Bài giảng Enzyme và sự xúc tác sinh học - Đinh Ngọc Loan

ENZYME VÀ SỰ XÚC TÁC SINH HỌC Th.S Đinh Ngọc Loan Khoa Công Nghệ Thực Phẩm – ĐH Nông Lâm Tp. HCM 1 . KHÁI NIỆM: - Chất xúc tác sinh học: vận tốc cao, đặc thù. - Có trong tế bào mọi sinh vật - Tham gia phản ứng in vivo và in vitro . - > 2000 enzyme đã được khám phá. - Ứng dụng rộng rãi: CNTP, chăn nuôi, y dược... 2. CẤU TRÚC CỦA ENZYME - Protein: cấu trúc bậc I, II, III, IV. - Cofactor (nếu có): bản chất phi protein. 2.1 Bản chất của enzyme - Thành phần cấu tạo chỉ có protein: một hoặc nhiều chuỗi polypeptide. - Khối lượng phân tử phụ thuộc số lượng chuỗi hoặc chiều dài chuỗi. - 1 Dal = 1,67 * 10 -24 g 2.1.1 Enzyme một cấu tử - Ngoài protein (apoenzyme) còn có thêm cofactor. - Apoenzyme ảnh hưởng đến tính đặc hiệu cơ chất. - Cofactor ảnh hưởng đến đặc điểm phản ứng xúc tác. - Cofactor: + Ion kim loại: Zn 2+ , Fe 2+ , Cu 2+ , Mg 2+ , Ca 2+  liên kết chặt với apoenzyme. + Dẫn xuất của vitamin: liên kết chặt hoặc lỏng với apoenzyme. 2.1.2 Enzyme nhị cấu tử - Tính hoøa tan: tan trong nöôùc  dung dòch keo. - Tính löôõng cöïc. - Tính deã bieán tính. - Deã bò phaân giaûi bôûi protease. 2.2. Tính chaát lyù hoùa - Enzym moät caáu töû Trung taâm hoaït ñoäng laø nhoùm chöùc cuûa acid amin lieân keát laïi. Ví duï: Nhoùm SH cuûa cystein Nhoùm OH cuûa serin NH 2 cuûa lysin COOH cuûa aspartic vaø glutamic COOH cuûa AA cuoái maïch. 2.3. Trung taâm hoaït ñoäng cuûa enzym. - Enzym hai caáu töû Ngoaøi moät soá nhoùm chöùc cuûa axid amin coøn coù theâm cofactor (cation kim loại hay coenzym: nhóm ngoại, cosubstrate). 3. Cô cheá hoaït ñoäng xuùc taùc cuûa Enzym Cöôøng löïc xuùc taùc: - Enzym coù taát caû tính chaát cuûa chaát xuùc taùc + Caàn söû duïng vôùi moät löôïng nhoû. + Sau phaûn öùng ñöôïc traû laïi nguyeân nhö traïng thaùi ban ñaàu. - Öu ñieåm cuûa enzym: Cöôøng löïc xuùc taùc maïnh hôn chaát xuùc taùc voâ cô. Ví duï: H 2 O 2 H 2 O + ½ O 2 H 2 O 2 H 2 O + ½ O 2 H 2 O 2 H 2 O + ½ O 2 18 Kcalo pt + 11,7 Kcalo Catalase + 5,5 Kcalo Cô cheá xuùc taùc - Thuyeát hôïp chaát trung gian (Enzym) ( cô chaát) (chaát trung gian) (Enzym) (Saûn phaåm) Giaûi thích heä thoáng phaûn öùng ñoàng theå (Enzym vaø cô chaát cuøng moät traïng thaùi) Ñieàu kieän ñeå enzym keát hôïp cô chaát: dk.1. Trung taâm hoaït ñoäng enzym coù caáu truùc khoâng gian phuø hôïp vôùi cô chaát. (Thuyeát Fisher) – (Thuyeát oå khoùa – chìa khoùa) •Thuyeát Fisher – Thuyeát oå khoùa – chìa khoùa dk.2. Thuyeát tieáp xuùc caûm öùng Khi töông taùc E vaø S xaûy ra, coù söï thay ñoåi caáu hình khoâng gian cuûa trung taâm hoaït ñoäng E sao cho phuø hôïp vôùi cô chaát S. Thuyeát naøy ñöôïc giaûi thích cô cheá taùc duïng cuûa: alpha - amilase, ribonuclease, hexokinase •Thuyeát tieáp xuùc caûm öùng ( Koshland) dk.3. Moät soá enzym caàn hoaït hoùa môùi hoaït ñoäng ñöôïc •Thuyeát haáp phuï + Chaát xuùc taùc haáp phuï cô chaát leân beà maët chuùng  noàng ñoä cô chaát vuøng beà maët chaát xuùc taùc taêng  taïo ñieàu kieän phaûn