BÀI GIẢNG HÓA SINH Xúc tác sinh học

XÚC TÁC SINH HỌC
ThS.BS.Nguyễn Minh Hà

Mục tiêu bài giảng : Sau khi học bài này, sinh viên Y2 phải :
1. Mô tả được cấu tạo và các trung tâm chức năng của enzym
2. Trình bày được tính đặc hiệu của enzym
3. Trình bày được các cơ chế điều hịa hoạt động enzyme
4. Trình bày được đặc điểm của hai giai đoạn của phản ứng enzym
5. Giải thích được ảnh hưởng của các yếu tố lý, hóa đến hoạt động của enzym
6. Trình bày được đặc điểm của coenzym.
7. Trình bày được vai trị của vitamin
8. Trình bày được các phương cách tác động lên tế bào đích của hormone.

1. ĐẠI CƯƠNG VỀ XÚC TÁC SINH HỌC
1.1. Động học của phản ứng hóa sinh
1.1.1. Năng lượng hoạt hóa và trạng thái chuyển tiếp
Mọi phản ứng bên trong tế bào, kể cả phản ứng phát năng (là phản ứng trên lý thuyết có
thể tự xảy ra), đều cần phải được cung cấp một lượng năng lượng nhằm đưa các phân tử cơ
chất tham gia phản ứng lên trạng thái kích thích mà tại đó, các va chạm giữa các phân tử cơ
chất trở nên có hiệu quả. Trạng thái này được gọi là trạng thái chuyển tiếp (tồn tại phức hợp
enzym-cơ chất) và năng lượng này được gọi là năng lượng tự do hoạt hóa.
Trong tất cả mọi phản ứng, trạng thái chuyển tiếp là trạng thái có năng lượng tự do cao
nhất. Năng lượng tự do hoạt hóa của Gibbs (G*) là chênh lệch của mức năng lượng tự do

1


giữa trạng thái chuyển tiếp và cơ chất (hình 1). Như vậy, năng lượng hoạt hóa càng thấp thì
phản ứng càng dễ xảy ra và chính enzym làm giảm năng lượng hoạt hóa của phản ứng hóa
học, do đó, làm phản ứng xảy ra nhanh hơn. Bảng 1 là các ví dụ cho thấy enzym làm giảm
năng lượng hoạt hóa của phản ứng.

Hình 1. Sự thay đổi năng lượng trong một phản ứng hóa sinh
Bảng 1. Năng lượng hoạt hóa của hoạt động enzym
Phản ứng

Saccarose + H2O

Glucose + Fructose

H2O2

H2O + ½ O2

Không xúc tác

G* = 32 000 cal/mol

G* = 18 000 cal/mol

Xúc tác vô cơ

(H+) , G* = 25 000 cal/mol

(Pt) , G* = 11 000 cal/mol

Saccarase, G* = 9 400 cal/mol

Catalase, G* = 5 500 cal/mol

Enzym

1.1.2. Phán đoán chiều của phản ứng hóa sinh dựa vào sự thay đổi năng lượng tự do
Sự thay đổi năng lượng tự do cho biết một phản ứng có thuận lợi về mặt năng lượng hay
không. Phản ứng thuận lợi về năng lượng có nghĩa là phản ứng ở mức năng lượng thấp hơn so
với mức năng lượng của cơ chất và ∆G là âm (nghĩa là phản ứng tiến hành tự nhiên). Trong

2


các hệ thống sinh học, việc cung cấp năng lượng thường được thực hiện bằng cặp phản ứng,
kết hợp một phản ứng không thuận lợi với một phản ứng thuận lợi về mặt năng lượng.
Nhờ G có thể phán đốn một phản ứng hóa học là thuận nghịch hay khơng thuận nghịch.
Xét hai chất A và B trong một hệ thống phản ứng hóa học:
 Với phản ứng A B, G = GA  GB, có 2 trường hợp xảy ra:
- G < 0 nghĩa là GB < GA : phản ứng tự xảy ra, thường là phản ứng thoái hóa.
- G > 0 nghĩa là GB > GA : phản ứng chỉ xảy ra khi đưa năng lượng vào phản ứng,
thường là phản ứng tổng hợp .
 Với phản ứng thuận nghịch AB (chiếm đa số bên trong tế bào) thì G khơng cố định
mà thay đổi theo nồng độ cơ chất và sản phẩm, có 3 trường hợp xảy ra:
- Khi A > B, G < 0 theo chiều từ A  B: phản ứng xảy ra theo chiều A  B .
- Khi A < B, G < 0 theo chiều từ B  A: phản ứng xảy ra theo chiều từ B  A
- Khi G = 0, tại nồng độ nào đó của A và B phản ứng đạt cân bằng.
Nếu

giá

trị

G âm nhỏ thì phản ứng dễ dàng xảy ra thuận nghịch

( đại đa số phản ứng trong cơ thể ) vì sự thay đổi nhanh chóng nồng độ các chất làm nhanh
chóng thay đổi G, phản ứng nhanh chóng đạt cân bằng. Nếu giá trị G âm lớn, phản ứng cần
thời gian rất dài mới đạt cân bằng, do đó, phản ứng xem như không thuận nghịch.
Để thuận lợi, người ta sử dụng G được xác định với một số điều kiện thử nghiệm tiêu
chuẩn: nồng độ ban đầu của cơ chất và sản phẩm đều lấy là 1,0M và pH là 7,0. Giá trị này
được gọi là Go. Sự thủy phân ATP để tạo thành ADP và Pi tự do là một ví dụ quan trọng của
phản ứng thuận lợi về mặt năng lượng với giá trị Go âm lớn (-30,5 kJ/mol). Do đó, phản ứng
này thường đi kèm để giúp những phản ứng khơng thuận lợi về mặt năng lượng có thể tiến
hành được.
Một chu trình phản ứng ln ln khơng thuận nghịch để tạo ra sản phẩm cuối cùng (là
những chất cần thiết cho cơ thể như protein, acid nucleic…). Do đó, để hồn thành một chu
trình phản ứng đến chất cuối cùng thì ngồi các phản ứng thuận nghịch, chỉ cần một vài phản

