Kiến thức về enzym

[tuyenlab]

Cơ chế hoạt động xúc tác của enzim


1. Tính xúc tác của enzym
Trong cơ thể sinh vật người ta thấy các phản ứng hoá học xảy ra với tốc độ rất nhanh ở những điều kiện đặc biệt về nhiệt hoá học như:
- Nhiệt độ bình thường (thân nhiệt 370c)
- Môi trường có nước, không phát nhiệt mạnh.
- Hiệu quả phân giải và tổng hợp cao so với trình độ xúc tác kỹ thuật.

Tính xúc tác sinh học của enzym thể hiện chính ở chỗ enzym với nồng độ (số lượng) rất nhỏ cũng có khả năng tăng tốc độ phản ứng sinh hoá học lên hàng ngàn, vạn lần so với điều kiện bình thường. Nhưng cũng như các chất xức tác khác, bản thân enzym không tham gia vào sản phẩm cuối cùng của phản ứng.
2. Điều kiện để một phản ứng hoá học xảy ra
Ta hãy lấy ví dụ: C6H12O6 + O2 -> CO2 + H2O + 688Kcal
(Đây không phải là sự cháy trong điều kiện bình thường)
Để hiểu cơ chế xúc tác của enzym, ta cần nhớ lại một số điều kiện nhiệt động học để phản ứng tiến hành được. Tốc độ phản ứng hoá học của 2 chất A + B →AB phụ thuộc vào các yếu tố sau:
- Nồng độ các chất tham gia phản ứng A và B
- năng va chạm hữu hiệu giữa các phân tử
Ngoài ra, để phản ứng xảy ra được những phân tử chất tham gia phải ở trạng thái kích động (tức là ở trạng thái hoạt hoá). Muốn đạt được điều kiện này cần nạp cho phân tử cơ chất một nguồn năng lượng từ bên ngoài (dưới dạng nhiệt năng, điện năng hoặc quang năng).
Chất xúc tác có 2 nhiệm vụ:
- Tăng nồng độ các chất tham gia phản ứng
- Làm cho phản ứng chóng đạt tới điểm thăng bằng động
Về cơ chế xúc tác sinh học của enzym người ta đề ra nhiều giả thuyết để giải thích, nhưng đều thống nhất ở chỗ quá trình xúc tác bắt đầu bằng sự kết hợp giữa enzym và cơ chất thành hợp chất trung gian.
E (enzym) + S (cơ chất)→ ES hợp chất trung gian)
Cơ chất liên kết với enzym ở các trung tâm hoạt động. Sự liên kết này có tính chất chọn lọc đặc biệt.
Từ đặc điểm trên người ta đề ra 2 giả thuyết hoạt động của enzym.
3. Thuyết hoạt động của enzym
3.1. Thuyết tập hợp chất trung gian
Thuyết này do Nensky đề xướng và sau đó được Langhenbec phát triển.
Theo thuyết này trong phản ứng enzym và cơ chất kết hợp với nhau thành một hợp chất quá độ không bền vững. Do đó sản phẩm được tạo ra này đòi hỏi năng lượng hoạt hoá thấp hơn bình thường.
Thuyết này dùng để giải thích hệ thống enzym và cơ chất đồng pha (tức là cùng thể chất như nhau, ví dụ cùng lỏng) có thể biểu diễn qua sơ đồ sau:
Giả sử có phản ứng A + B -> AB
(Tiến hành chậm ở điều hẹn bình thường)
Khi thêm chất xúc tác K (hoặc có enzym) lập tức tốc độ thuận và nghịch tăng lên gấp bội.

Tốc độ ở đây rất cao vì nó tiến hành theo đường vòng để tránh mức năng lượng hoạt hoá quá cao. Lan - ghen- tec đã dùng nhiều hình mẫu của phản ứng đường vòng nói trên để chứng minh.
Ví dụ: Lấy hình mẫu esterase - enzym xúc tác sự thuỷ phân (hoặc tổng hợp) các este.

Nếu lấy benzoilcarbonyl thay enzym (C6H5 - CO - CH2OH) thì chất này sẽ tạo hợp chất trung gian, giải phóng rượu:

sau đó hợp chất trung gian dễ phân tán với sự có mặt của H2o thành acid và benzoilcarbonyl nguyên như cũ.

Nhờ có benzoicarbonyl mà trạng thái cân bằng động của phản ứng trên xảy ra với tốc độ gấp nhiều lần.
Hãy nêu một số thí dụ về sự giảm năng lượng hoạt hoá nhờ sự lập hợp chất trung gian như:

Bằng phương pháp nghiên cứu quang phổ hấp phụ Keilin đã chứng minh sự tồn tại có thực của những hợp chất trung gian.
Những nghiên cứu về trung tâm hoạt động của enzym cũng đem lại nhiều dẫn chứng về vấn đề lập hợp chất trung gian.