öùng xaûy ra deã daøng. + Duøng giaûi thích cô cheá xuùc taùc phaûn öùng giöõa 2 chaát cuï theå . Ví duï: Cô chaát theå loûng (khí) Enzym theå raén. 4. Caùc yeáu toá aûnh höôûng ñeán vaän toác phaûn öùng do enzym xuùc taùc4.1. Nhieät ñoä •Aûnh höôûng cuûa nhieät ñoä ñeán vaän toác phaûn öùng. + Ở t o thaáp (0 o - 40 o C): V  khi t o  + ÔÛ t o cao: V  khi t o  (enzym bieán tính). + 80 o C – 100 o C: Ña soá enzym bò maát hoaït tính. + t o opt  Vmax (hoaït tính toái ña). + t o opt ñoäng vaät = 40 o C – 50 o C + t o opt thöïc vaät: 50 o C – 60 o C. 4.2. Aûnh höôûng cuûa pH - pH opt  Vmax pH thay ñoåi  ảnh höôûng möùc ñoä phaân ly cuûa caùc nhoùm  Thay ñoåi trung taâm hoaït ñoäng enzym  aûnh höôûng ñeán traïng thaùi ion hoùa cô chaát. Aûnh höôûng cuûa pH 4.3. Aûnh höôûng cuûa noàng ñoä cô chaát [S] ñeán vaän toác phaûn öùng enzym. Phöông trình Michaelis –Menten Hoạt tính enzyme thay đổi rõ rệt với sự thay đổi của các yếu tố môi trường mà một trong các yếu tố quan trọng nhất là nồng độ cơ chất. Như ta đã biết, nồng độ các cơ chất bên trong tế bào thường thấp. Ở nồng độ cơ chất rất thấp enzyme chậm tạo thành sản phẩm do ít khi được tiếp xúc với phân tử cơ chất. Nếu có mặt nhiều phân tử cơ chất hơn enzyme sẽ liên kết cơ chất thường xuyên hơn và tốc độ phản ứng (thường được thể hiện như tốc độ tạo thành sản phẩm) cũng lớn hơn ở nồng độ cơ chất thấp hơn. Do đó tốc độ của một phản ứng do enzyme xúc tác tăng lên theo nồng độ cơ chất Tuy nhiên nếu tiếp tục tăng nồng độ cơ chất thì tốc độ phản ứng cũng không tăng nữa vì các phân tử enzyme đã bão hoà cơ chất và đang chuyển hoá cơ chất thành sản phẩm với tốc độ cực đại ( Vmax ). Đường cong của nồng độ cơ chất bây giờ sẽ là đường hyperbole (Hình 16.17). Để biết được nồng độ cơ chất mà một enzyme cần để hoạt động thích hợp người ta thường dùng hằng số Michaelis ( Km ). Đây là nồng độ cơ chất enzyme cần để thực hiện được một nửa tốc độ cực đại và được dùng như một đại lượng đo ái lực thực sự của một enzyme đối với cơ chất. Giá trị Km càng thấp có ý nghĩa là nồng độ cơ chất mà enzyme xúc tác phản ứng cũng càng thấp.Hoạt tính enzyme cũng thay đổi theo sự thay đổi của pH và nhiệt độ ( hình 16.18 ). Phöông trình Michaelis V = Hằng số Michaelis Km = E S E-S 4.3. Aûnh höôûng cuûa noàng ñoä cô chaát [S] ñeán vaän toác phaûn öùng enzym. Phöông trình Michaelis –Menten - Km: Haèng soá Michaelis + [S]   V  + V = Vmax  V khoâng taêng duø S taêng. + V = thì Km = S - Haèng soá Michaelis ñaëc tröng cho aùi löïc enzym vaø cô chaát. Km caøng nhoû thì aùi löïc enzym vaø cô chaát caøng lôùn. 4.4 Söï hoaït hoùa enzym - Ñònh nghóa Chaát hoaït hoaù coù taùc duïng laøm taêng hoaït tính enzym. - Chaát hoaït hoùa Ion kim loaïi – vitamin – chaát höõu cô. Quaù trình hoaït hoùa: xaûy ra theo 1 trong 4 höôùng - Caét boû 1 ñoaïn peptid kìm haõm  loä trung taâm hoaït ñoäng. Trypsinogen  Trypsin Pepsinogen  Pepsin - Thaønh laäp caàu S-S ñeå hoaøn chænh trung taâm hoaït ñoäng cuûa enzym. - Thành laäp phöùc hôïp vôùi