Chương II Enzym

Chương II: ENZYM- chất xúc tác sinh học
Khái niệm chung
Cấu tạo hoá học
Cơ chế tác dụng
Tính đặc hiệu
V. Các yếu tố ảnh hưởng đến vận tốc p.ứ enzym
VI. Phân loại và danh pháp enzym
VII. Các phương pháp nghiên cứu enzym
I. Khái niệm chung
1.1. Định nghĩa
Enzym - Chất xúc tác sinh học có bản chất protein
1926 - Sumner thu nhận urease dưới dạng tinh thể, đưa ra quan điểm: Enzym có bản chất Protein
Những năm 30 - Northrop và Kunitz thu nhận Pepxin, Tripxin, Chymotripxin dưới dạng tinh thể và khẳng định quan điểm: enzym có bản chất protein
I. Khái niệm chung
1.2. Sự giống nhau và khác nhau giữa enzym và chất xúc tác vô cơ:
1. Hiệu quả xúc tác cao
2. Tính đặc hiệu cao
3. Tính hợp tác và chu trình
4. Hoạt tính enzym phụ thuộc vào các điều kiện môi trường: pH, nhiệt độ, sự có mặt của chất kìm hãm và chất hoạt hoá

II. Cấu tạo hoá học của enzym
2.1. Enzym một thành phần
Chỉ cấu tạo từ Protein
Trung tâm hoạt động: Một phần của phântử protein thực hiện chức năng xúc tác.
TTHĐ là sự kết hợp của một số nhóm chức của một số gốc axit amin nhất định tạo thành
Các gốc: - SH (Cys), -OH (Ser, Tyr), vòng Imidazol (His), -COOH (Asp, Glu), vòng Indol (Try)
Ví dụ: Chymotripxin - 4 gốc His 57, Asp 102, Gly 193, Ser 195 (245 g?c)
Cholinesterase - 4 gốc His, Ser, Asp, Tyr

Enzym một thành phần (TT)
TTHĐ gồm Trung tâm cơ chất (vùng gắn, diện tích mỏ neo) và Địa điểm xúc tác.
Trung tâm cơ chất
Địa điểm xúc tác
Trung tâm dị không gian (TT Allostetic): Vùng nào đó của phân tử enzym khi các chất có KLPT nhỏ gắn vào làm thay đổi cấu hình không gian, kéo theo thay đổi hoạt tính của enzym
Chymotrypsin
TTHD g?m 4 gốc: His 57,
Asp 102, Gly 193, Ser 195

2.2. Enzym hai thành phần
Nhóm prostetic: Nhóm thêm liên kết bền vững với apoenzym
Bản chất: Ion kim loại Ca+2, Zn+2, Cu+ .
Zn+2 - Cacboxypeptidase A
Cu+ - Ascorbatoxydase, Phenoloxydase
Cấu tạo từ 2 thành phần: - Protein (Apoenzym)
- Nhóm thêm: Coenzym hay nhóm prostetic
Trung tâm hoạt động của cacboxypeptidase A
Table 11.5



Coenzym: Nhóm thêm dễ tách khỏi apoenzym
TPP
FMN
FAD.H2
FMN và FAD
Coenzym A (CoA-SH)
Quan hệ giữa apoenzym và coenzym:
Coenzym quyết định tính đặc hiệu phản ứng
Apoenzym quyết định tính đặc hiệu cơ chất
Tính d?c hi?u c?a Protease



Figure 11.12: Active site pockets of two serine proteases.
Figure 11.13: Catalysis of peptide bond hydrolysis by chymotrypsin.
III. Cơ chế tác dụng của enzym
3.1. Sự xúc tác
3.2. Học thuyết về sự hình thành phức hợp Enzym - Cơ chất (ES)
3.1. Khái niệm về xúc tác
Sự hình thành phức hợp ES
E + S ES
ES ES*
ES* EP
EP E + P
3.2. Học thuyết về sự hình thành ES
Figure 11.7:
Two models for enzyme-substrate interaction.