3.2. Thuyết hấp phụ
Thuyết này được Bai-li-xơ (1906) đề xướng trước tiên, về sau được nhiều tác giả bổ sung. Người ta dùng nó để cắt nghĩa hiện tượng xúc tác ở hệ thống enzym - cơ chất khác pha (không đồng nhất như cơ chất thể lỏng, chất xúc tác thể rắn).
Khi cho enzym vào hệ thống phản ứng, enzym hấp phụ cơ chất lên bề mặt của nó làm cơ chất tập trung lại. Nồng độ cơ chất tập trung cao hơn môi trường xung quanh, từ đó tốc độ va chạm hữu hiệu giữa các phân tử tăng lên gấp bội và các phản ứng tiến hành nhanh chóng.

[tuyenlab]

Cấu trúc hóa học của enzim


1. Enzym có nguồn gốc protein
Các công trình nghiên cứu, đặc biệt là những phát hiện của Samner (1926 - 1927) đã khẳng định rằng enzym có nguồn gốc protein. Điều này được chứng minh qua các đặc điểm sau:
- Trong nước, enzym hoà tan cho dung dịch keo với các đặc điểm như không khuếch tán và thẩm thấu, cho hiện tượng Tindal...

Mỗi enzym có điểm đẳng điện tương ứng và tại điểm đó nổ dễ sa lắng, dựa vào đó người ta tách riêng được enzym.
- Enzym có trọng lượng phân tử lớn, bị phá huỷ bởi các nhân tố giống như protein (nhiệt độ, acid, muối kim loại nặng...). Trọng lượng phân tử một số enzym:
Ribonuclease 13.000 - 15.000
Saccarase 20.000
Pepsin 35.000 - 37.000
Dehydrogenase hiếu khí 80.000
Catalase 248.000
Urease 483.000
2. Trung tâm hoạt động của enzym
Khi nghiên cứu về hoạt động của enzym người ta thấy rằng không phải toàn bộ phân tử enzym đều tham gia quá trình xúc tác một cách trực tiếp, mà chỉ có những phần nhất định nào đó. Phần nhất định đó là trung tâm hoạt động của enzym. Tuỳ từng loại enzym mà trung tâm hoạt động của enzym nhiều ít khác nhau, trung bình từ 1 đến 20 (có khi 100 như cholinesterase) hay gặp nhất là 3 - 4. Tính trung bình cứ một trung tâm tương ứng với trọng lượng phân tử M = 30.000 - 80.000.
Định nghĩa: Trung tâm hoạt động của enzym là vị trí tiếp xúc giữa enzym và cơ chất trên phân tử enzym. ở đây sẽ trực tiếp xảy ra các phản ứng sinh hoá học.
Ở những enzym đơn giản, trung tâm hoạt động được lập nên do kiểu bố trí một số gốc acid amin nào đó. Những gốc acid amin này phân bố theo kiểu nhất định thông qua cấu trúc bậc 1, 2, 3 của protein. Đặc biệt là cấu trúc bậc 2, 3. Các gốc acid amin này nằm xa trên mạch peptid nhưng gần nhau trong cấu trúc không gian.
Những gốc acid amin tham gia thành lập nên trung tâm hoạt động của enzym đáng kể nhất là:
Cystein với gốc SH Sâm với nhóm OH
Histidin với vòng imidazol
Ngoài ra còn có vòng indol của tryptophan, COOH của loại acid dicarboxylic cũng có tác dụng nhưng kém hơn.
* Nhóm sunfuryl (-SH) có hoạt tính hoá học cao nhất ở protein vì nó tham gia nhiều phản ứng như oxy - hoá thành disulflt, alkyl - hoá, oxyl - hoá, lập tre - este tạo mạch hydrogen . . .
Vì vậy nếu nhóm SH bị phong bế (ví dụ bởi loại độc' tố đặc biệt là tìm - độc tố như acid monoiodaxetic paraclormercunibenzoat...) thì toàn bộ phân tử enzym sẽ tê hệt và mất hoạt lực.
* Nhóm hydroxyl (- OH) của sâm là thành viên' quan trọng của trung tâm hoạt động nhiều loại enzym như esterase và phosphatase.
Ví dụ: cholinesterase tách axetyl-cholin thành choán và acid acetic hoặc hexokinase và phosphoglucomutase.
Nhóm OH của sâm ở đây dễ liên kết với H3PO4 tức là phản ứng phosphoryl - hoá.
Đây là phản ứng rất phổ biến của trao đổi vật chất.
Hoạt lực của OH - sâm chịu ảnh hưởng của histidin. Nếu nhóm OH - sâm bị phong toả (bởi dizopropymuorophosphat) thì trung tâm hoạt động mất tác dụng và enzym tê hệt. * Vòng imidazol của histidin chứa Nitơ hoá trị 3 (= N -) có hoạt tính cao, dễ liên kết với proton kim loại, các chuồn hữu cơ khác thành phức hợp có N+. Đáng kể nhất là khả năng acyl - hoá và phosphoryl - hoá thành các hợp chất N - acyl, N - phosphoryl không bền, tức là những chất quá độ của phản ứng enzym trong quá trình trao đổi vật chất.
Ở một số enzym đã được nghiên cứu kỹ, người ta thấy trung tâm hoạt động của enzym gồm nhiều đoạn ghép lại và những đoạn này khác nhau về tính phân cực hoặc tính ton.
Ví dụ: enzym cholinesterase có trung tâm hoạt động gồm các đoạn sau:
+ Đoạn mang điện tích âm tham gia cố định cơ chất (có thể do COOH tự do) đoạn a.
+ Đoạn esterase thực hiện cắt mạch este - quãng cách của mỗi đoạn là 7A0.