3


ứng khơng thuận nghịch. Kiểm sốt sự chuyển hóa của tế bào dựa vào những phản ứng không
thuận nghịch.
1.2. Đặc điểm chung của xúc tác sinh học
Sự xúc tác sinh học xảy ra trong cơ thể sống bởi chất xúc tác sinh học. Chất xúc tác sinh
học là sản phẩm của sinh vật do tế bào sản xuất với một lượng nhỏ, làm tăng nhanh phản ứng
và không thay đổi sau khi phản ứng kết thúc.
Chất xúc tác sinh học có ba loại: enzym, vitamin và hormon, trong đó enzym đóng vai trị
chính. Enzym xúc tác phản ứng hóa sinh làm cho vận tốc phản ứng tăng lên nhưng không làm
thay đổi cân bằng của phản ứng, không làm thay đổi sản phẩm đầu và cuối.
Xét phản ứng hóa sinh sau:

Trong đó, vận tốc của phản ứng ban đầu là10-4/giây và
vận tốc của phản ứng ngược là 10-6/giây. Ở trạng thái
cân bằng, tỷ lệ của nồng độ cơ chất và của sản phẩm là

một hằng số không đổi, hằng số cân bằng K.

Theo định nghĩa trong nhiệt động học, hằng số K của một phản ứng được tính bằng tỷ lệ
của nồng độ sản phẩm chia cho nồng độ chất tham gia ở trạng thái cân bằng. Đối với các phản
ứng hóa sinh, hằng số K được chấp nhận bằng với tỷ lệ giữa vận tốc phản ứng ban đầu K1 và
vận tốc của phản ứng đảo K2:

Như vậy, ở trạng thái cân bằng của phản ứng trên, nồng độ của B gấp 100 lần A dù có mặt
của enzym hay không. Đối với các phản ứng thuận nghịch, các enzym không làm thay đổi
trạng thái cân bằng nhưng thúc đẩy phản ứng nhanh chóng đạt cân bằng.

4


1.3. Đặc điểm của hoạt động enzym
1.3.1. Đặc điểm chung
Enzym bản chất là protein, do đó khơng chịu nhiệt và phần protein quyết định tính đặc
hiệu của enzym. Tất cả các tế bào của cơ thể đều tổng hợp được enzym tùy theo nhu cầu của tế
bào, sau đó hoạt động bên trong tế bào (enzym nội bào) hay ra bên ngoài tế bào mới hoạt động
(enzym ngoại bào).
Hầu như tất cả các enzym đều hoạt động tại pH sinh lý của cơ thể, áp suất khí quyển và
nhiệt độ cơ thể (khoảng 370C).
Enzym có tính đặc hiệu cao, mỗi enzym chỉ xúc tác một hay một nhóm cơ chất nhất định.
Enzym có thể thúc đẩy phản ứng nhanh gấp 106 -1011 lần, nhanh hơn rất nhiều so với xúc
tác vô cơ. Tùy theo điều kiện hoạt động, enzym được chia thành 2 loại:
- Enzym không cần cộng tố: bản chất là protein thuần, hoạt động một mình (ví dụ: enzym
thủy phân)
- Enzym cần cộng tố: gồm 2 phần: Apoenzym là protein và cộng tố (cofactor) có thể là kim
loại (Zn++ , Mg++…..) hay chất hữu cơ (gọi là coenzym), tạo thành dạng có hoạt tính xúc tác
hồn chỉnh được gọi là holoenzym.

1.3.2.Tính đặc hiệu của enzym
Đặc hiệu phản ứng: một cơ chất được biến hóa theo nhiều phản ứng khác nhau, mỗi phản
ứng được xúc tác bởi một enzym khác nhau. Ví dụ: acid amin được oxy hóa nhờ enzym
oxidase, được khử carboxyl nhờ enzym decarboxylase và được chuyển nhóm amin nhờ enzym
amino transferase.
Đặc hiệu cơ chất:
- Có enzym có tính đặc hiệu tuyệt đối với một cơ chất nhất định (ví dụ: urease chỉ thủy
phân ure).
- Có enzym có thể tác dụng với cả một nhóm cơ chất có cấu trúc gần giống nhau hoặc có
một bộ phận phân tử giống nhau (ví dụ: LDH ngồi tác dụng vào lactat cịn có thể tác dụng
vào các chất khác có nhóm –CHOH- như lactat).
5


- Có enzym có tính đặc hiệu kép như aminoayl synthetase trong quá trình tổng hợp
protein, tác dụng lên hai cơ chất có cấu trúc hồn tồn khác nhau là acid amin (hoạt hóa acid
amin đặc hiệu) và tRNA của amin đó (chuyển gốc acid amin đã được hoạt hóa cho tRNA đặc
hiệu để tạo thành phức hợp acid amin-tRNA)
Đặc hiệu lập thể: enzym chỉ tác dụng lên một trong hai dạng đồng phân quang hoạt. Ví dụ
như hầu hết enzym chuyển hóa acid amin chỉ tác dụng lên L-acid amin mà không tác dụng lên
D-acid amin.
1.3.3. Danh pháp và phân loại
Gọi theo tên quen dùng: từ thập niên 50, sau khi khám phá ra, các nhà khoa học đã đặt tên
riêng cho từng loại enzym và không theo quy luật nào cả như pepsin, trypsin, chymotrypsin…
Gọi theo tên cơ chất (hoặc liên kết) + ASE: thường là enzym thủy phân, ví dụ: thủy phân
ure là urease, thủy phân maltose là maltase, thủy phân liên kết peptide là peptidase, thủy phân
liên kết glucoside là glucosidase.
Gọi theo ( tên cơ chất +) tên phản ứng +ASE: ví dụ xúc tác phản ứng khử hydro là enzym
dehydrogenase, xúc tác phản ứng khử carboxyl của tyrosin là enzym tyrosin decarboxylase.
Để thống nhất cách gọi tên các enzym, Ủy ban enzym thế giới (Enzym committee) đưa ra

hệ thống danh pháp quốc tế như sau: các enzym được chia làm 6 loại chính dựa trên kiểu phản
ứng xúc tác của chúng (bảng 2). Mỗi enzym được xác định bởi một mã số xếp loại gồm 4 chữ
số, trong đó số thứ nhất chỉ loại, số thứ hai chỉ nhóm, số thứ ba chỉ phân nhóm, số thứ tự chỉ
thứ tự trong phân nhóm, trước 4 chữ số có chữ EC (Enzym Comission).
Ví dụ: trysin mang mã số EC 3.4.21.4. Số đầu tiên (số 3) cho biết enzym này thuộc nhóm
hydrolase. Số thứ hai (số 4) cho biết nó thuộc loại protease thủy phân liên kết peptid. Số thứ 3
(số 21) cho biết đây là một serin protease, có chứa gốc serin quyết định trong trung tâm hoạt
động. Số thứ tư (số 4) cho biết enzym này được xếp thứ tư trong nhóm này.

