehydrogenase chứa Zn ⁺⁺

·        hexokinase ,G-6-phosphatase ,pyruvat kinase chứa Mg⁺⁺

·        Glutathion peroxidase chứa Se³⁺

-         Trung tâm hoạt động của enzym

o       Là 1 vùng đặc biệt của enzym  có tác dụng gắn với cơ chất để xúc tác cho phản ứng  làm biến đổi cơ chất thành sản phẩm . Mỗi enzym có 1,2 hoặc vài trung tâm hoạt động . Trung tâm hoạt động gồm những nhóm hóa học và những liên kết tiếp xúc trực tiếp với cơ chất hoặc ko tiếp xúc trực tiếp với cơ chất nhưng có chức năng trực tiếp trong quá trình xúc tác

o       Cấu tạo trung tâm hoạt động thường gồm các aa có các nhóm hóa học có hoạt tính cao như serin (nhóm –OH), cystein ( -SH), glutamic ( nhóm γ- COO^- ), lysin ( nhóm ε- NH3⁺ ), histidin (nhóm imidazol ⁺ ), tryptophan (nhóm indol⁺ ) … là những nhóm phân cực hoặc ion hóa , có khả năng tạo liên kết H hoặc ion với cơ chất

o       Quan hệ giữa trung tâm hoạt động và cơ chất, có 2 giả thuyết 

§        Thuyết “ ổ khóa và chìa khóa” : tương tác giữa enzym  E và cơ chất S, nghĩa là sự gắn giữa enzym  và cơ chất để tạo thành phức hợp enzym –cơ chất ES  giống như quan hệ giữa “ổ khóa” và “chìa khóa” , nghĩa là enzym  nào thì chỉ xúc tác đúng cơ chất đó . Thuyết này chỉ giải thích được tính đặc hiệu tuyệt đối của enzym  nhưng ko giải thích được tính đặc hiệu tương đối của enzym 

§        Thuyết “mô hình cảm ứng ko gian” giải thích tính đặc hiệu tương đối của enzym  : Trung tâm hoạt động của enzym  E có tính mềm dẻo và linh hoạt , có thể biến đổi về cấu hình ko gian trong quá trình tương tác với cơ chất S sao cho phù hợp với cấu hình ko gian của cơ chất, để có thể tạo thành phức hợp enzym –cơ chất ES

b.    Các dạng cấu trúc của phân tử enzym 

-         Enzym  đơn chuỗi và enzym  đa chuỗi

o       Enzym  có thể do 1 hay nhiều chuỗi tạo nên

o       Enzym  đơn chuỗi (monomer) là enzym  chỉ do 1 chuỗi pp tạo nên . VD: lysozym , lipase , pepsin , chymotrypsin …

o       Enzym  đa chuỗi (oligomer hoặc polymer ) là enzym  do 2 hay nhiều chuỗi pp tạo nên . VD: AST có 2 chuỗi , ALP có 2 chuỗi , creatin kinase (CK) có 2 chuỗi , hexokinase (HK) có 2 chuỗi ,LDH 4 chuỗi…

-         Enzym  dị lập thể

o       Là enzym  mà ngoài trung tâm hoạt động còn có 1 hoặc vài vị trí dị lập thể ; trung tâm hoạt động tiếp nhận cơ chất để xúc tác cho phản ứng  enzym  trong khi vị trí dị lập thể tiếp nhận yếu tố dị lập thể để điều chỉnh hoạt động xúc tác của enzym  .Về cấu tạo phân tử , enzym  dị lập thể có thể đơn hoặc đa chuỗi ; có loại vị trí dị lập thể (+) , có loại vị trí dị lập thể (-) hoặc có cả 2 .