kim loaïi. - Hoaït hoùa nhôø hieän töôïng caûm öùng cuûa chaát gaây hieäu öùng dò khoâng gian. 4.5 Aûnh höôûng cuûa chaát kìm haõm (ức chế) leân vaän toác phaûn öùng. - Ñònh nghóa chaát kìm haõm. Chaát kìm haõm laø chaát laøm yeáu hay ngöng taùc duïng xuùc taùc cuûa enzym. Phaân loaïi chaát kìm haõm 1) Kìm haõm thuaän nghòch - Khi coù maët chaát kìm haõm: hoaït tính enzym yeáu; - Khi loaïi boû chaát kìm haõm: hoaït tính enzym bình thöôøng. 1.1) Kìm haõm thuaän nghòch caïnh tranh - •Xaûy ra khi enzym khoâng coù tính ñaëc hieäu tuyeät ñoái - •Chaát kìm haõm coù caáu taïo töông töï cô chaát E + I EI E + S ES E + P  Khi coù chaát kìm haõm caïnh tranh, Km taêng, aùi löïc enzym – cô chaát giaûm  vaän toác phaûn öùng giaûm. Kìm haõm thuaän nghòch caïnh tranh Malonic acid Succinic acid Fumaric acid 1.2) Kìm haõm thuaän nghòch khoâng caïnh tranh - Chaát kìm haõm I gaén vaøo E töï do vaø ES. - Caáu truùc I khoâng gioáng [S]  khoâng coù caïnh tranh 1.2) Kìm haõm thuaän nghòch khoâng caïnh tranh - Caùc phaûn öùng coù theå xaûy ra. I + E EI E + S ES E + P ES + I IES EI + S IES • Vaän toác phaûn öùng töø ES P bò chaäm laïi. I coù theå gaén ôû 1 trung taâm E khaùc vôùi trung taâm maø S gaén vaøo (Trung taâm dò khoâng gian). 2) Kìm haõm khoâng thuaän nghòch - Chaát öùc cheá [I] lieân keát hay phaù huûy trung taâm hoaït ñoäng cuûa enzym. - Khi loaïi [I] enzym vaãn khoâng trôû laïi traïng thaùi ban ñaàu. 5 Tính ñaëc hieäu cuûa enzym - Ñaëc hieäu quang hoïc Moïi enzym chæ taùc duïng leân moät trong nhöõng daïng ñoàng phaân quang hoïc. ( Daïng D – Daïng L – Daïng Cis – Daïng Trans) Tính ñaëc hieäu cuûa enzym Acid Fumaric L . acid Malic ( Daïng Trans) Tính ñaëc hieäu cuûa enzym - Ñaëc hieäu nhoùm • + Enzym phaûi taùc duïng leân moät kieåu lieân keát hoùa hoïc nhaát ñònh. • + Caáu taïo cuûa moät trong 2 caáu töû taïo thaønh lieân keát ñoù phaûi xaùc ñònh. Ví duï: Carboxy peptidase. + Xuùc taùc thuûy phaân lieân keát peptid. + Lieân keát peptid naøy phaûi gaàn goác COOH töï do. 5 Tính ñaëc hieäu cuûa enzym - Ñaëc hieäu tuyeät ñoái. Enzym chæ taùc duïng leân moät cô chaát nhaát ñònh. Ví duï: Urease chæ thuûy phaân ureâ. - Ñaëc hieäu töông ñoái Taùc duïng leân moät kieåu lieân keát hoùa hoïc, khoâng phuï thuoäc vaøo baûn chaát hoùa hoïc cô chaát. Ví duï: Lipase: Thuûy phaân lieân keát Ester cuûa Lipid. - A: Enzym Glucose 6P dehydrogenase B: Phosphatase C: Phosphoglucomutase D: Phospho hexo Isomerase 7. Phaân loaïi vaø danh phaùp 7.1. Teân thoâng duïng. Pepsine, trypsine, amilase, catalase 7.2. Teân heä thoáng Phaàn 1: Teân cô chaát Phaàn 2: Teân kieåu phaûn öùng + ase Ví duï: Malate dehydrogenase 7. Phaân loaïi vaø danh phaùp Hoäi nghò quoác teá sinh hoùa 1964: -Enzym chia làm 6 nhóm 1) Enzyme oxyd hoùa khöû ( oxydoreductase) 2) Enzym vaän chyeån (Transferase) 3) Enzyme thuûy phaân ( Hydrolase) 4) Enzyme phân cắt (lyase) 5) Enzyme đồng phân hóa (Isomerase) - 6) Enzyme tổng hợp (ligase hay synthetase) 7. Phaân loaïi vaø danh phaùp -Moãi