Chương 6: ENZYME

• Khái niệm• Phân loại• Cấu trúc• Một số coenzyme phổ biến• Một số coenzyme phổ biến• Cơ chế tác dụng• Zymogen (proenzyme) và sự hoạt hóa• Tính đặc hiệu của enzyme• Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ phản

ứng

Khái niệm về xúc tác

Ea : Năng lượng hoạt hóa

Năng lượng

E’a : Activation Energy

Energy

②②②② Phản ứng không có xúc tác ③③③③ Phản ứng có xúc tác

Cơ chất

Sản Phẩm

∆HoR : Nhiệt lượng phản ứng

The extent of RNX

reactants

products

∆HoR : Heat of reaction

The extent of RNX

④④④④ Ea(PỨ ko xúc tác) >> Ea ’(PỨ có xúc tác)

⑤⑤⑤⑤ ∆∆∆∆HoR giống nhau đối với PỨ có xúc tác ho ặc ko có xúc tác ở cùng nhi ệt độ phản ứng

∆∆∆∆HoR (PỨ ko xt) = ∆∆∆∆HoR (Pứ có xt)

Khái niệm về xúc tác

• Xúc tác là những chất có khả năng làm tăng tốc độ phản ứng hóa học mà không có bất kì sự thay đổi hóa học nào (thành phần và cấu tạo) sau phản ứngphần và cấu tạo) sau phản ứng– Có 2 loại

• Xúc tác hóa học• Xúc tác sinh học

Khái niệm về enzymeHoạt động ngoài tế bào Hoạt động trong tế bào

1. Protein: Trong điều kiện pH = 7, to=37oC protein phải phân giải mất trong nhiều tuần

2. Glucose: nằm ngoài tế

1. Trong tế bào 1 ngày có thể phân giải 23g protein thành axit amin

2. Glucose khi được đưa vào tế bào bị biến đổi ngay lập tức. 1

bào để hàng năm không thay đổi

3. H2O2: khi nằm ngoài tế bào, nó phân giải từ từ. Nếu có Pt xúc tác sự

phân giải H2O2 sẽ tăng lên 20000 lần

ngày cơ thể biến đổi 200g glucosetạo năng lượng đủ để đun 20L nước

3. Khi phân giải H2O2 nếu có thêm 1 giọt máu thì sự phân giải tăng lên rất nhiều lầnKhi có catalase xúc tác thì

sự phân giải H2O2 sẽ tăng lên 300 tỉ lần

Khái niệm về enzyme

• Các phản ứng trong cơ thể xảy ra nhanh gấp nhiều lần vì có chất xúc tác sinh học (enzyme)

• Có khoảng 2000 loại enzyme, trong đó có 600 loại được tinh khiết, 150 loại được kết tinhloại được tinh khiết, 150 loại được kết tinh

Xúc tác sinh học vs. xt vô cơ

• Giống nhau– Đều là xúc tác

• Khác nhau– Mức độ đặc hiệu– Mức độ đặc hiệu– Môi trường phản ứng

Xúc tác sinh học vs. xt vô cơ (tt)

Phân loại

• Hội hóa sinh quốc tế (IUB) phân loại enzyme theo 6 lớp– Oxydoreductase: xúc tác cho phản ứng oxy hóa-khử– Transpherase: xúc tác cho phản ứng chuyển vị– Hydrolase: các enzyme xúc tác cho phản ứng thủy

phân– Liase: xúc tác cho phản ứng phân cắt không cần

H2O, loại nước tạo lk đôi hoặc kết hợp phân tử nước vào lk đôi

– Isomerase: xúc tác cho phản ứng đồng phân hóa– Ligase: xúc tác cho phản ứng tổng hợp có sử dụng

liên kết giàu năng lượng ATP

Cấu trúc enzyme

O OH of xerin

Tâm hoạt động của enzyme hydrolase

NH

N

H

O

E

OH of xerin

LK hydro

Imidazol of histidin

• Enzyme đơn giản– Enzyme một cấu tử– Cấu tạo hoàn toàn từ 20 axit amine– Tâm hoạt động:

• Tổ hợp các nhóm định chức của các axit amin không tham gia cấu tạo trục chính. Vd: -SH của cystein, -OH của serin, tyrosin, -NH2 của lisine, -cystein, -OH của serin, tyrosin, -NH2 của lisine, -COOH cùa axit glutamic, aspartic, vòng imidazol của histidin, indol của tryptophan

• Vị trí xa nhau trong chuỗi polypeptide nhưng gần nhau trong không gian

Cấu trúc ENZYME (tt)

• Enzyme phức tạp– Enzyme nhiều cấu tử– Cấu tạo gồm 2 phần

• Phần protein – apoprotein• Nhóm ngoại – không phải • Nhóm ngoại – không phải

protein, yếu tố phối hợp (cofactor)

– Ion kim loại– Phức hữu cơ

(coenzyme)

– Tâm hoạt động bao gồm nhóm ngoại và nhóm định chức của các axit amin trong apoprotein

Một số coenzyme quan trọng

• Coenzyme là vitamin hoặc dẫn xuất của chúng– Thiamin pyrophosphate, TPP, vitamin B1

• Decarboxyl của α-cetoaminoaxit• Decarboxyl của α-cetoaminoaxit• Decarboxyl của α-cetoaxit• Chuyển nhóm ceto (trancetolase)

Thiamin pyrophosphate

N

CHS

CH

2

CH3

CH

2

CH

2

O P P

NH2

CH3

Một số coenzyme quan trọng (tt)

– Coenzyme flavin (FAD, FMN); vitamin B2• Tham gia quá trình hô hấp, vận chuyển hydro• Thuộc nhóm enzyme oxydoreductase

Ribitol

CH2 (CHOH)4CH2O P

izoalloxaxinC=O

NH

C=ON

N

NNCH3

CH3

CH2 (CHOH)4CH2O P

C=ONH

C=ONH

NH

NNCH3

CH3

CH2 (CHOH)4CH2O P

+2H

-2H

Ribitol

izoalloxaxinC=O

NH

C=ON

N

NNCH3

CH3

CH2 (CHOH)4CH2O P

Một số coenzyme quan trọng (tt)

– Pirodoxalphosphate và pirodoxaminphosphate (vitamin B6)

• Vận chuyển nhóm aminCH

NH2

COOHR C COOHR

N

H

NH2

C

O

CO OHR

+

N

C=OH

CH2OP

CH3

OH

N

CH

CH2OP

CH3

OH

2

-H2O

+H2O

NH2

CH

N

H

CH2OP

CH3

OH-H 2O

+H2O

Tóm tắt

R-CH-COOH

NH2

CO COOHR

CH

COOHR1

NH2

CO COOHR1

pirodoxaminPpirodixalP

Một số coenzyme quan trọng (tt)

– Nicotin amit nucleotit (NAD, NADP), vitamin PP• Tham gia vào quá trình hô hấp, vận chuyển hydro• Coenzyme của E. oxydoreductase

Một số coenzyme quan trọng (tt)

– Coenzyme A (CoA, CoASH)• Vận chuyển gốc axit• -SH liên kết với gốc axxit tạo liên kết cao năng

NN

NH2 axit pantetonic

(B3) alpha

COOH + HSCoA ~ + H2O

CH3COOHCH

3CO~SCoA H2O

R R Co SCoA

CoAaxyl-

HSCoA ++

O

O OH

H H

N

NN

N CH2-O-P

P

CO NH

CH2

CH2

CO

NH

CH2CH

2

SH

CH2-C-CHOHOP

CH3

CH3

(B3) alpha

alanin

Thioetanoamin

Nhoùm

hoaït

ñoäng

Một số coenzyme quan trọng (tt)

– Biotin, vitamin H• Coenzyme tham gia quá trình vận chuyển CO2• Biotin gắn với CO 2 tại nhóm –NH• Biotin gắn với apoenzyme tạo thành liên kết peptide tại

gốc lisine của apoproteingốc lisine của apoprotein

CH

CH2 S

CH

NH

CH

NH

O

(CH2)4 COOH

CH

CH2 S

CH

N

CH

NH

O

(CH2)4

COO

OC NH

CH2-(CH

2)4

CHCONH

Cacboxylbiotin

lizin

Một số coenzyme quan trọng (tt)