o       Khi vị trí dị lập thể (+) tiếp nhận yếu tố dị lập thể dương A (chất hoạt hóa :activator ) thì cấu hình enzym  thay đổi theo hướng có lợi , enzym  được hoạt hóa , ái lực với cơ chất tăng à enzym  gắn vào cơ chất tạo phức enzym –cơ chất tốt hơn , v phản ứng  tăng lên

o       Khi vị trí dị lập thể (-) tiếp nhận yếu tố dị lập thể âm I (chất ức chế :inhibitor ) thì cấu hình enzym  thay đổi theo hướng có hại , enzym  bị ức chế, ái lực với cơ chất giảm à v phản ứng  giảm

o       Thông thường : chất hoạt hóa dị lập thể là những chất đứng trước cơ chất trong chuỗi phản ứng , trong khi chất ức chế dị lập thể là những chất đứng sau chuỗi phản ứng hoặc là sản phẩm cuối cùng của chuỗi phản ứng  . VD: con đường đường phân , enzym  phospho fructokinase là 1 enzym  dị lập thể, được hoạt hóa bởi yếu tố dị lập thể dương là ADP và AMP, bị ức chế bởi yếu tố dị lập thể âm là ATP và citrat

-         Các dạng đồng phân của enzym  (isoenzym hoặc isozym )

o       Trong cùng 1 loài , cùng 1 cơ thể, có những enzym  tuy cùng xúc tác 1 loại phản ứng  hóa học nhưng tồn tại dưới những dạng phân tử khác nhau , có tính chất lí hóa khác nhau à Dạng phân tử khác nhau của 1 loại enzym  gọi là isoenzym hoặc isozym .

o       VD1: LDH có 4 tiểu đơn vị là 4 chuỗi pp . CÁc chuỗi này gồm 2 loại do 2 gen khác nhau tổng hợp : chuỗi nguồn gốc tim (H) và chuỗi nguồn gốc cơ (M) à sự tổ hợp giữa 2 loại chuỗi pp tạo thành 5 dạng phân tử LDH khác nhau , có hằng số Michaelis (km) và tốc độ phản ứng  tối đa (V max ) khác nhau

§        LDH1 : 4 chuỗi HHHHà gọi là isoenzym kiểu tim

§        LDH2: HHHM

§        LDH3: HHMM

§        LDH4: HMMM

§        LDH5: MMMMàgọi là isoenzym kiểu gan

o       VD2: creatinkinase (CK) do 2 chuỗi pp tạo nên : 1 nguồn não (B) , 1 nguồn cơ (M)à 3 loại isoenzym : CK-BB; CK-MB; CK-MM

-         Các tiền chất của enzym

o       1 số enzym  sau khi tổng hợp còn ở dạng chưa có hoạt tính gọi là các tiền enzym  (proenzym hoặc zymogen ) . Khi được bài tiết vào môi trường khắc nghiệt của cơ thể sẽ bị thủy phân , cắt đi 1 đoạn pp vốn che lấp trung tâm hoạt động để bảo vệ trung tâm hoạt động , làm cho enzym  hoạt hóa, trở thành enzym  hoạt động

o       Các tiền enzym  có tiếp vĩ ngữ ogen : pepsinogen , trypsinogen , chymotrypsinogen à vào đường tiêu hóa được thủy phân loại bớt 1 đoạn peptid thành …

o       Tiền enzym  có tiếp đầu ngữ “pro” : VD: prothrombin àThrombin

-         Phức hợp đa enzym 

o       Là 1 phức hợp gồm nhiều enzym  khác nhau nhưng có liên quan với nhau trong 1 quá trình chuyển hóa nhất định, kết tụ với nhau thành 1 khối nhiều enzym  . Không thể tách riêng từng enzym  trong phức hợp đa enzym  vì nếu tách riêng các enzym  trong phức hợp sẽ bị biến tính và mất hoạt tính . Sự kết tụ các enzym  tạo phức hợp đa enzym  có tác dụng tăng cường sự cộng tác của các enzym  khác nhau trên 1 quá trình hoặc chuỗi chuyển hóa gồm nhiều phản ứng  , làm tăng hiệu lực và hiệu quả xúc tác

o       VD: phức hợp đa enzym  pyruvat dehydrogenase xúc tác phản ứng  biến pyruvat thành acetyl CoA gồm 3 enzym  : pyruvat dehydrogenase  , dihydrolipoyl transacetylase và dihydrolipoyl dehydrogenase với 4 coenzym là TPP, a.lipoic, coenzym A và NAD⁺

