I. KHÁI NIỆM EMZYME

Trao đổi chất hay chuyển hóa vật chất là toàn bộ các hóa trình hóa học xảy ra trong tế bào. Phần lớn các phản ứng xảy ra trong tế bào được điều hòa bởi chất xúc tác đạc biệt gọi là emzyme.

Enzyme là chất xúc tác sinh học có các tính chất sau:

(1) Enzyme không gây ra phản ứng mà làm giảm năng lượng hoạt hóa (activation energy) của các phản ứng hóa học, do đó làm tăng tốc độ của các phản ứng. Điều này là bởi vì khi enzyme liên kết với các cơ chất tạo thành phức hợp enzyme-cơ chất làm cấu trúc nội tại của cơ chất thay đổi theo chiều hướng giảm năng lượng hoạt hóa.

Hình 3.0: Enzyme làm giảm năng lượng hoạt hóa

(2) Enzyme không bị bị biến đổi hay mất đi và có thể sử dụng nhiều lần trong các phản ứng của tế bào. Sau phản ứng enzyme được giải phóng.

(3) Chỉ cần một lượng nhỏ enzyme so với cơ chất cũng xúc tác được phản ứng.

(4) Enzyme có tính đặc hiệu cao. Tính đặc hiệu của enzyme thể hiện ở các cấp độ khác nhau. Mỗi ezyme chỉ xúc tác cho một kiểu phản ứng nhất định, một cơ chất nhất định hay một loại đồng phân nhất định của cơ chất đó.

(5) Không phải mọi tế bào cùng chứa một hệ enzyme. Điều đó giải thích tại sao có nhiều hơn một loại tế bào

II. CẤU TRÚC CỦA ENZYME

Bản chất hóa học của enzyme là protein hình cầu có thể chia enzyme thành hai nhóm lớn sau:

Enzyme đơn giản-enzyme một thành phần nghĩa là khi thủy phân chỉ cho một thành phần duy nhất là amino acid. Hoạt tính của enzyme này chỉ phụ thuộc vào cấu trúc của protein.

Enzyme phức tạp: Ngoài thành phần protein gọi là apoezyme, enzyme còn chứa thêm nhóm không phải là protein gọi là cofactors. Nhóm ngoại này rất đa dạng. Có thể phân biệt ba nhóm ngoại cơ bản:

(1) Nếu nhóm ngoại là các phân tử hữu cơ có trọng lượng phân tử thấp thì gọi là coenzyme, thường bắt nguồn từ vitamin chứ không từ amino acid. Coenzyme liên kết thuận nghịch với enzyme, tham gia trực tiếp trong các phản ứng mà enzyme xúc tác.

Ví dụ: NAD và FAD là hai coenzyme như chất mang điện tử và H cho nhiều phản ứng oxi hóa khử có enzyme xúc tác trong tế bào.

(2) Nhóm phụ gia (prosthetic group) tương tự như coezyme nhưng gắn chặt với protein enzyme bằng liên kết hóa trị chẳng hạn như enzyme catalase. Giống như coenzyme nhóm prosthetic thường là thành phần cơ bản trong cơ chế xúc tác của enzyme.

(3) Nhóm ngoại là các ion kim loại như Fe, Mn, Cu, Ca, Zn. CÁc ion có vai trò ổn định cấu trúc của enzyme và cơ chất hoạc có thể tham gia trực tiếp phản ứng chẳng hạn như cytochrome chứa Fe tham gia vào chuỗi chuyền điện tử.

Một số enzyme đòi hỏi cả hai thành phần để có hoạt tính xúc tác. Nhóm ngoại thường ổn định nhiệt trong khi protein enzyme bị biến tính khi bị đun nóng. Phức hệ enzyme-cofactor có hoạt tính xúc tác gọi là holoenzyme. Khi cofactor bị loại bỏ thì phần protein (apoenzyme) còn lại mất hoạt tính xúc tác.

Trên bề mặt của các enzyme có một hoạc một số khe, túi- chỗ lõm gọi là vị trí hoạt động (active site) nơi xảy ra hoạt động xúc tác của enzyme.

III. CƠ CHẾ HOẠT ĐỘNG CỦA ENZYME

3.1 Mô hình hoạt động của enzyme

Nhiên cứu đầu tiên về tính đặc hiệu của enzyme với cơ chất do Emil Fischer đề xướng (1894). Fischer cho rằng khi enzyme xúc tác phản ứng thì cơ chất lắp khít vào vị trí hoạt độn của enzyme tương tự như chìa khóa lắp vào ổ khóa.  Từ đó Fischer nêu giả thuyết mô hình “ ổ khóa và chìa khóa” (lock and key model) (hình 3.1) cho hoạt động của enzyme. Mỗi ổ khóa có một chìa khóa. Do đó mỗi enzyme chỉ có một chỉ xúc tác cho một loại cơ chất nhất định.