6


Bảng 2. Phân loại các enzym dựa theo kiểu phản ứng xúc tác
Loại
1

Tên enzym
Oxy hóa khử

Kiểu phản ứng xúc tác
Vận chuyển điện tử A- + B  A + B-

(oxydoreductase)

Phân nhóm
quan trọng
dehydrogenase, oxidase,
peroxidase, oxygenase,
reductase.

2

Chuyển nhóm

Chuyển các nhóm chức

aminotransferase,

(Transferase)

A-B + C  A + B-C

glucosyltransferase,
hexokinase

3

Thủy phân

Thủy phân A-B + H2O  A-H + B-OH

(Hydrolase)
4

esterase, glucosidase,
peptidase, amylase

Phân cắt

Phân cắt liên kết C-C, C-O, C-N và các

(Lyase)

liên khác khác để tạo thành liên kết đôi

pyruvat decarboxylase

AX-BY  A=B + X-Y
5

Chuyển đồng

Chuyển đổi các nhóm chức nội phân tử

epimerase, isomerase

phân (Isomerase) AX-BY AY-BX
6

Tổng hợp

Tổng hợp chất mới

ligase, synthetase,

(Ligase)

A + B  A-B

synthase, kinase

Chú ý: đối với phản ứng thuận nghịch gọi tên theo một chiều, ví dụ phản ứng nhận và khử
hydro được gọi tên theo chiều khử hydro nên enzym xúc tác là dehydrogenase.

2. ĐẶC ĐIỂM CẤU TRÚC CỦA ENZYM
2.1. Cấu trúc bán đơn vị
Enzym bản chất là protein nên có thể có cấu trúc bậc 3 hoặc 4 của protein. Enzym có nhiều
chuỗi polypeptide thì mỗi chuỗi polypeptide được gọi là một bán đơn vị (hay protome) và toàn
bộ phân tử enzym được gọi là oligome. Cấu trúc bán đơn vị là số lượng và sự xắp xếp các bán
đơn vị trong phân tử enzym. Ví dụ:

7


- Lactate dehydrogenase (LDH) có trọng lượng phân tử 140 000 gồm 4 bán đơn vị (trọng
lượng phân tử mỗi bán đơn vị là 35 000).
- Catalase có trọng lượng phân tử 252 000 gồm 6 bán đơn vị (trọng lượng phân tử mỗi bán
đơn vị là 42 000).
2.2. Isoenzym
Các isoenzym (isozym) là những dạng phân tử khác nhau của cùng một enzym dựa vào
cấu trúc bán đơn vị của nó. Các isoenzym của cùng một enzym xúc tác cùng một phản ứng
(cùng một cơ chất và sản phẩm), nhưng có những tính chất động học và vật lý khác nhau như
điểm đẳng điện, pH tối ưu, ái lực đối với cơ chất hay đối cới những tác động của các chất ức
chế. Những isoenzym khác nhau của một enzym nhất định thường tác động trong những mô
cơ thể khác nhau.
Một ví dụ về enzym có nhiều dạng isoenzym khác nhau là lactate dehydrogenase (LDH).
LDH được cấu tạo bởi 4 bán đơn vị xuất phát từ 2 loại chuỗi polypeptid khác nhau là chuỗi H
(H = heart, có nhiều ở tim) và M (M = muscle, có nhiều ở cơ). Do sự kết hợp ngẫu nhiên của 2
chuỗi này mà tạo nên 5 isoenzym khác nhau là H4 (LDH1), M1H3 (LDH2), M2H2 (LDH3),
M3H1 (LDH4) và M4 (LDH5).

Năm isoenzym này có thể được phân tách bằng phương pháp điện di. Bán đơn vị M có
nhiều trong mơ cơ xương và gan trong khi bán đơn vị H có nhiều trong mơ cơ tim. Các
isoenzym LDH1 và LDH2 có nhiều trong tim và hồng cầu, LDH3 trong não và thận còn
LDH4 và LDH5 có nhiều trong gan và cơ xương. Như vậy, cấu trúc của mỗi isoenzym đặc
trưng cho một mô đặc hiệu. Điều này có ý nghĩa lớn trong y học. Bệnh nhồi máu cơ tim, viêm
gan và các bệnh về cơ làm chết các tế bào của các mô bị tổn thương và phóng thích các chất
trong tế bào, trong đó có LDH, vào máu. Ở người bình thường, nồng độ LDH2 cao nhất, kế
đến là LDH1.Trong nhồi máu cơ tim, LDH1 và LDH2 đều tăng nhưng LDH1 tăng cao hơn so
LDH2. Trong bệnh viêm gan thì LDH1 và LDH2 bình thường cịn LDH5 tăng cao. Do đó, có
thể sử dụng sự gia tăng isoenzym đặc trưng cho một mô nào đó như là cơng cụ để chẩn đốn
và theo dõi điều trị.