4.    Cấu trúc và chức năng của các coenzym

- Các coenzym có chức năng là tham gia cùng enzym  trong quá trình xúc tác .Coenzym thường có ái lực với enzym  cũng tương tự ái lực của enzym  với cơ chấtà coenzym có thể coi như cơ chất thứ 2 . TH khác , coenzym được gắn đồng hóa trị với enzym  và có chức năng như hoặc gần như vị trí hoạt động trong quá trình xúc tác

4.1           Các coenzym oxh khử

a.    Các coenzym Niacin (nicotinic acid : vitamin B3 ) : NAD⁺ và NADP⁺ :

-         Nacitin là acid pyridin 3-carboxylic , có thể được biến đổi thành 2 coenzym chủ yếu tham gia vào loại enzym  oxh-khử . 2 coenzym này là nicotinamid adenin dinucleotid (NAD ⁺) và nicotinamid adenin dinucleotid phosphat ( NADP⁺ ). Cấu trúc của coenzym NADP⁺ khác với NAD⁺ ở chỗ có thêm 1 gốc phosphat ở vị trí 2’ của ribose trong phân tử adenosin monophosphat

-         Chức năng : vận chuyển 2 điện tử và 1 H⁺ giữa chất cho và chất nhận H trong phản ứng  oxh-khử xúc tác bởi enzym  dehydrogenase . Tuy nhiên có enzym  dehydrogenase cần NAD⁺, có loại cần NADP⁺ trong khi xúc tác.

Công thức chữ và cơ chế phản ứng  của coenzym NAD+

b.    Các coenzym Flavin (vitamin B2): FMN và FAD

công thức chữ và cơ chế hoạt động của coenzym (FAD)

-         Có 2 dạng coenzym của riboflavin là flavin mononucleotid (FMN) và flavin adenin dinucleotid . Vitamin riboflavin chứa 1 dị vòng , isoalloxazin (flavin ), nối qua nguyên tử N-10 đến 1 alcol là ribitol . FMN có 1 gốc phosphat ở vị trí 5’ của ribitol trong phân tử riboflavin .FAD có cấu trúc tương tự NAD⁺ , nhưng có adenosin liên kết qua pyrophosphat gắn với dị vòng riboflavin

-         Cả FMN và FAD đều có chức năng tham gia phản ứng  oxh hóa khử = cách trao đổi 2 điện tử và 2 H⁺ ở vòng isoalloxazin

c.    Các porphyrin Fe²⁺ ( còn gọi là coenzym hem ):

-         coenzym hem là coenzym của hệ thống cytochrom , của enzym  catalase, peroxidase , monooxygenase và dioxygenase

-         Vai trò : vận chuyển điện tử nhờ khả năng biến đổi thuận nghịch giữa Fe²⁺ và Fe³⁺ : Fe²⁺ - e <-> Fe³⁺

-         Các phản ứng  được xúc tác bởi các loại coenzym hem

o       2 điện tử được vận chuyển từ cytochrom b sang cytochrom c trong chuỗi hô hấp tế bào

               

o       Phản ứng  phân hủy H2O2 xúc tác bởi catalase

                                 

o       Phản ứng  phân hủy H2O2 xúc tác bởi peroxidase  đòi hỏi kèm theo 1 cơ chất dạng khử

                               

o       Phản ứng  oxygen hóa 1 cơ chất ( thuốc hoặc chất xenobiotic ) xúc tác bởi monooxygenase (thuộc hệ cytochrom P-450) có coenzym là cytochrom P-450 là 1 loại coenzym hem và đòi hỏi 1 coenzym dạng khử là NADPH+H⁺ như sau

                      

§        Phản ứng  này có tác dụng biến 1 chất độc ,ít tan thành ko độc hoặc tan nhiều hơn để đào thải khỏi cơ thể

o       Các enzym  dioxygenase xúc tác phản ứng  peroxy hóa 1 cơ chất :

                              

d.    Acid lipoic

-         Là acid béo chứa 2 nhóm sulfur(-SH) gọi à acid 6,8- dithio-octanoic . Có phổ biến trong các chất tự nhiên , tham gia vào phức hợp enzym  khử carboxyl oxh của acid pyruvic và acid α-ceto glutaric cùng các coenzym khác như TPP, coenzym A , FAD và NAD+

