Chương 6: EZYME Khái niệm Phân loại Cấu trúc 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 2 Phản ứng không có xúc tác 3 Phản ứng có xúc tác ăng lượng Energy Ea : ăng lượng hoạt hóa E a : Activation Energy Cơ chất H o R : hiệt lượng phản ứng reactants H o R : Heat of reaction Sản Phẩm products The extent of RX The extent of RX 4 Ea(PỨ ko xúc tác) >> Ea (PỨ có xúc tác) 5 H o R giống nhau đối với PỨ có xúc tác hoặc ko có xúc tác ở cùng nhiệt độ phản ứng H o R (PỨ ko xt) = H o R (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 ứng Có 2 loại Xúc tác hóa học Xúc tác sinh học
Khái niệm về enzyme Hoạt động ngoài tế bào 1. Protein: Trong điều kiện ph = 7, t o =37 o C protein phải phân giải mất trong nhiều tuần 2. Glucose: nằm ngoài tế bào để hàng năm không thay đổi 3. H 2 O 2 : khi nằm ngoài tế bào, nó phân giải từ từ. ếu có Pt xúc tác sự phân giải H 2 O 2 sẽ tăng lên 20000 lần Hoạt động trong tế bào 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 ngày cơ thể biến đổi 200g glucosetạo năng lượng đủ để đun 20L nước 3. Khi phân giải H 2 O 2 nếu có thêm 1 giọt máu thì sự phân giải tăng lên rất nhiều lần Khi có catalase xúc tác thì sự phân giải H 2 O 2 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 tinh
Xúc tác sinh học vs. xt vô cơ Giống nhau Đều là xúc tác Khác nhau Mức độ đặc c 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 Tâm hoạt động của enzyme hydrolase E O H H 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, -H2 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 EZYME (tt) Enzyme phức tạp Enzyme nhiều cấu tử Cấu tạo gồm 2 phần Phần protein apoprotein hóm 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 B 1 Decarboxyl của α-cetoaminoaxit Decarboxyl của α-cetoaxit Chuyển nhóm ceto (trancetolase) H 2 H 3 C C CH 3 H 2 HC C C O P P S H H2 2 Thiamin pyrophosphate
Một số coenzyme quan trọng (tt) Coenzyme flavin (FAD, FM); vitamin B 2 Tham gia quá trình hô hấp, vận chuyển hydro H 3 C H 3 C Thuộc nhóm enzyme oxydoreductase H 3 C H 3 C Ribitol H 2 C (CHOH) 4 CH 2 O P izoalloxaxin C=O C=O H Ribitol H 2 C (CHOH) 4 CH 2 O P izoalloxaxin +2H -2H C=O C=O H H 3 C H 3 C H 2 C (CHOH) 4 CH 2 O P H C=O H C=O H
Một số coenzyme quan trọng (tt) Pirodoxalphosphate và pirodoxaminphosphate (vitamin B 6 ) Vận chuyển nhóm amin R H H C H 2 C=O COOH R H H C C COOH R H C O + H CH 2 COOH HO H 3 C CH 2 OP -H 2 O +H 2 O HO H 3 C CH 2 OP -H 2 O +H 2 O HO H 3 C CH 2 OP Tóm tắt R-CH-COOH H 2 R CO COOH pirodixalp pirodoxaminp R1 H C COOH R1 CO COOH
Một số coenzyme quan trọng (tt) icotin amit nucleotit (AD, ADP), 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 H 2 O CH 2 -O-P P O axit pantetonic (B3) alpha CH 3 alanin CH 2 -C-CHOH CO C C CO H H2 H2 CH 3 H H O OH hoùm P hoaït ñoäng R COOH + HSCoA R Co ~ SCoA + H 2 O H CH 2 CH 2 SH Thioetanoamin axyl-coa CH 3 COOH + HSCoA CH 3 CO~SCoA + H 2 O
Một số coenzyme quan trọng (tt) Biotin, vitamin H Coenzyme tham gia quá trình vận chuyển CO2 Biotin gắn với CO 2 tại nhóm H Biotin gắn với apoenzyme tạo thành liên kết peptide tại gốc lisine của apoprotein O O H HC C H 2 H CH S H C (CH 2 ) 4 COOH COO HC C H 2 H CH S H C H CO HC lizin (CH 2 ) 4 OC CH H 2 -(CH 2 ) 4 Cacboxylbiotin
Một số coenzyme quan trọng (tt) Coenzyme là nucleotit và dẫn xuất hiều 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 phosphate H 2 H O O C O P H 2 O O O ~P O~ P OH OH OH AMP ADP ATP
Cơ chế tác dụng của enzyme Cơ chế: làm giảm năng lượng hoạt hóa Phản ứng phân giải H 2 O 2 Không có chất xúc tác, E hoạt hóa : 18kcal/mol Có chất xúc tác Pt, E hoạt hóa : 11.7kcal/mol Có E. catalase, E hoạt hóa : 5.5kcal/mol Qui định S: cơ chất, E: enzyme, ES: phức enzyme-cơ chất, 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 tác dụng của Enzyme
Cơ chế tác dụng của enzyme (tt) Cơ chế khóa-chìa Cơ chế cảm ứng Các liên kết khi E tác dụng 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 hóm xúc tác: trực tiếp biến đổi cơ chất hóm tiếp xúc: làm nhiệm vụ đính E với S đúng vị trí Thông thường, nhóm xúc tác nằm gần nhóm tiếp xúc nhờ cấu trúc bậc 3 và 4 hóm 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 Kimotrypsinogen Trypsin, kimotrypsin Kimotrypsin Tripsinogen Procarboxypeptidase Proelastase Trypsin, enteropeptidase Trypsin Trypsin Elastase Trypsin Carboxypeptidase E.Trypsin là quan trọng nhất. Do vậy, lượng tripsin phải 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 Dưới tác dụng của các enzyme hoạt hóa, zymogen bị cắt bớt một số liên kết peptide ở đầu, 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 H H S S S S Trungtaâm hoaït ñoäng S S
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 c 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 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 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 Tốc độ phản ứng Tốc độ cực đại khi nồng độ enzyme là A và B Vẫn còn trung tâm hoạt động tự do Enzyme bão hòa cơ chất ồng độ 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 opt T opt phụ thuộc vào nồng độ, thời gian, trạng thái tồn tại của enzyme Tốc độ tăng gấp đôi cho mỗi 10 o C tăng của nhiệt độ Đường cong chuẩn cho phản ứng vô cơ Sự biến tính của enzyme hiệt độ tối ưu 0 20 40 60
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 ph opt của pepsin:1,5-2, amylase: 6.7, tripsin: 9 Relative activity (%) Pepsin Glutamic acid decarboxylase 100 Arginase Salvary amylase ph
Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ Chất hoạt hóa Làm tăng khả năng hoạt hóa của enzyme Có bản chất rất khác nhau: coenzyme, ion kim loại, phản ứng (tt)
Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ Chất kìm hãm phản ứng (tt) 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 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