8


2.3. Trung tâm hoạt động của enzym
Trung tâm hoạt động của enzym là vùng mà enzym kết hợp với cơ chất (và cộng tố, nếu
có) và chuyển đổi nó thành sản phẩm của phản ứng. Trung tâm hoạt động là một phần nhỏ của
phân tử enzym, có cấu trúc khơng gian ba chiều được tạo thành bởi các acid amin có thể ở rất
xa nhau trên chuỗi polypeptid. Tuy nhiên, sự xoắn cuộn gấp khúc trong không gian của chuỗi
polypeptid làm cho các nhóm acid amin này đứng gần lại nhau tạo thành trung tâm hoạt động.
Các acid amin của trung tâm hoạt động enzym thường là serin, histidin, tryptophan, cystein,
arginin, acid glutamic và lysin.
Hình 2. Trung tâm hoạt động của
chymotrypsin, được tạo thành từ sự đứng
gần nhau trong không gian 3 chiều của các
acid amin histidin (vị trí thứ 97), aspartat
(vị trí thứ 102) và serin (vị trí thứ 195), và
vị trí gắn với cơ chất.

Trung tâm hoạt động là nơi phản ứng hóa học xảy ra, gồm một nhóm hóa học gọi là gốc
xúc tác, trực tiếp tham gia tạo thành hay cắt đứt liên kết hóa học của cơ chất. Các cơ chất kết
hợp với trung tâm hoạt động bởi nhiều tương tác yếu như tương tác tĩnh điện, liên kết hydro,
9


lực hút Van der Walls, tương tác kỵ nước…Sau khi phức hợp enzym-cơ chất được hình thành,
các gốc xúc tác sẽ tác động trên phân tử cơ chất để chuyển chúng sang trạng thái chuyển tiếp,
rồi sau đó thành sản phẩm của phản ứng và phóng thích trong dung dịch. Kế đó, enzym tự do
lại kết hợp với phân tử cơ chất mới và bắt đầu lại một chu trình xúc tác mới.
2.4. Mơ hình kết hợp của cơ chất tại trung tâm hoạt động
Có hai mơ hình đã được đề nghị để giải thích sự kết hợp của enzym với cơ chất:
- Mơ hình ổ khóa-chìa khóa (tác giả Fisher đề nghị năm 1894): cấu trúc không gian giữa
trung tâm hoạt động của enzym và cơ chất giống như là chìa khóa và ổ khóa, khơng thay đổi
và hồn tồn ăn khóp với nhau. Mơ hình này khơng giải quyết thỏa đáng được một số kết quả
thu được trong thực nghiệm.
- Mơ hình tiếp xúc cảm ứng (tác giả Koshland đề nghị năm 1958): trung tâm hoạt động
của enzym chỉ được hình thành trong quá trình tiếp xúc giữa enzym với cơ chất. Do tác dụng
cảm ứng không gian, chính cơ chất (hoặc một chất kết hợp khác tương tự) đã làm biến đổi
cấu hình khơng gian của enzym và làm cho các nhóm chức năng của trung tâm hoạt động di
chuyển, định hướng một cách thích hợp và chính xác để gắn với cơ chất.

Hình 3. Sự kết hợp của cơ chất và enzym
10


2.5. Dạng hoạt động và dạng không hoạt động của enzym
Có những enzym được tế bào tiết ra ở dạng khơng hoạt động, sau một số phản ứng hóa học
mới trở nên hoạt động như các phương cách sau:
- Trở nên hoạt hóa nhờ bị cắt đi một số vùng cấu trúc: như những enzym tiêu hóa được

tiết ra bên trong tế bào ống tiêu hóa ở dạng khơng hoạt động gọi là tiền enzym (zymogen,
proenzym hoặc preenzym). Dạng không hoạt động này được đưa vào lịng ống tiêu hóa, tại đó,
dưới các tín hiệu như sự thay đổi pH hoặc sự hiện diện của một số chất đặc hiệu, tiền enzym
được cắt bớt một số acid amin để trở thành dạng hoạt động. Phương cách này giúp cho enzym
tiêu hóa chỉ hoạt động trong lịng ống tiêu hóa.
Ví dụ như chymotrypsinogen được tiết ra bởi tuyến tụy, là dạng khơng hoạt động có 245
acid amin, sau đó được đưa vào tá tràng, dưới sự hiện diện của trypsin, chymotrypsinogen bị
cắt loại đi 4 acid amin, vị trí 15 (arginin), 13 (leucin), 146 (tyrosin) và 148 (asparagine) để trở
thành chymotrypsin hoạt động.
- Trở nên hoạt hóa nhờ được phosphoryl hóa: như enzym phosphorylase có dạng b là
dạng khơng hoạt động do không gắn gốc phosphat. Phân tử phosphorylase b được kinase gắn
thêm gốc phosphat và trở thành phosphorylase a, là dạng có hoạt tính xúc tác phản ứng gắn
thêm gốc phosphate vào cơ chất.
2.6. Enzym dị lập thể và trung tâm dị lập thể
Một số loại enzym có nhiều hơn một trung tâm hoạt động. Đối với các enzym này, liên kết
của một phân tử cơ chất với trung tâm hoạt động ảnh hưởng đến liên kết của những phân tử cơ
chất với các trung tâm hoạt động khác trong phân tử enzym đó. Do đó, các enzym này đặc biệt
nhạy với những thay đổi nhỏ của nồng độ cơ chất.
Ngồi ra, hoạt động của các enzym này có thể được kiểm sốt bởi chất tác động (hoạt hóa
hoặc ức chế). Các chất này liên kết với enzym tại một vị trí khác với trung tâm hoạt động,
được gọi là trung tâm dị lập thể. Bằng cách này, chúng gây ra sự thay đổi cấu hình của trung
tâm hoạt động và làm thay đổi vận tốc phản ứng. Enzym có trung tâm dị lập thể được gọi là
enzym dị lập thể.

11


2.6.1.Enzym dị lập thể dương
Enzym dị lập thể dương hoạt động theo cơ chế dị lập thể dương (hay hoạt hóa dị lập thể).
Khi này, chất tác động được gọi là chất hoạt hóa dị lập thể. Ví dụ cơ chế hoạt hóa dị lập thể:

- Khi trung tâm dị lập thể chưa tiếp nhận chất hoạt hóa dị lập thể thì trung tâm hoạt động
khó tiếp nhận cơ chất. Sau khi trung tâm dị lập thể tiếp nhận chất hoạt hóa dị lập thể, trung
tâm hoạt động biến đổi cấu trúc ba chiều, trở nên dễ tiếp nhận cơ chất (hình 4).