4.2           Các coenzym vận chuyển nhóm

a.    Thiamin pyrophosphat (TPP) vận chuyển nhóm CO2

-         Trong thành phần TPP có thiamin là vitamin B1

-         TPP là coenzym của các enzym  có vai trò tách nhóm CO2 của các acid α-cetonic như a.pyruvic , a.α-cetoglutaric

-         Sự thiếu thiamin ảnh hưởng chủ yếu TK ngoại biên , đường tiêu hóa và hệ thống tim mạch. Thiamin điều trị các bệnh như Beriberi , viêm TK do rượu , viêm TK do thai nghén …

b.    Coenzym A vận chuyển nhóm acyl

-         Coenzym A(viết tắt CoA-SH) gồm acid pantotenin (vitamin B3) nối với 1 thioethanolamin tạo pantethein và nối với 1 gốc phosphat và với 1 nucleotid là adenosin monophosphat qua lk pyrophosphat . Coenzym A có vai trò trong chuyển hóa các acid béo , thể cetonic , acetat và các aa

-         VD: coenzym A kết hợp acetat thành “acetat hoạt động “ là acetyl CoA , chất này có thể kết hợp a.oxaloacetat tạo a.citric , mở đầu chu trình Krebs , có thể tham gia vào sinh tổng hợp acid béo, sinh tổng hợp cholesterol và hormon steroid

c.    S- adenosyl – methionin : tác dụng vận chuyển nhóm methyl –CH3

d.    Acid tetrahydrofolic (FH4): vận chuyển nhóm 1 nguyên tử Carbon

e.    Biotin : là coenzym của các enzym  carboxylase, xúc tác sự gắn CO2 (gọi là sự carboxyl hóa ) 

f.       Pyridoxal phosphat : là dẫn xuất của pyridoxin (vitamin B6 ) , là coenzym của enzym  trao đổi amin có vai trò chuyển nhóm amin của acid α-amin 1 cho 1 acid α-cetonic 2 để biến thành acid α-cetonic 1, còn acid α-cetonic 2 nhận nhóm amin để biến thành acid α-amin 2

Cơ chế hoạt động của enzym  transaminase

-         Ngoài tham gia trao đổi amin , pyridoxal phosphat còn là coenzym của các enzym  khử carboxyl của 1 số aa như tyrosin  arginin , a.glutamic ….Sản phẩm khử carboxyl của aa là các amin có hoạt tính sinh học . VD: khử carboxyl của a.glutamic tạo γ- amino butyric acid (GABA) là chất ức chế TK , khử carboxyl của histidin tạo histamin là 1 hormon của mô, làm tăng thấm mạch và gây dị ứng , sự hydroxy hóa cùng khử carboxyl của phenylamin và tyrosin tạo norepinephrin và epinephrin .

5.    Cơ chế tác dụng của enzym 

a.    Sự biến thiên năng lượng tự do (G <0)

-         Năng lượng tự do của 1 hệ thống phản ứng  là năng lượng có thể tạo ra công có ích . Kí hiệu năng lượng tự do là G . 1 phản ứng  hóa học chỉ có thể xảy ra theo chiều NL tự do giảm , biến từ chất có NL tự do cao thành chất có mức NL thấp hơn , nghĩa là đk cần của phản ứng  hóa học là biến thiên năng lượng tự do phải âm (G< 0)

A + B = C + D

G1> G2 à G = G2 – G1 < 0

-         Tuy nhiên do vật chất có sức ỳ về mặt hóa học nên 1 phản ứng  dù có G< 0 vẫn chưa tự xảy ra được

b.    Sức ỳ về mặt hóa học của vật chất

-         Vật chất thường có sức ỳ về mặt hóa học do các yếu tố sau gây nên

o       Yếu tố về entropy ( sự chuyển động hỗn loạn của các phân tử vật chất )

o       Lớp áo nước cản trở và có thể làm mất hoạt tính của cơ chất

o       Hình thể ko gian cồng kềnh của cơ chất

o       Sự sắp xếp chưa định hướng của các nhóm chức năng trên phân tử enzym 

-         Vì vậy , 1 số phản ứng hh dù có đk cần là G< 0 vẫn ko xảy ra , muốn phản ứng  xảy ra cần thêm đk đủ là cung cấp cho hệ thống phản ứng  1 NL để thắng sức ỳ về mặt hóa học của vật chất . NL cần cung cấp ấy gọi là NL hoạt hóa

c.    Năng lượng hoạt hóa(activation energy :Ea)