Triose photphate isomerase
IV. Tính đặc hiệu của enzym


Tính đặc hiệu phản ứng
Tính đặc hiệu cơ chất:
Đặc hiệu liên kết
Đặc hiệu nhóm (tương đối)
Đặc hiệu tuyệt đối
Đặc hiệu đồng phân quang học
5.1. ảnh hưởng của nồng độ cơ chất. Phương trình Michaelis - Menten.
V. Các yếu tố ảnh hưởng đến vận tốc phản ứng enzym
Michaelis-Menten Kinetics




V = k2[ES]
[E]t = [E] + [ES],
ở đây [E]t l� nồng độ enzym tổng số, [E] - enzym tự do và [ES] - enzym ở dạng phức hợp.
Năm1925, Briggs and Haldane: ở trạng thái cân bằng vận tốc hình thành và phân ly ES là bằng nhau, do đó

k1[E] [S] = k-1[ES] + k2[ES] (1)
Rút gọn pt (1) ta được :
[ES] = k1/(k-1 + k2) [E] [S] (2)


k1 - Hằng số vận tốc phản ứng tạo thành ES
k-1 Hằng số vận tốc phản ứng phân ly ES
k2 - Hằng số vận tốc phản ứng tạo phân ly ES thành sản phẩm
Kết hợp 3 hằng số vận tốc ta được:
Km= (k-1 + k2)/k1
Phương trình (2) thành:
Km[ES] = [E][S] (3)
Vì [E] = [E]t - [ES], nên
Km[ES] = [E]t[S] - [ES][S] (4)
Rút [ES],
[ES] = [E]t[S]/(Km+[S]) (5).
Thay V = k2 [ES] vào (5) ta được
V = k2[E]t[S]/(Km+[S]) ?


Phương trình cuối gọi là phương trình Michaelis-Menten, Km là hằng số Michaelis.
V = Vm [S]/(Km +[S])
Đồ thị biểu diễn quan hệ giữa (V) và nồng độ cơ chât ([S]).
Km - đặc trưng cho ái lực giữa enzym và cơ chất:
Khi ([S] >> Km), V đạt cực đại (Vmax). Enzym bị cơ châtbão hoà.
Khi [S] << Km thì phương trình là V = Vm [S]/Km, Vận tốc phản ứng phụ thuộc vào [S]
Khi Km = [S] thì V = Vmax/2 Km là [S] mà ở đó V = Vmax/2.

Phương trình Lineweaver-Burk .
Cách tính Km:
Tính theo phương trình V = Vm [S]/(Km +[S])
Làm t/n với [S] khác nhau, vẽ đồ thị, xác định Vm, suy ra Km = Vm/2
Chuyển phương trình Michaelis thành p/t đường thẳng:
1/V = Km/Vm. 1/[S] + 1/Vm
1/V = 0 thì 1/[S] = -1/Km
1/[S] = 0 thì 1/V = 1/Vm
Km,
5.2. ảnh hưởng của chất hoạt hoá và chất kìm hãm
5.2.1. ảnh hưởng của chất hoạt hoá
Chất hoạt hoá: Là những chất làm cho enzym từ trạng thái không hoạt động thành trạng thái hoạt động, từ trạng thái hoạt động yếu sang trạng thái hoạt động mạnh.
Bản chất hoá học:
Chất hoạt hoá gián tiếp: Tham gia phản ứng nhưng không tác dụng trực tiếp với phân tử enzym. VD: Axit ascorbic
Chất hoạt hoá trực tiếp: Tác dụng vào TTHĐ hoặc làm biến đổi cấu hình không gian của phân tử enzym

- Coenzym: -NAD+, NADP+, FAD, FMN- hoạt hoá các enzym oxi hoá khử
Các chát phá vỡ sự bao vây TTHĐ:
+ Enzym khác: Enterokinase biến đổi trypxinogen thành trypxin
+ Các chất phục hồi chức năng của TTHĐ: Các chất giàu -SH (Xistein, Glutation) - Papain
- Ion kim loại: Ô 11 đến ô 55