enzym ñöôïc maõ hoùa baèng 4 con số Ví dụ: EC 2.7.1.1(enzym hexose 6 phosphotransferase) Soá thöù 1 “2” : chæ nhoùm chính cuûa enzym là nhóm 2 Soá thöù 2 “7” : chæ nhoùm phuï lớp 7 là nhóm vận chuyển phosphate. Soá thöù 3 “1”: phaân nhoùm phuï 1 cho biết nhóm nhận phosphate là nhóm rượu Soá thöù 4 “1”: thöù töï enzym trong nhoùm Loại enzyme Phản ứng do enzyme xúc tác Ví dụ phản ứng Oxydoreductase Các phản ứng oxy hóa khử Lactate dehydrogenase: Pyruvate + NADH + H       Lactate + NAD Transferase Các phản ứng chuyển nhóm giữa các phân tử   Aspartate Carbamoyltransferase: Aspartate + CarbamoylPhosphate   Carbamoylaspartate + Phosphate Hydrolase Thủy phân các phân tử. Glucose-6-Phosphatease Glucose-6-Phosphate + H2O Glucose + Pi Lyase Loại bỏ các nhóm để tạo thành các nối đôi hoặc bổ sung các nhóm vào nối đôi Fumarate hydratase L-malate fumarate + H2O Isomerase Các phản ứng xúc tác đồng phân hóa Alanine racemase: L-alanine            D-alanine Lygase Nối 2 phân tử nhờ năng luợng của ATP (hay của các nucleoside triphosphate khác) Glutamine synthetase: Glutamate + NH3 + ATP     Glutamine + ATP + Pi      1) Enzyme oxyd hoùa khöû: oxydoreductase - Enzym xuùc taùc phaûn öùng oxyd hoùa khöû  Teân goïi: Nhoùm cho H + – nhoùm nhaän H + - oxydoreductase - Enzyme nhò caáu töû Protein + coenzym NAD: Nicotinamid adenine dinucleotid NADP: Nicotinamid adenine dinucleotid phosphate - NAD - NADP Enzyme oxyd hoùa khöû: oxydoreductase - Enzyme phoå bieán. Dehydrogenase: vaän chuyeån hydrogen Oxydase: oxyd hoùa Cytochrome: vaän chuyeån ñieän töû Peroxydase: H 2 O 2 H 2 O + ½ O 2 2) Enzym vaän chyeån: Transferase - Xuùc taùc phaûn öùng chuyeån vò caùc goác (nhoùm chöùc) töø chaát naøy sang chaát khaùc. Phosphotransferase: chuyeån goác phosphate Glycoxyl –transferase: chuyeån goác glycoxyl Carboxyl transferase: chuyeån goác CO 2 3) Enzyme thuûy phaân: Hydrolase - Xuùc taùc phaûn öùng thuûy phaân vôùi söï tham gia cuûa H 2 O - Caùc enzym phoå bieán • + Esterase: thuûy phaân lieân keát ester • + Glucosidase: thuûy phaân lieân keát glycoside (Amilase, maltase) • + Peptidase: thuûy phaân lieân keát peptid: protease, pepsin, papain. • + Amidase: thuûy phaân lieân keát cuûa caùc amin + Urease, glutaminase 4) Enzyme lyase - Xuùc taùc phaûn öùng phaân caét moät nhoùm khoâng coù söï tham gia cuûa H 2 O. Ví duï: + Enzyme decarboxylase + Enzyme aldolase C – C + Enzyme hydratase: taùch hay nhaän H 2 O 5) Enzyme Isomerase. - Xuùc taùc phaûn öùng ñoàng phaân hoùa Daïng Cis  daïng trans Daïng D  daïng L Daïng Aldehyd  daïng cetone Chuyeån nhoùm noäi phaân töû: Mutase - Enzyme phoå bieán: Triophosphate isomerase Glucophosphate isomerase 6) Enzyme ligase hay synthetase Xuùc taùc phaûn öùng Xuùc taùc phaûn öùng toång hôïp chaát höõu cô nhôø naêng löôïng ATP vaø caùc chaát khaùc. Enzyme phoå bieán: Glutamine synthetase: Thàh lập liên kết C-N trong phản ứng tổng hợp glutamine. Acetyl CoA carboxylase Thàh lập liên kết C-C tham gia phản ứng tổng hợp acid béo.