-         Ea : là NL cần để nâng tất cả các phân tử của 1mol cơ chất ở 1 nhiệt độ nhất định lên trạng thái chuyển tiếp (transition state ) ở đỉnh của hàng rào NL , để phản ứng  enzym  có thể xảy ra .

-         ở trạng thái chuyển tiếp , mỗi phân tử cơ chất có thể sẵn sàng tham gia vào sự tạo thành sp phản ứng 

d.    Cơ chế tác dụng của enzym 

-         Có 1 cách để cung cấp nhiều NL hơn cho phản ứng  là làm tăng nhiệt độ , vì làm tăng tương tác giữa các phân tử, tuy nhiên điều này ko xảy ra trong đk sinh lí bthg

-         Cơ chế tác dụng của enzym  là làm giảm NL hoạt hóa của phản ứng  để các cơ chất dễ dàng đạt được mức NL trạng thái chuyển tiếp, từ đó phản ứng  có thể xảy ra .Tốc độ của phản ứng  phụ thuộc số các phân tử cơ chất vượt qua hàng rào NL vào trạng thái chuyển tiếp

-         Enzym  làm giảm NL hoạt hóa của phản ứng  bằng cách kết hợp với cơ chất tạo phức enzym –cơ chất (E-S ) theo phản ứng  qua 2 bước sau :

E + S <-> ES à E + P

(a)      (b)

-         E là enzym , S là cơ chất, P là sản phẩm of phản ứng. Như vậy enzym  biến 1 phản ứng  hh đơn thuần thành 1 phản ứng  hóa học qua 2 bước gồm phản ứng  liên phân tử (a) và phản ứng  nội phân tử (b) nhờ tạo thành phức hợp E-S , cả 2 phản ứng  này đều đòi hỏi NL hoạt hóa thấp hơn nhiều so với phản ứng  ko có xúc tác của enzym 

-         Cách làm giảm NL hoạt hóa của enzym  là enzym  kết hợp cơ chất tạo phức hợp E-S qua trạng thái chuyển tiếp E-S1* bằng những tương tác, tạo ra các lk yếu nhờ 1 NL hoạt hóa thấp, đồng thời giải phóng NL tự do . NL tự do được giải phóng này lại góp phần hoạt hóa phức hợp E-S để đưa phức hợp này vào trạng thái chuyển tiếp E-S2* với NL hoạt hóa cũng rất thấp để tạo sản phẩm P và E tự do , đồng thời cũng giải phóng NL tự do . Như vậy , = cách tạo phức hợp E-S , enzym  chỉ cần NL hoạt hóa rất nhỏ cũng có thể thúc đẩy phản ứng  xảy ra , vì vậy , các phản ứng  enzym  dễ dàng xảy ra trong đk sinh lí cơ thể

6.    Động học enzym

a.    Tốc độ phản ứng 

-         Đn : tốc độ phản ứng  của 1 enzym  là lượng cơ chất bị biến đổi dưới tác dụng của enzym  ấy trong 1 phút ở nhiệt độ 25 độ C , dưới các đk được chuẩn hóa

-         Đơn vị đo tốc độ phản ứng  enzym  :

o       Đơn vị quốc tế IU hoặc U , định nghĩa là lượng enzym  làm biến đổi 1 μmol cơ chất thành sp trong 1 phút ở 25 độ C dưới các đk được chuẩn hóa

-         Tốc độ ban đầu (v)

o       Tốc dộ ban đầu của 1 phản ứng  enzym  có nồng độ enzym , nồng độ cơ chất, ở 1 nhiệt độ và pH nhất định , là tốc độ phản ứng  enzym  ở những phút đầu tiên của phản ứng  , khi mà tốc độ phản ứng  chưa bị ảnh hưởng bởi những thay đổi của nhiệt độ ,pH , nồng độ sp phản ứng 

o       Tốc độ ban đầu tăng lên 1 cách tuyến tính , sau đó cong đi .Hoạt độ enzym  chỉ đo 1 cách chính xác ở tốc độ ban đầu , nghĩa là đo trong khoảng 5 phút đầu tiên của phản ứng 