5.2.2. ảnh hưởng của chất kìm hãm

a. Kìm hãm cạnh tranh
5.2.2.1. Kìm hãm thuận nghịch
E + I = EI
[E]t = [E] + [ES] + [EI]
V = Vm [S ]/ Km (1 + [I]/ki) + [S]
K`m = Km(1 + [I]/ki)
V = Vm [S]/ K`m + [S]
b. Kìm hãm không cạnh tranh
E + I = EI
EI + S = EIS
[E]t = [E] + [ES] + [EI] + [EIS]
V = Vm/ (1 + [I]) x [S]/(Km + [S])
V`m = Vm/(1 + [I])
V = V`m [S]/(Km + [S])
5.2.2.2. Kìm hãm không thuận nghịch
5.4. ảnh hưởng của nồng độ E đến vận tốc phản ứng
ở các điều kiện không đổi, đặc biệt [S] không đổi, khi [E] tăng thì V tăng

5.5. ảnh hưởng của nhiệt độ đến hoạt tính của enzym
5.6. ảnh hưởng của pH môi trường đến hoạt tính của enzym

pH tối thích của một số enzyme
Enzyme pH tối thích Enzyme pH tối thích Pepsin 1,5 - 2,5 Trypsin 7,8 - 9,5 Saccarase (nấm men)4,6 - 5,0 Arginase 9,8 Amylase (mạch nha)4,4 - 5,0 Succinatdehydrogenase 9,0 amylase (nước bọt) 6,8 - 7,2 Catalase 6,8 - 7,0
Maltase (nấm men) 6,7 - 7,2 Phosphatase động vật 6,2 - 9,4
VI. Phân loại và danh pháp enzym
Danh pháp
Tên enzym phản ánh được: Kiểu phản ứng, cơ chất tác dụng + ase (aza)
Tên thường dùng: Trypsin, Chymotrypsin, pepsin, papain .
Ví dụ: Enzym xúc tác phản ứng:
ATP + D-Glucose ? ADP + D-Glucose-6-phosphate
Có tên Glucose phosphotransferase có mã số phân loại EC (Enzyme Commission number): 2.7.1.1
2: Nhóm 2
7: Nhóm phụ phosphotransferase
1: Nhóm nhóm phụ biểu thi nhóm -OH (nhóm nhận gốc phosphate)
1: biểu thị D-Glucose - chất nhận gốc phosphate
Tên truyền thống (thường dùng): Hexokinase
Hệ thống phân loại:
EC của IUBMB theo kiểu phản ứng đề nghị xếp các enzym thành 6 nhóm lớn:
Oxidoreductase
Transferase
Hydrolase
Lyase
Isomerase
Lygase (Synthetase)
Classification of Protein Enzymes

To reduce confusion in the naming of enzymes, the Enzyme Commission (EC) of the International Union of Biochemistry and Molecular Biology (IUBMB) devised a naming and numbering system. In it, enzymes are divided into six major classes, with sub-groups and sub-subgroups to define their functions more precisely. The major classes are as follows (Table 11.7):
1. Oxidoreductases catalyze oxidation - reduction reactions.
2. Transferases catalyze transfer of functional groups from one molecule to another.
3. Hydrolases catalyze hydrolytic cleavage.
4. Lyases catalyze removal of a group from or addition of a group to a double bond, or other cleavages involving electron rearrangement.
5. Isomerases catalyze intramolecular rearrangement.
6. Ligases catalyze reactions in which two molecules are joined.
The EC of the IUBMB has given each enzyme a number with four parts, such as EC 3.4.21.5. The first three numbers define major class, subclass, and sub-subclass, respectively. The last is a serial number in the sub-subclass, indicating the order in which each enzyme is added to the list, which is continually growing. For example, triose phosphate isomerase is listed as EC 5.3.1.1. Thus, it is an isomerase and in the third subclass (enzymes that involve an oxidation in one part of the substrate molecule and reduction in another). It is in the first sub-subclass (those that interconvert aldoses and ketoses) and is the first entry (of 19 so far) in this sub-subclass.
See also: Triose Phosphate Isomerase
INTERNET LINK: Enzyme Nomenclature Database