Hình 4. Chất hoạt hóa dị
lập thể tạo thuận lợi cho
enzym tiếp nhận cơ chất.

-

Enzym được hoạt hóa nhờ gắn AMP vịng: ở dạng khơng hoạt động, bán đơn vị điều hòa

(R) (chứa trung tâm dị lập thể dương) trống, khơng gắn AMP vịng, do đó, bán đơn vị tác dụng
(C)(chứa trung tâm hoạt động) gắn với bán đơn vị điều hòa khiến enzym bị bất hoạt. Bán đơn
vị điều hòa sẽ rời khỏi bán đơn vị tác dụng sau khi tiếp nhận chất hoạt hóa dị lập thể là AMP
vịng. Do đó, trung tâm hoạt động trên bán đơn vị tác dụng trở nên trống, sẵn sàng nhận cơ
chất (dạng hoạt động) (hình 5).

Hình 5. Cơ chế hoạt hóa dị lập thể nhờ gắn AMP vịng (cAMP)

12


2.6.2. Enzym dị lập thể âm và cơ chế ức chế phản hồi
Enzym dị lập thể âm hoạt động theo cơ chế dị lập thể âm (hay ức chế dị lập thể). Khi này,
chất tác động được gọi là chất ức chế dị lập thể. Cơ chế dị lập thể âm quan trọng và phổ biến
trong các hệ thống sinh học là cơ chế ức chế phản hồi (feed back inhibition): enzym tham gia
đầu tiên vào q trình chuyển hóa bị ức chế bởi sản phẩm cuối của quá trình đó. Sự điều hịa
theo phương cách này cho phép tiết kiệm năng lượng dự trữ của cơ thể và tránh tích tụ một
lượng lớn chất chuyển hóa trung gian vơ ích.

(a) Sự ức chế theo chuỗi

(b) Sự ức chế cộng gộp

Hình 6. Ví dụ về cơ chế ức chế phản hồi ở E.Coli

13


Có hai dạng ức chế phản hồi:
- Sự ức chế theo chuỗi: thường gặp trong hệ thống multienzym, sản phẩm của enzym sau
sẽ ức chế chính enzym đó. Ví dụ như sự tổng hợp một số acid amin ở E.Coli (hình 6a).
- Sự ức chế cộng gộp: ví dụ sự điều hòa tổng hợp glutamin ở E.Coli. 6 sản phẩm dẫn xuất
từ glutamin đều là chất hoạt hóa dị lập thể âm của enzym glutamine synthetase và sự phối hợp
của cả 6 chất này làm làm tăng tác dụng ức chế enzym (hình 6b).
Các sản phẩm cuối của một quá trình chuyển hóa nhiều phản ứng thường ít khi tương đồng
với hợp chất ban đầu về mặt cấu trúc phân tử, do đó, nó trở thành chất ức chế dị lập thể, liên
kết với enzym đầu tiên (của quá trình chuyển hóa đó) ở vị trí trung tâm dị lập thể.
2.7. Hệ thống multienzym
Các phản ứng xảy ra trong hệ thống sinh học do enzym xúc tác thường là một chuỗi liên
tiếp từ phản ứng thứ 1 đến phản ứng thứ n để tạo ra sản phẩm cuối cùng. Hệ thống enzym xúc
tác chuỗi phản ứng được gọi là multienzym, trong đó, sản phẩm của enzym thứ nhất là cơ chất
của enzym tiếp theo. Hệ thống multienzym thường ở ba dạng:
- Dạng hịa tan: trộn lẫn trong bào dịch (ví dụ các enzym tham gia chu trình HDP)
- Dạng phức hợp: các enzym gắn với nhau thành một khối (ví dụ enzym acid béo
synthetase gồm 7 enzym tạo thành phức hợp enzym)
- Dạng gắn với màng tế bào: ví dụ hệ thống enzym oxy hóa khử.

3. ĐỘNG HỌC CỦA ENZYM

3.1. Vận tốc phản ứng enzym – Phương trình Michaelis-Menten
Enzym xúc tác phản ứng theo nguyên tắc làm tăng nhanh phản ứng, nhưng không làm thay
đổi cân bằng của phản ứng. Phản ứng có enzym xúc tác sẽ qua hai bước. Đầu tiên, enzym kết
hợp cơ chất (S) thành hợp chất tạm thời enzym –cơ chất (E-S), làm giảm độ bền trong liên kết
cơ chất, khiến cho phản ứng xảy ra nhanh hơn , và sau đó, tạo sản phẩm (P) và trả enzym về
dạng tự do. Khảo sát phản ứng có enzym xúc tác chính là khảo sát vận tốc phản ứng.
14


Xét một phản ứng có xúc tác enzym với vận tốc phản ứng (V) và nồng độ cơ chất ([S]). Đồ
thị biểu diễn tương quan giữa (hình 7) cho thấy phản ứng qua giai đoạn tuyến tính và khơng
tuyến tính. Trong giai đoạn tuyến tính, khi nồng độ S nhỏ thì vận tốc phản ứng (V) tỷ lệ thuận
với S, sản phẩm được tạo thành một cách nhanh chóng. Khi nồng độ S tăng đến mức nào đó
(giai đoạn khơng tuyến tính), V khơng tỷ lê thuận với S nữa mà đạt đến vận tốc tối đa là
Vmax. Lúc này, V gần như không phụ thuộc vào nồng độ cơ chất nữa (các điều kiện khác cố
định). Khi V đạt Vmax là trạng thái enzym đã bão hịa cơ chất.