-         Tốc độ cực đại

o       Với 1 nồng độ enzym  thích hợp , nhiệt độ , pH thích hợp , khi nồng độ cơ chất tăng lên thì tốc độ phản ứng  tăng lên .Khi các phân tử enzym  đều bão hòa cơ chất thì tốc độ phản ứng  đạt tốc độ tối đa (Vmax)

b.    Thuyết Michaelis – Menten

-         Là thuyết về vai trò của nồng độ cơ chất trong việc hình thành phức hợp enzym – cơ chất ES

-         Sự liên quan nói chung giữa enzym,cơ chất và sp phản ứng  :

                                              

-         Giả thuyết của Michaelis –Menten về sự liên quan giữa v phản ứng  và nồng độ cơ chất được tính toán theo p/tr Michaelis –Menten

                                          

-         ở đây : v: tốc độ phản ứng  ; Vmax: tốc độ tối đa , [S] : nồng độ cơ chất ; KM = hằng số Michaelis của enzym  với cơ chất

-         khi nồng độ cơ chất thấp hơn KM rất nhiều ,trong ptr M-M ta có thể bỏ [S] ở mẫu, ptr trở thành v= Vmax [S]/ KM , đây là ptr tuyến tính dạng y=ax , nghĩa là tốc độ phản ứng  chỉ phụ thuộc vào nồng độ cơ chất [S] .Lúc này phản ứng  là phản ứng  động học bậc 1 bởi v phản ứng  tỷ lệ thuận với nồng độ cơ chất

-         Khi nồng độ cơ chất tăng lên = Km thì ptr M-M trở thành v= Vmax /2 nghĩa là v phản ứng  = 1/2 v tối đa

-         Khi nồng độ cơ chất lớn hơn Km rất nhiều thì ta có thể bỏ Km ở mẫu số của ptr M-M à ptr trở thành v= Vmax, có nghĩa là tốc độ phản ứng  đạt tốc độ tối đa (Vmax) , lúc này tất cả các phân tử enzym  đều bão hòa cơ chất , phản ứng  đạt động học “ bậc không” vì dù có tiếp tục tăng nồng độ cơ chất thì tốc độ phản ứng  cũng ko đổi và lúc này tốc độ phản ứng  chỉ phụ thuộc nồng độ enzym 

Hình vẽ  : Đồ thị M-M về sự phụ thuộc của tốc độ phản ứng  vào nồng độ cơ chất : Km là nồng độ cơ chất mà ở đó tốc độ phản ứng  =1/2 tốc độ tối đa

-         Ý  nghĩa của các giá trị Km

o       Km là hằng số tổng hợp của các hằng số tốc độ , có giá trị bằng nồng độ cơ chất cần thiết để tốc độ phản ứng  đạt bằng 1/2 tốc độ tối đa . Như vậy , Km được tính bằng mol/l

o       Km là hằng số đặc trưng của mỗi enzym  với mỗi cơ chất, nó thể hiện ái lực của enzym  đối với mỗi cơ chất, KM càng nhỏ , ái lực của enzym  với cơ chất càng lớn, vì chỉ cần lượng nhỏ cơ chất tốc độ phản ứng  đã đạt 1/2 Vmax .KM càng lớn …(ngược lại)

o       Muốn đạt được Vmax , nồng độ cơ chất phải >= 100 lần KM

-         Ý nghĩa của V max : tốc độ tối đa Vmax thể hiện số vòng quay của 1 enzym  .Hằng số động học k2 được gọi là số vòng quay .Số vòng quay của 1 enzym  là số phân tử cơ chất được biến đổi thành sp trong 1 đơn vị thời gian , khi enzym  này được bão hòa đầy đủ với cơ chất