Hai gốc acid amin tạo nên đoạn esterase của trung tâm hoạt động là histidin và serin
Mỗi một trung tâm hoạt động của enzym có hình dạng và kích thước phù hớp với cơ chất mà enzym tác dụng. Sự phù hợp này được ví như găng tay với bàn tay, chìa khoá với ổ khoá.

Khi cấu trúc bậc 1, nhất là cấu trúc bậc 2, 3 của protein bị xáo trộn thì hình dạng của trung tâm hoạt động cũng thay đổi, do đó khả năng hoạt động của enzym cũng bị hạn chế hoặc tê liệt hoàn toàn.
Tóm lại nhiệm vụ của trung tâm hoạt động của enzym là:
- Gắn cơ chất lên phân tử enzym do nhiều acid amin thực hiện.
- Trực tiếp thực hiện các phản ứng hoá học do một acid amin hoặc nhóm ghép đảm nhận.

[tuyenlab]

Enzim và hiện tượng xúc tác sinh học


Sự sống là quá trình trao đổi vật chất liên tục, quá trình đó bao gồm hàng loạt phản ứng phân giải và tổng hợp. Kết quả là những chất glucid, lipid, protein... đưa theo thức ăn vào sẽ biến thành thành phần mới của mô bào hoặc thành năng lượng cung cấp cho hoạt động sống.

Các quá trình này nếu ở phòng thí nghiệm thường mất nhiều thì giờ, cần nhiều hoá chất, nhiệt độ cao mà kết quả đôi khi không phân hoá triệt để được. Trái lại, ở điều kiện in vi vo (tức là trong sinh thể) các phản ứng sinh hoá học nói trên tiến hành rất dễ dàng, nhanh và hiệu quả rất cao.
Đó là nhờ sự xúc tác của hệ thống enzym
1. Lịch sử về enzym .
Trước kia người ta đưa ra thuyết "sinh lực" thuyết này cho rằng các quá trình sống được điều khiển bởi một" lực huyền bí không thể tìm hiểu được.
Nhưng ngáy từ đầu thế kỷ XVIII người ta đã bắt đầu tìm tòi về quá trình tiêu hoá.
- Năm 1783 một người Ý tên là Spalacani gói thịt vào mảnh lưới thép rồi cho diều hâu nuốt, khi kéo lưới ra thì thịt đã bị hoà tan hết. Ông đưa ra kết luận là thịt bị một loại chất có tác dụng đặc biệt hoà tan.
Mãi đến năm 1811- 1814 nhà bác học Nga Kiếc-gốp tìm ra trong mầm lúa một chất có khả năng biến tinh bột thọ đường maltose.
Gần 19 năm sau, 1833, Phi- en và Pec- xô mới phân lập được chất đó dưới dạng tinh thể mà ngày nay chúng ta gọi là enzym amylase.
Tuy người Cổ Đại đã biết dùng enzym vào việc sản xuất lườn, thuộc da, làm bánh mì, làm pho-mat, làm mắm, ủ tương... nhưng sự nghiên cứu về enzym có thể nói chỉ phát triển từ cuối thế kỷ XIX.
Sang đầu thế kỷ XX, những phát hiện về enzym thu được càng nhiều, người ta đần dần biết được bản chất hoá học của enzym là protein, đã thu được nhiều enzym tinh khiết (sanmer 1926) đã phát hiện được cấu tạo nhóm ghép của enzym (Wilstaetter
1920 - 1930). Riêng việc nghiên cứu các enzym tiêu hoá đã được nhà sinh lý học người Nga Páp - lốp đóng góp đáng kể.
Cho tới nay các kiến thức về enzym đã tập hợp thành một môn học sâu rộng. Đó là môn enzym học (enzymologia).
2. Hiện tượng xúc tác
Hiện tượng xúc tác là hiện tượng làm tăng tốc độ phản ứng để cho hệ thống chóng đạt tới trạng thái cân bằng động.
A + B ↔ AB
Bằng những chất hoặc đưa từ ngoài vào cơ thể hoặc nó tự sản sinh trong quá trình phản ứng, bản chất của chất xúc tác là không tham gia vào sản phẩm cuối cùng của phản ứng.
A + B + K ↔ AB + K
Trong sinh thể các chất tham gia xúc tác các phản ứng hoá học gọi là enzym.
3. Định nghĩa về enzym
Enzym là chất xúc tác sinh học, nhờ có enzym mà các phản ứng sinh hoá học xảy ra với một tốc độ rất nhanh, chính xác, nhịp nhàng, hiệu quả cao và tiết kiệm năng lượng. Người ta cho rằng enzym là động cơ đầu tiên để sự sống biểu hiện bằng các hiện tượng sống.