Hình 7. Tương quan giữa vận tốc phản ứng enzym và nồng độ cơ chất.
Cách để enzym thúc đẩy nhanh phản ứng hóa học mà khơng làm thay đổi cân bằng phản
ứng được chứng minh bằng động học của enzym với năng lượng hoạt hóa và mơ hình
Michaelis- Menten. Diễn tiến phản ứng có enzym xúc tác gồm 2 bước như sau, với ET là
toàn bộ enzym, E là enzym tự do và E-S là phức hợp enzym kết hợp cơ chất.
K1
E+S

K3
E-S

E+P

K2
Do ET = E + ES nên E = ET  ES. Từ đó:
-Tốc độ tạo thành E-S là :

V1 = K1 E S (1)

-Tốc độ phân ly phân ly E-S là : V2 = K2 ES

(2)

V3 = K3 ES

15


-Khi V = Vmax , enzym khơng cịn ở dạng tự do nữa mà tất cả ở dạng kết hợp với cơ chất,
nên ES = ET và lúc đó V3 = K3 ET (3)
-Ở trạng thái cân bằng, tốc độ tạo thành E-S bằng tốc độ phân ly E-S : V1 = V2 + V3
-Thay thế các trị số của V1, V2 , V3, sẽ có:

-Từ (1), (2), (3) và (4) rút ra được phương trình Michaelis –
Menten như sau, với Km là hằng số Michaelis –Menten:
Đồ thị tương quan giữa vận tốc phản ứng enzym và nồng độ cơ chất cho thấy:
- Trong giai đoạn tuyến tính, [S] nhỏ hơn Km nhiều, thế vào phương trình MichaelisMenten sẽ thành V = (Vmax [S]) / Km cho thấy khi này V tỷ lệ thuận với nồng độ cơ chất [S].
- Tại thời điểm nồng độ cơ chất [S] = Km, thế vào phương trình Michaelis-Menten sẽ
thành V = (Vmax [S]) / ([S] + [S]) = ½ Vmax. Như vậy, Km chính là nồng độ cơ chất tại thời
điểm vận tốc V= ½ vận tốc tối đa Vmax.
- Khi phản ứng tiến đến vơ cực (giai đoạn khơng tuyến tính), [S] lớn hơn Km nhiều, thế
vào phương trình Michaelis-Menten sẽ thành V = (Vmax [S]) / [S]  Vmax cho thấy khi này
phản ứng đã đạt vận tốc tối đa, không còn phụ thuộc nồng độ cơ chất [S].

3.2.Ý nghĩa của hằng số tốc độ Km
Hằng số tốc độ Km phản ánh hoạt tính enzym và ái lực của enzym đối với cơ chất, giúp
các nhà nghiên cứu có thể gián tiếp so sánh các enzym với nhau.

16


Những phản ứng enzym có giá trị Km nhỏ chứng tỏ enzym đó có hoạt tính yếu (vì khi
nồng độ cơ chất tăng lên thì enzym nhanh chóng bão hịa cơ chất và vận tốc phản ứng nhanh
chóng đạt tối đa chỉ với lượng nhỏ cơ chất) và có ái lực cao với cơ chất (vì chỉ cần một lượng
nhỏ cơ chất vận tốc nhanh chóng đạt ½ vận tốc tối đa).
Những phản ứng enzym có giá trị Km lớn chứng tỏ enzym đó có hoạt tính mạnh và ái lực
thấp hơn với cơ chất (vì enzym hoạt động chậm hơn, sau một thời gian dài hơn mới đạt vận
tốc tối đa. Bên cạnh đó, phản ứng cần lượng lớn cơ chất mới đạt ½ vận tốc tối đa, vì vậy, khi
nồng độ cơ chất có tăng lên enzym vẫn hoạt động).
3.3. Đồ thị Lineweaver-Burk
Từ đồ thị ở hình 7, Vmax của phản ứng sẽ được đạt đến ở giá trị của nồng độ cơ chất là vô
cực nên không thể đánh giá được Vmax (và cả Kmax) từ đồ thị này. Tuy nhiên, Vmax và Kmax có
thể xác định bằng thực nghiệm bằng cách đo V với những nồng độ khác nhau của cơ chất.

Hình 8. Biến đổi của phương trình Michealis-Menten (hình trên)
và đồ thị Linewearver-Burk (hình dưới)
Để tìm Km và Vmax một cách dễ dàng và chính xác, người ta lấy nghịch đảo của 2 vế của
phương trình Michaelis-Menten để có phương trình biến đổi (hình 8). Đây là cơ sở để xây
dựng đồ thị Linewearver-Burk (hình 8). Đồ thị này cắt trục tung tại 1/Vmax và cắt trục hoành

17


tại 1/Km. Độ dốc của đường thẳng này là giá trị Km/Vmax. Đồ thị Linewearver-Burk rất hữu

dụng khi cần phát hiện hiện tượng ức chế hoạt động enzym do sự hiện diện của các chất ức
chế cạnh tranh hoặc không cạnh tranh.
Đơn vị hoạt độ của enzym thường được được biểu thị đơn vị enzym (U). Một đơn vị hoạt
độ (1 U) của enzym là lượng enzym cần thiết để xúc tác việc chuyển 1 mol cơ chất trong 1
phút ở 250C trong những điều kiện tối ưu của enzym đó.
3.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động của enzym
3.2.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hoạt động của enzym
Đối với động vật có vú, đa số enzym hoạt động ở nhiệt độ gần 37oC. Enzym mất hoạt tính
ở >700C. Từ 00C hoạt độ của enzym tăng dần đến nhiệt độ tối ưu, trên nhiệt độ tối ưu thì hoạt
độ enzym giảm dần. Tuy nhiên, có một số sinh vật có hệ enzym hoạt động ở những nhiệt độ
tương đối cao. Ví dụ như vi khuẩn Thermus aquaticus sống ở suối nước nóng có enzym Taq
polymerase hoạt động tối ưu ở 72oC.
3.2.2 . Ảnh hưởng của pH đến hoạt động của enzym
Mỗi enzym có một pH tối ưu mà tại đó vận tốc của phản ứng xúc tác sẽ đạt tối đa, gọi là
pH optimum (pHo). Ngoài pHo hoạt độ enzym giảm dần. Đa số enzym có pHo gần khoảng 6,8
nhưng cũng có những trường hợp khác biệt do mơi trường hoạt động. Ví dụ như pepsin là một
enzym tiêu hóa hoạt động trong dạ dày có pHo là 1,6 (hình 9a) cịn glucose-6-phosphatase
hoạt động trong bào tương tế bào gan có pHo là 7,8 (hình 9b).
3.2.3.Ảnh hưởng của chất hoạt hóa đến hoạt động của enzym
Chất hoạt hóa làm tăng hoạt tính của enzym. Chất hoạt hóa có bản chất hóa học rất khác
nhau, ví dụ: Cl hoạt hóa amylase, glutathion hoạt hóa protease thực vật, cystein hoạt hóa
nhóm -SH hoạt động. Enzym dị lập thể có chất hoạt hóa dị lập thể, ví dụ như AMP vịng.