Hình 3.1: mô hình “ ổ khóa và chìa khóa” (lock and key model)

Theo mô hình này, cơ chế xúc tác của enzyme trải qua nhiều giai đoạn: Giai đoạn đầu tiên là sự kết hợp giữa enzyme và cơ chất tạo thành phức hợp enzyme-cơ chất nhờ hình thành nhiều liên kết đặc biệt là liên kết hydrogen. Sự liên kết này làm thay đổi cấu hình không gian của cơ chất làm thay đổi nội năng, năng lượng hoạt hóa của phản ứng giảm, phân tử trở nên linh động dễ phản ứng hơn. Sau đó enzyme xúc tác lên cơ chất tạo thành sản phẩm. cuối phản ứng enzyme được giải phóng.

Tuy nhiên, khi Daniel Koshland nghiên cứu động học của enzyme, những bằng chứng thực nghiệm cho thấy rằng cấu hình trung tâm hoạt động của enzyme không phải cố định và có thể biến đổi phù hợp với cơ chât khi liên kết với cơ chất đó. Từ đây, Daniel Koshland  đưa ra mô hình khớp cảm ứng (induced-fit model) cho hoạt động xúc tác của enzyme (hình 3.2). Theo mô hình này thì một enzyme có thể xúc tác cho một hoạc một số phản ứng hóa học tương tự do chúng có tính đặc hiệu trong việc lựa chọn cơ chất. Vị trí hoạt động của mỗi enzyme khác nhau có hình dạng sao cho chỉ khớp với một hoạc một số cơ chất nhất định. Mô hình này hiện nay được chấp nhân rộng rãi.

Hình 3.2: mô hình khớp cảm ứng (induced-fit model)

3.2 Tính đặc hiệu của enzyme

Khác với chất xúc tác vô cơ, enzyme chỉ có khả năng xúc tác cho một một hay một số cơ chất hoặc một kiểu phản ứng nhất định. Tính đặc hiệu của enzyme rất đa dạng. Ở đây chỉ đề cặp đến hai kiểu đặc hiệu:

(1) Đặc hiệu cho phản ứng

 Mỗi enzyme chỉ xúc tác cho một kiểu phản ứng chẳng hạn như phàn ứng  của NAD dehydrogenase trong hô hấp, lipase cắt liên kết ester nối glycerol và acid béo của nhiều loại lipids.

(2) Đặc hiệu cơ chất

(a) Đặc hiệu tuyệt đối: enzyme chỉ có tác dụng lên một cơ chất nhất định chẳng hạn như aspartase chuyển fumarate thành L-aspartate.

(b) Đặc hiệu tương đối: enzyme co thể tác động lên nhiều cơ chất có cấu trúc khác nhau nhưng tốc độ phản ứng khác nhau chẳng hạn như phosphatase thủy phân nhiều ester của acid phosphoric, carboxyesterase thủy phân ester của các acid carboxylic.

IV. PHÂN LOẠI ENZYME

Các enzyme thường có tên tận cùng là ase. Có sáu nhóm enzyme chính:

Nhóm 1. Oxidoreductases: xúc tác các phản ứng oxi hóa khử, chuyển H và điện tử từ cơ chất sang chất nhận.

Nhóm 2. Transferases: chuyển nhóm nhỏ các nghuyên tử từ cơ chất sang chất nhận.

Nhóm 3. Hydrolases: Làm gẩy các liên kết bằng thủy phân.

Nhóm 4. Lyases:làm thay đổi chiều dài mạch carbon. Fructose-1,6-diphosphate aldolase cắt Fructose-1,6-diphosphate thành ALPG và PDA; Decarboxylase: lọai CO2

Nhóm 5. Isomerases: chuyển đổi đồng phân chẳng hạn Glocose-P-isomerase  chuyển Glo-6-P thành Fro.-6-P); triose-P-isomerase  chuyển ALPG thành PDA)

Nhóm6. Ligases: tạo liên kết hóa học chẳn hạn DNA ligase gắn các đoạn okazaki trong nhân đôi DNA mạch chậm.

V. CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN HOẠT TÍNH ENZYME.

Bất kỳ điều kiện nào làm thay đổi cấu hình của enzyme đều làm thay đổi hoạt tính enzyme

5.1 Nồng độ enzyme và nồng độ cơ chất

Tốc độ phản ứng của phần lớn các phản ứng biến đổi theo nồng độc của cơ chất và nồng độ enzyme. Khi tăng nồng độ cơ chất thì tốc độ phản ứng tăng chỉ khi nồng độ cơ chất tương đối thấp. Khi nồng độ cơ chất lớn tốc độ phản ứng ít phụ thuộc vào nồng độ cơ chất và có khuynh hướng đạt cực đại do nồng độ enzyme có mặt quyết định.