• Coenzyme là nucleotit và dẫn xuất– Nhiều mono-, di-, tri-nucleotide là coenzyme vận chuyển P

hoặc là thành phần cấu tạo coenzyme AMP, ADP, ATP– Các nhóm nuclotide khác như UTP, XTP, GTP cũng đóng

vai trò vận chuyển phosphatevai trò vận chuyển phosphate

ON

NN

N

NH2

H

OH OH

CH

2

O P

O

O ~~P

O

O P OH

O

AMPADPATP

Cơ chế tác dụng của enzyme

• Cơ chế: làm giảm năng lượng hoạt hóa– Phản ứng phân giải H2O2

• Không có chất xúc tác, Ehoạt hóa: 18kcal/mol• Có chất xúc tác Pt, Ehoạt hóa: 11.7kcal/mol• Có E. catalase, Ehoạt hóa: 5.5kcal/mol

• Qui định –S: cơ chất, E: enzyme, ES: phức enzyme-cơ chất, EP: phức enzyme-sản phẩmchất, EP: phức enzyme-sản phẩm– E + S → ES → EP → E + P – Phản ứng xảy ra qua 3 giai đoạn

• GĐ1: enzyme kết hợp với cơ chất bằnh liên kết yếu, tạo thành phức ES không bền. GĐ này xảy ra nhanh và năng lượng hoạt hóa thấp

• GĐ2:xảy ra sự biến đổi cơ chất dẫn tới sự kéo căng và phá vỡ các lk đồng hóa trị tham gia phản ứng, phức EP

• GĐ3: tạo thành sản phẩm, giải phóng E ở dạng tự do

– Phức ES và EP được cô lập ở dạng kết tinh

Cơ chế tácdụng củaEnzyme

Cơ chế tác dụng của enzyme (tt)

Cơ chế khóa-chìa

Cơ chế cảm ứng

Các liên k ết khi E tác d ụng lên S+ Lk ion+ Lk hydro+ Tương tác Van Der Waals+ Tương tác kị nước

Cơ chế tác dụng của enzyme (tt)

• Trung tâm hoạt động– Một phần rất nhỏ của phân tử enzyme tham gia kết

hợp đặc hiệu với cơ chất– Có 3 loại

• Nhóm xúc tác: trực tiếp biến đổi cơ chất• Nhóm xúc tác: trực tiếp biến đổi cơ chất• Nhóm tiếp xúc: làm nhiệm vụ đính E với S đúng

vị tríThông thường, nhóm xúc tác nằm gần nhóm tiếp

xúc nhờ cấu trúc bậc 3 và 4• Nhóm hỗ trợ: tạo điều kiện cho trung tâm hoạt

động hình thành. Đó là lk disulfit, lk hydro và một số lk khác giữ cho trung tâm hoạt động bền vững

Zymogen và sự hoạt hóa

• Zymogen là proenzyme, enzyme ở dạng chưa hoạt động; thông thường là các protease ở dạ dày, tụy

• Zymogen có thể được hoạt hóa bằng sự tự xúc tác hoặc do enzyme khác tác dụng

• Ví dụ Pepsinogen pepsin

Pepsin • Ví dụ Pepsinogen

KimotrypsinogenTrypsin, kimotrypsin

Kimotrypsin

TripsinogenTrypsin, enteropeptidase

ProcarboxypeptidaseTrypsin

Trypsin

Carboxypeptidase

Proelastase Elastase

Pepsin

Trypsin

���� E.Trypsin là quan tr ọng nh ất. Do vậy, lượng tripsin ph ải đảm bảo đầy đủ và đúng lúc ���� Hoạt hóa trypsin và các zymogen khác

Zymogen và sự hoạt hóa

• Các zymogen luôn được bọc trong màng lipoprotein và tụy luôn tiết ra chất đặc hiều để kìm hãm zymogen

• Cơ chế hoạt hóa zymogen

H

S

SS• Cơ chế hoạt hóa zymogen– Dưới tác dụng của các enzyme

hoạt hóa, zymogen bị cắt bớt một số liên kết peptide ở đầu N, phần còn lại sẽ thay đổi cấu hình không gian để hình thành trung tâm hoạt động enzyme và enzyme