-         Ptr và đồ thị Lineweaver – Burk :Vmax rất khó có thể được xác định 1 cách chính xác từ đồ thị hyperbol của M-M , vì vậy L-B đã cải tiến ptr M-M  bằng cách nghịch đảo ptr này thu được ptr tuyến tính dạng y= ax+b như sau

= x + 

-         Ý nghĩa của đồ thị L-B:

o       Đồ thị này đã biến đồ thị hyperbol thành đồ thị tuyến tính (dạng thẳng) , như vậy , từ đồ thị này có thể tìm KM và Vmax 1 cách dễ dàng

o       Đồ thị này là công cụ để xác định pH và nhiệt độ tối ưu

o       Đồ thị này cũng là công cụ để xác định loại chất ức chế là chất ức chế cạnh tranh hay ko cạnh tranh đối với 1 loại enzym  nhất định

7.    Các yếu tố ảnh hưởng hoạt động của enzym 

a.    Nồng độ cơ chất [S]: sự ảnh hưởng của nồng độ cơ chất đến hoạt động của enzym  được mô tả ở phần động học enzym  với ptr và đồ thị M-M

b.    Nồng đọ enzym  [E]:

-         Nồng độ enzym  cũng ảnh hưởng tốc độ phản ứng  enzym  . Đối với cùng 1 lượng cơ chất, tốc độ phản ứng  enzym  tăng khi tăng nồng độ enzym  và ngược lại .Tuy nhiên , giá trị KM ko phụ thuộc vào nồng độ  enzym 

c.    Nhiệt độ

-         Nhiệt độ tăngàtăng v phản ứng  hóa học do làm tăng sự chuyển động của các phân tử ,tăng số va chạm hiệu quả của các phân tử enzym  và cơ chất và cũng cung cấp NL cho phản ứng  . Tuy nhiên sau khi đạt được Vmax, v phản ứng  giảm dần vì enzym  là protein nên nhiệt độ tăng dẫn tới biến tính proteinàmất hoạt tính xúc tác của chúng .

-         Hầu hết các enzym  có 1 ranh giới nhiệt độ tối ưu giống như đk nhiệt độ sinh lý của cơ thể, sự biến tính xảy ra từ 40-50 độ và cao hơn .

-         Thời gian tiếp xúc với nhiệt độ cũng ảnh hưởng hoạt động của enzym  . Enzym  có thể chịu được nhiệt độ cao hơn trong thời gian ngắn . Ở ranh giới nhiệt độ enzym  chưa bị biến tính , khi tăng 10 độ , v phản ứng  tăng gấp 2 ,nghĩa là giá trị hệ số nhiệt độ Q10 bằng 2 .

-         Như vậy kết quả phân tích enzym  phải được nêu rõ thực hiện ở nhiệt độ nào và phải hiệu chỉnh theo nhiệt độ nếu cần .Các mẫu huyết tương có thể bảo quản lạnh trong 1 thời gian nhất định đến khi phân tích mà các enzym  ko bị mất hoạt tính , tuy nhiên nếu gây đông lạnh rồi lại làm tan ra nhiều lần có thể gây biến tính protein

-         Người ta phát hiện 1 số enzym  bền với nhiệt có khả năng chịu nhiệt rất cao ở các vi khuẩn sống ở đáy biển nóng hoặc suối nước nóng…ứng dụng trong phản ứng  chuỗi polymerase (PCR)

d.    pH môi trường

-         Enzym  là protein nên mang điện . Độ pH khắc nghiệt có thể gây biến tính enzym  hoặc ảnh hưởng đến trạng thái ion hóa của enzym  , gây thay đổi cấu trúc hoặc thay đổi điện tích trên các gốc aa ở trung tâm hoạt động .Vì vậy , mỗi enzym  chỉ hoạt động trong 1 ranh giới pH đặc hiệu và hoạt động tối ưu ở 1 pH đặc hiệu .

-         Hầu hết các phản ứng  enzym  sinh lí xảy ra trong 1 giới hạn pH khoảng 7à 8 nhưng 1 số enzym  hđộng trong 1 giới hạn pH rộng hơn 1 số khác .

e.    các chất hoạt hóa

-         Là chất làm tăng tốc độ phản ứng  enzym  hoặc làm enzym  ở trạng thái ko hoạt động thành trạng thái hoạt động .Chúng thường là các phân tử nhỏ hoặc các ion, như là các KL (Ca²⁺⁺ , Fe³⁺ , Mg²⁺ , Mn²⁺ , Zn²⁺ , K⁺ ) hoặc á kim (Br^-, Cl^-).