18


Hình 9. Ảnh hưởng của pH lên vận tốc của phản ứng xúc tác enzym

3.2.4. Ảnh hưởng của chất ức chế đến hoạt động của enzym
Những chất tác động trực tiếp lên enzym, làm giảm khả năng kết hợp của enzym với cơ

chất, qua đó làm giảm vận tốc xúc tác của enzym được gọi là các chất ức chế. Có hai ức chế
enzym là ức chế thuận nghịch và ức chế khơng thuận nghịch. Ức chế thuận nghịch có thể chia
thành hai loại là ức chế cạnh tranh và ức chế không cạnh tranh.
Ức chế không thuận nghịch: chất ức chế liên kết một cách không thuận nghịch với enzym
thường bằng các liên kết cộng hóa trị với một gốc acid amin ở trong hoặc rất gần trung tâm
hoạt động và làm bất hoạt enzym, thường là gốc serin và cystein có các nhóm chức tương ứng
là –OH và –SH. Ví dụ: kháng sinh penicillin ức chế khơng thuận nghịch enzym glycopeptid
transpeptidase, thành lập những liên kết chéo trong thành tế bào vi khuẩn bằng các liên kết
cộng hóa trị với gốc serin trong trung tâm hoạt động của enzym.
Ức chế thuận nghịch cạnh tranh: chất ức chế cạnh tranh có cấu trúc gần giống cơ chất nên
cạnh tranh với cơ chất để kết hợp vào trung tâm hoạt động của enzym, làm cho enzym không
kết hợp được với cơ chất . Khi nồng độ cơ chất tăng lên vượt xa nồng độ chất ức chế thì có thể
sẽ đẩy được chất ức chế ra khỏi trung tâm hoạt động và hoạt tính của enzym trở lại bình
thường. Hình 9 minh họa sự ức chế hoạt tính của enzym succinate dehydrogenase khi có mặt
chức ức chế cạnh tranh là malonat.

19


Hình 10. Sự ức chế succinat dehydrogenase bởi malonat
Trong điều kiện bình thường (hình a), enzym succinat dehydrogenase xúc tác phản ứng oxy hóa khử
chuyển succinat thành fumarat. Khi có mặt của malonat (hình b), malonat tranh giành trung tâm hoạt
động của enzym làm cho phản ứng không xảy ra.

Ức chế thuận nghịch không cạnh tranh: chất ức chế không cạnh tranh có cấu tạo hóa học
khác với cơ chất, gắn với enzym ở vị trí khác với trung tâm hoạt động của enzym, gây nên sự
thay đổi cấu trúc không gian của enzym đưa đến việc làm giảm hoạt độ hoặc biến tính enzym.
Chất ức chế khơng cạnh tranh có thể lả những chất gây biến tính enzym (như ion kim loại
nặng, acid…) hoặc có thể là chất ức chế dị lập thể đối với enzym dị lập thể. Enzym có thể liên
kết với chất ức chế, với cơ chất hoặc có thể với cả hai cùng lúc.

4. COENZYM
Coenzym là phân tử hữu cơ nhỏ (thường là các vitamin tan trong nước ), có thể thẩm tích
được do gắn lỏng lẻo với enzym, trực tiếp tham gia phản ứng vận chuyển điện tử, hydro hoặc

20


các gốc hóa học. Mỗi enzym có một apoenzym tương ứng và nhiều enzym có thể có cùng một
coenzym.
Một số coenzym, như NAD+ hoặc CoA, được gắn với enzym rồi tiếp đến lại được giải
phóng ra khỏi enzym trong quá trình xúc tác và đóng vai trị như chất đồng cơ chất. Nhiều
coenzym là những dẫn xuất từ các tiền chất là các vitamin. Vitamin là những hợp chất thiết
yếu trong khẩu phần ăn và nếu thiếu chúng, cơ thể sẽ mắc một số bệnh do thiếu vitamin. Bảng
3 giới thiệu một số coenzym thường gặp, tiền chất vitamin của chúng và các bệnh do thiếu
vitamin này.
Bảng 3. Một số coenzym thường gặp
Coenzym

Tiền chất

Bệnh do thiếu vitamin

Thiamine pyrophosphate

Thiamine (vitamin B1)

Tê phù (Béri-béri)

FAD, FMN

Riboflavin (vitamin B2)

Chậm lớn

NAD+, NADP+

Niacine (vitamin B3 hoặc PP)

Pellagre

Coenzym A

Acid pantothenic (vitamin B5)

Viêm da

Pyridoxal phosphat

Pyridoxin (vitamin B6)

Viêm da

Biotin-lysin (biocytin)

Biotin (vitamin B7 hoặc H)

Rụng tóc, viêm da

Deoxyadenosyl cobalamin

Cobalamin (vitamin B12)

Thiếu máu ác tính

Tetrahydrofolat

Acid folic

Thiếu máu

Đồng cơ chất trong sự hydroxyl

Acid ascorbic (vitamin C)

Scorbut (Scurvey)

hóa prolin thành collagen
4.1. NAD+, NADP+
Nicotinamid adenine dinucleotide (NAD+) và nicotinamid adenine dinucleotide phosphat
(NADP+) (hình 11) là hai coenzym được tổng hợp từ tiền chất là niacin (vitamin B3), có chức
năng giống nhau là vận chuyển điện tử trong các phản ứng oxy hóa khử. Phần hoạt động của
hai phân tử này là nhân nicotinamid tồn tại dưới dạng oxy hóa hoặc dạng khử và hoạt động
bằng cách nhận hay cho điện tử tùy theo phản ứng enzym (hình 12).