Ở nồng độ cơ chất thấp, nhiều phân tử enzyme có trung tâm hoạt động chưa liên kết với cơ chất. Nên việc tăng hạn chế cơ chất là tăng tốc độ phản ứng. Tuy nhiên, ở nồng độ cơ chất cao, hầu hết các trung tâm phản ứng đã liên kết với cơ chất làm cho số phân tử enzyme trở thành yếu tố giới hạn. Khi số phân tử ezyme tăng tốc độ phản ứng cự đại tăng lên tương ứng.

Hình 3.3: Ảnh hưởng nồng độ lên hoạt tính enzyme

5.2 Chất kìm hãm

Hoạt tính của enzyme bị  thay đổikhi có mặt của chất ức chế.

(a) Chất ức chế cạnh tranh

Các chất kìm hãm có cấu trúc tương tự  như cơ chất. Chất ức chế gắn thuận nghịch vào trung tâm phản ứng của enzyme cạnh tranh với cơ chất, khiến cho hoạt động xúc tác của enzyme chậm lại. Khi chất ức chế được giải phóng hoạt động xúc tác của enzyme trở lại mình thường.

Hình 3.4: Mô hình chất ức chế cạnh tranh

Ví dụ: acid malonic hoạt động như chất cạnh tranh trung tâm hoạt động của enzyme sucxinic dehydrogenase với acid sucxinic. Trong điều kiện bình thường, sucxinic dehydrogenase xúc tác loại hai nguyên tử H của acid sucxinic tạo thành acid fumaric. Khi có mặt của acid maloic, enzyme liên kết với trung tâm hoạt động tạo thành phức hợp enzyme – chất ức chế và không thể chuyển hóa được. Như vậy làm số lượng trung tâm phản ứng giảm và tốc độ phản ứng cũng giảm theo.

(b) Chất ức chế không cạnh tranh

Chất ức chế không cạnh tranh không gắn vào vị trí xúc tác mà gắn thuận nghịch vào vị trí khác trên enzyme. Điều này sẽ làm thay đổi cấu hình của vị trí hoạt động không còn phù hợp với cơ chất. Vùng mà chất ức chế cạnh tranh gắn vào enzyme gọi là vị trí di lập thể (allosteric site) và gây ra hiệu ứng dị lập thể (allosteric effect). Khi chất ức chế giải phóng, hoạt động xúc tác của enzyme trở lại bình thường.

Hình 3.5: Mô hình chất ức chế không  cạnh tranh

Một số chất kìm hãm gây biến đổi hoạt tính enzyme một cách không thuận nghịch. Chất kìm hãm dạng này làm biến đội liên tục hay phá hủy trung tâm hoạt động của enzyme. Phần lớn các chất độc là những chất kìm hãm không thuận nghịch chẳng hạnh như cyanide (CN-) gắn vào cytochrome cản trở việc vận chuyển điện tử đến O2, penicillin  ức chế không thuận nghịch enzyme transpeptidase của vi khuẩn cản trở tạo vách tế bào.

5.3 Nhiệt độ

Mỗi một enzyme hoạt động tốt nhất ở nhiệt độ tối ưu nhất định. Khi nhiệt độ lệch sang hai bên nhiệt độ tối ưu hoạt động của enzyme giảm và tốc độ phản ứng sẽ giảm theo. Sự tăng nhiệt độ làm cho làm cho động năng của enzyme và cơ chất tăng, chúng chuyển động nhanh hơn, va chạm nhiều hơn. Các phức chất emzyme-cơ chất hình thành nhiều hơn, phản ứng xảy ra nhanh hơn. Tuy nhiên nếu nhiệt độ quá cao, enzyme bị biến tính. Khi cấu hình vị trí xúc tác không còn phù hợp với cơ chất, enzyme mất hoạt tính xúc tác. Khi nhiệt độ hạ thấp hơn nhiệt độ tối ưu, cơ chất và phân tử enzyme chuyển động chậm. Tần số va chạm giữa chúng thấp> Ít phức hợp enzyme-cơ chất hình thành và tốc độ phản ứng giảm.

Hình 3.6: Ảnh hưởng của nhiệt độ lên hoạt động của enzyme

5.4 pH

Mỗi một enzyme hoạt động tối ưu tại một giới hạn pH thích hợp chẳng hạn pepsin hoạt động tối ưu ở pH 2, trypsin hoạt động tối ưu ở pH 8.5. Khi pH lệch sang hai bên phía pH tối thích, hoạt tính của enzyme giảm xuống.