– Hiệu suất hoạt hóa phụ thuộc vào nồng độ enzyme, bản chất

Trungtaâm

hoaït ñoäng

H

S

SS

Sự hoạt hóa trypsinogen

Trypsin /Enteropeptidase

Tính đặc hiệu của enzyme

• Enzyme chỉ tác dụng với những cơ chất nhất định; thể hiện như mối quan hệ ổ khóa-chìa khóa

• Tính chất qui định trật tự và sự nhịp nhàng của các qui trình trao đổi chất

• Các loại đặc hiệu– Đặc hiệu phản ứng: 1 E chỉ có thể xúc tác cho 1 kiểu phản – Đặc hiệu phản ứng: 1 E chỉ có thể xúc tác cho 1 kiểu phản

ứng chuyển hóa nhất định

– Đặc hiệu cơ chất• Đặc hiệu tuyệt đối:1E↔1S. Vd:enzyme Urease• Đặc hiệu tương đối:1 E có khả năng tác dụng lên

1 kiểu liên kết hóa học nhật định mà không phụ thuộc vào cấu tạo của các phần tham gia vào liên kết đó. Vd: enzyme Lipase

• Đặc hiệu nhóm: 1E chỉ tác dụng lên 1 kiểu lk hóa • Đặc hiệu nhóm: 1E chỉ tác dụng lên 1 kiểu lk hóa học nhất định nhưng một trong 2 thành phần tạo nên liên kết phải có cấu tạo xác định. Vd Carboxypeptidase

• Đặc hiệu lập thể: 1E chỉ tác dụng lên những đồng phân lập thể nhất định. Vd: α-glucosidase, β-glucosidase

Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng

• Ảnh hưởng của [S], [E] – Tốc độ phản ứng tỉ lệ

thuận với nồng độ cơ

độ

phả

n ứ

ng

Tốc độ cực đại khi nồng độ enzyme là A và B

chất S khi [S] còn ở mức thấp

– Khi [S] tiến tới giá trị cực đại thì tốc độ phản ứng phụ thuộc vào nồng độ enzyme E

Nồng độ cơ chất

Tốc

độ

ph

Vẫn còn trung tâm hoạt động tự do

Enzyme bão hòa cơ chất

Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng (tt)

• Ảnh hưởng của T– Vận tốc phản ứng E tăng

theo nhiệt độ trong giới hạn nhất định

– Mỗi E có khoảng nhiệt độ tối ưu nhất định, T

Đường cong chuẩn cho phản ứng vô cơ

Tốc độ tăng gấp đôi cho mỗi 10oC tăng của nhiệt độđộ tối ưu nhất định, Topt

– Topt phụ thuộc vào nồng độ, thời gian, trạng thái tồn tại của enzyme

0 20 40 60

Nhiệt độ tối ưu

Sự biến tính của enzyme

nhiệt độ

Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng (tt)

• Ảnh hưởng của pH– Mỗi enzyme chỉ có thể

hoạt đông tốt ở pH nhất định: pH tối ưu

– pHopt của pepsin:1,5-2,

Relative activity (%)Relative activity (%)Relative activity (%)Relative activity (%)

100100100100

PepsinPepsinPepsinPepsin Glutamic acidGlutamic acidGlutamic acidGlutamic aciddecarboxylasedecarboxylasedecarboxylasedecarboxylase

ArginaseArginaseArginaseArginase– pHopt của pepsin:1,5-2, amylase: 6.7, tripsin: 9

pHpHpHpH

SalvarySalvarySalvarySalvaryamylaseamylaseamylaseamylase

ArginaseArginaseArginaseArginase

Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng (tt)

• Chất hoạt hóa– Làm tăng khả năng hoạt

hóa của enzyme– Có bản chất rất khác

nhau: coenzyme, ion kim nhau: coenzyme, ion kim loại,…

Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng (tt)

• Chất kìm hãm– Có khả năng làm yếu hoặc chấm dứt hoàn toàn tác

dụng của enzyme– Bản chất hóa học khác nhau: ion kim loại, các hợp

chất hữu cơ phân tử nhỏ hoặc proteinchất hữu cơ phân tử nhỏ hoặc protein– Có 2 loại

• Chất kìm hãm cạnh tranh: có cấu tạo giống cơ chất �lk với tâm hoạt động của enzyme

• Kìm hãm không cạnh tranh: có thể gắn tự do vào enzyme cũng như phức ES