21


NADP+/NADPH,H+ và NAD+/NADH là các cặp coenzym có hoạt tính cao, phổ biến và
rất quan trọng, tham gia vào rất nhiều các q trình chuyển hóa quan trọng của cơ thể như chu

trình acid citric để tạo năng lượng, quá trình oxy hóa acid béo, q trình ly giải đường, chuyển
nhóm amin…

Hình 11. Cấu trúc của NAD+ và NADP+

Hình 12. Các dạng điện tử (A) và cơ chế tham
gia phản ứng (B) của coenzym NAD/NADP

4.2. FAD, FMN
Flavin adenin dinucleotide (FAD) và flavin mononucleotid (FMN), được tổng hợp từ tiền
chất là riboflavin (vitamin B2), cũng là những chất vận chuyển điện tử và có cấu trúc hóa học
gần nhau (hình 13). FAD và FMN tác động với 2 proton và 2 điện tử để chuyển luân phiên từ
trạng thái khử sang trạng thái oxy hóa. FAD/FADH+/FADH2 và FMN/FMNH+/FMNH2 cũng
là những cặp coenzym quan trọng, tham gia vào nhiều phản ứng oxy hóa khử quan trọng trong
cơ thể.

22


Hình 13. Cấu trúc và các dạng
điện tử của coenzym FMN/FAD

4.3. Coenzym A

Hình 14. Cấu trúc của Coenzym A
Coenzym A (CoA, HSCoA hay CoASH) là một coenzym được tổng hợp từ tiền chất là
acid pantothenic (vitamin b5), có vai trị quan trọng trong sự oxy hóa acid béo và oxy hóa
pyruvate trong chu trình acid citric, cũng như nhiều q trình chuyển hóa khác trong cơ thể.
23

Rất nhiều các enzym trong cơ thể người sử dụng coenzym A như một đồng cơ chất trong phản
ứng. Chức năng chính của CoA là vận chuyển các nhóm acyl bởi liên kết thioester tại đầu tận
cùng sulfhydryl của nó, tạo thành chất dẫn xuất gọi là acyl-CoA. Nhóm acyl thường liên kết
với CoA là đơn vị acetyl, khi đó chất dẫn xuất được gọi là acetyl-CoA.

5. VITAMIN
Vitamin là những hợp chất hữu cơ rất cần thiết cho các hoạt động chuyển hóa trong cơ thể,
dù ở lượng rất thấp. Tuy nhiên, cơ thể người và động vật không thể tự tổng hợp được những
nhóm chất này mà phải thu nhận từ thức ăn.
Hầu hết các vitamin đều là tiền chất của các coenzym, một số ít là tiền chất của các
hormone hoặc có vai trị như chất chống oxy hóa tế bào. Nhu cầu về vitamin của cơ thể khác
nhau giữa các loài và bị ảnh hưởng bởi c1c yếu tố như độ tuổi, giới tính và các tính trạng sinh
lý như có thai, ni con bằng sữa mẹ, luyện tập thể lực và chế độ dinh dưỡng. Tình trạng dinh
dưỡng kém hoặc một số tình trạng gây giảm nồng độ các vitamin trong cơ thể sẽ gây ra các
bệnh lý do thiếu vitamin.
Dựa vào dung mơi hịa tan, vitamin được chia làm hai nhóm là vitamin tan trong nước (các
vitamin nhóm B, vitamin PP và vitamin H) và vitamin tan trong lipid (A, D, E và K).
5.1. Viatmin tan trong lipid
5.1.1. Vitamin A

Hình 15. Cơng thức hóa học của vitamin A
Tiền chất của vitamin A là -Caroten ở thực vật có màu cam và retionol có ở động vật.
Retinol có trong sữa, gan, cá, lịng đỏ trứng, sữa chua.

24


Retinol chuyển hóa thành retinal cần cho tế bào thị giác, retinoic acid đóng vai trị truyền
tín hiệu nội bào (hoạt động như một hormon) cần cho việc tăng trưởng và biệt hóa tế bào.

Vitamin A có tác dụng chống oxy hóa và chống ung thư. Vitamin A có tác dụng giúp tăng
trưởng xương do cần cho hoạt động của tạo cốt bào. Vitamine A còn cần cho tế bào Sertoli, sự
tạo tinh trùng và chu kỳ rụng trứng.
Thiếu vitamin A gây xơ hóa, sừng hóa mơ liên kết giác mạc, võng mạc gây mù và xơ hóa
các mơ liên kết khác gây dày sừng nang lông. Thiếu vitamin A dễ nhiễm trùng do vai trị miễn
dịch của nó.
8.1.2. Vitamin D
7-dehydrocholesterol ở da dưới tác dụng
của tia cực tím (UV) bị biến đổi thành
cholecalciferol (vitamine D3). Cholecalciferol
(vitamine D3) cịn có nguồn gốc từ thức ăn
(động vật) cùng với ergocalciferol ( vitamine
D2) nguồn gốc từ thực vật theo máu đến gan
thành calcidiol

(25-hydroxy–vitamine

D).

Calcidiol từ gan đến thận biến đổi thành
calcitriol (1,25-Dihydroxy–vitamine D) là

Hình 16. Cơng thức hóa học của vitamin D

dạng hoạt động của vitamin D.
Calcitriol có tác dụng: tăng hấp thụ calci ở ruột non, giảm bài tiết calci và phospho ở thận
và làm tăng hormon cận giáp từ đó gây tăng hấp thụ calci vào xương. Vitamin D có trong cá,
bơ, phô mai, trứng, sữa, bột ngũ cốc. Thiếu viatmin D gây cịi xương ở trẻ em và lỗng xương
ở người lớn.
6.1.3. Vitamin E

Dạng hoạt động của vitamin E là -Tocopherol, mỗi ngày cần 10mg, có trong: ngũ cốc,
gan, trứng, các hạt cho dầu. Vitamin E là chất chống oxy hóa, bảo vệ da chống tia tử ngoại,

25