-         Cơ chế hoạt động của chất hoạt hóa là tạo nên 1 vị trí hoạt động tích điện dương để có thể tác động vào các nhóm tích điện âm của cơ chất .Các chất hoạt hóa khác có vai trò làm thay đổi cấu hình ko gian của enzym  , làm ổn định cấu trúc bậc 3 , bậc 4 của enzym  , làm enzym  dễ gắn cơ chất , cũng có thể có vai trò liên kết cơ chất với enzym  hoặc coenzym , hoặc tạo ra sự oxh hoặc sự khử

-         1 số coenzym có vai trò như 1 chất hoạt hóa với 1 số enzym  . VD: NAD ⁺ là cofactor bị khử thành NADH trong đó cơ chất thứ nhất bị oxh

f.       Các chất ức chế :

-         Là chất khi gắn với enzym  có tác dụng ức chế hoạt động enzym  , nghĩa là giảm hoặc mất hoạt tính của những enzym  nhất định

-         ức chế cạnh tranh :

o       là ức chế của những chất có cấu trúc tương tự cơ chất à cạnh tranh cơ chất gắn vào trung tâm hoạt động của enzym  . Ức chế cạnh tranh có thể thuận nghịch , vì vậy có thể được khắc phục sự ức chế cạnh tranh = cách tăng nồng độ cơ chất

o       Từ đồ thị L-B , giá trị Vmax ko đổi nhưng giá trị Km là lớn hơn , chứng tỏ cần nồng độ cơ chất lớn hơn để đạt được động học bậc “0” do các ảnh hưởng của chất ức chế cạnh tranh

o       VD: ở phản ứng  succinat à fumarat , cơ chất là succinat , enzym  succinat dehydrogenase , các chất ức chế cạnh tranh với enzym  succinat dehydrogenase là chất có cấu trúc gần giống succinat như oxalat, malonat , glutarat …

-         ức chế ko cạnh tranh

o       Xảy ra khi chất ức chế này gắn vào enzym  ở vị trí ko phải trung tâm hđ . Sự gắn này có thể xảy ra với cả enzym  và với cả phức hợp enzym –cơ chất tạo phức hợp EI và ESI

§        E + I = EI

§        ES + I = ESI

o       Sự gắn này gây 1 thay đổi cấu hình ko gian của cấu trúc phân tử enzym  , làm cho trung tâm hoạt động cũng bị thay đổi , ko thể tiếp nhận đc cơ chất, nếu đã tiếp nhận cơ chất cũng ko thể biến đổi cơ chất thành sản phẩm . Sự tăng nồng độ cơ chất ko ảnh hưởng đến sự gắn của ức chế ko cạnh tranh vào phân tử enzym  nên ko khắc phục được tình trạng ức chế bằng cách tăng nồng độ cơ chất .Do đó ảnh hưởng của ức chế ko cạnh tranh trên động học phản ứng  là giảm Vmax bởi tốc độ tối đa ko thể đạt được do enzym  bị bất hoạt nhưng giá trị Km ko đổi .VD: chì , thủy ngân

-         Ức chế phi cạnh tranh

o       1 kiểu ức chế có khả năng thuận nghịch khác gọi là ức chế phi cạnh tranh . Xảy ra khi 1 chất ức  chế gắn vào phức hợp ES ở 1 vị trí khác với trung tâm hoạt động để hình thành phức enzym –cơ chất-chất ức chế (ESI) mà ko tạo sp P

o       ES + I = EIS

o       Sự tăng nồng độ cơ chất thực sự làm tăng sự ức chế bởi vì đã cung cấp nhiều phức hợp ES hơn để chất ức chế gắn vào . Ảnh hưởng của chất ức chế phi cạnh tranh là giảm Vmax do bất hoạt enzym  và giảm KM

Nguồn Bác sĩ đa khoa