Enzym và xúc tác sinh học pdf

ROH + RCOOH
RCOOR + H
2
O
H
+
t
o
S + …
P + …
(E)
ENZYM VÀ XÚC TÁC SINH HỌC
MỤC TIÊU
 Trình bày được bản chất của enzym, năng lượng hoạt hoá
và trạng thái chuyển tiếp của một phản ứng hoá sinh
 Mô tả được cấu tạo và chức năng của trung tâm hoạt động
của enzym
 Trình bày được tính đặc hiệu của enzym
 Giải thích được các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động của
enzym
 Trình bày được động học và sự ức chế của enzym
 Trình bày được sự kiểm soát hoạt động của enzym
ThS Ngô Kiến Đức
1-ĐẠI CƯƠNG VỀ ENZYM
1.1- Các enzym là những chất xúc tác
 Có tác động làm gia tăng vận tốc phản ứng hóa học mà
không thay đổi tiến trình của phản ứng
 Vận tốc phản ứng có thể tăng lên tới 10
7
lần khi có mặt
enzym

 Phản ứng có thể được tiến hành trong những điều kiện tương
đối nhẹ nhàng (nhiệt độ dưới 100 độ C, ở áp suất khí quyển
và pH trung tính)
 Có tính đặc hiệu cao đối với cơ chất mà nó tác động cũng
như đối với các sản phẩm mà nó thành lập.
1-ĐẠI CƯƠNG VỀ ENZYM
1.1- Các enzym là những chất xúc tác
 Tác động có thể được điều hòa  thường nhạy cảm với nồng
độ cơ chất hay với một số phân tử khác
 Bản chất các enzym là những protein
Ngọai lệ có vài phân tử ARN cũng có tác động xúc tác.
Sự thay đổi năng lượng trong một phản ứng hóa sinh
Năng lượng tự do
S
P
1.2- Năng lượng hoạt hóa và trạng thái chuyển tiếp
1.2- Năng lượng hoạt hóa và trạng thái chuyển tiếp
- Mọi phản ứng đều phải vượt qua một hàng rào năng lượng thì
mới thực hiện được.
- Hàng rào năng lượng này tương ứng với năng lượng cần thiết
để chuyển các phân tử của cơ chất sang trạng thái chuyển tiếp :
một dạng hóa học không bền trong tiến trình phản ứng đi từ cơ
chất đến sản phẫm.
- Trạng thái chuyển tiếp :
trạng thái trung gian có năng lượng tự
do cao nhất trong tất cả mọi phản ứng
.
- Năng lượng tự do hoạt hóa của Gibbs (G*) :
chênh lệch của
mức năng lượng tự do giữa trạng thái chuyển tiếp và cơ chất

1.2- Năng lượng hoạt hóa và trạng thái chuyển tiếp
- Tác động của enzym : ổn đònh trạng thái chuyển tiếp của phản
ứng hóa học với sự giảm G*
Enzym làm gia tăng tốc độ phản ứng nhưng không ảnh hưởng
đến sự thay đổi năng lượng chung của phản ứng.
Enzym không làm thay đổi mức năng lượng của cơ chất
hay của sản phẩm.
Sự thay đổi năng lượng trong một phản ứng hóa sinh
Năng lượng tự do
G* (năng lượng tự do hoạt hóa)
G (năng lượng tự do)
Phản ứng không xúc tác bởi enzym
S
P
Phản ứng xúc tác bởi enzym
Trạng thái chuyển tiếp
- Không xúc tác : G* = 32.000 calo/mol
- Xúc tác vô cơ (H
+
) : G* = 25.000 calo/mol
- Enzym (saccarase) : G* = 9.400 calo/mol
 Thí dụ về mức năng lượng hoạt hóa của phản ứng trong
điều kiện có và không có chất xúc tác :
Saccarose + H
2
O
Glucose + Fructose
Sự thay đổi năng lượng trong một phản ứng hóa sinh
Năng lượng tự do
S

P
1.3- Sự thay đổi năng lượng tự do
G ??
1.3- Sự thay đổi năng lượng tự do
 Sự thay đổi năng lượng tự do G của Gibbs (kJ mol
–1
) cho biết
một phản ứng có thuận lợi về mặt năng lượng hay không.
 Biến thiên năng lượng tổng cộng âm thì phản ứng thuận lợi về
mặt năng lượng (
có nghóa là các sản phẩm của phản ứng ở mức
năng lượng thấp hơn so với mức năng lượng của cơ chất và G
là âm
).
G khác với G*.
 G : không lệ thuộc vào chiều phản ứng và không cho
biết thông tin gì về vận tốc phản ứng
 G* : ảnh hưởng đến vận tốc phản ứng.
Ví dụ: Sự thủy giải ATP để thành lập ADP và Pi tự do
ATP + H
2
O ADP + Pi
G
o
= -30,5kJ mol
–1
(thuận lợi)
 G âm : phản ứng thuận lợi về mặt nhiệt động học theo
chiều chỉ đònh (có nghóa là phản ứng tiến hành tự nhiên)
 G dương : phản ứng không thuận lợi về mặt năng lượng và

cần phải được cung cấp năng lượng mới có thể thực hiện
theo chiều chỉ đònh.
Hệ thống sinh học : năng lượng thường được cung cấp bằng
việc
kết hợp một phản ứng không thuận lợi với một phản
ứng thuận lợi về mặt năng lượng
: các cặp phản ứng.
1.3- Sự thay đổi năng lượng tự do
1.4- Cân bằng hóa học
Xét phản ứng sau :
10
–4
/giây
A B
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.
Hằng số K đònh nghóa theo nhiệt động học là:
[sản phẫm] cb
[thuốc thử ] cb
[B] cb
[A] cb
=K =
 Như vậy, ở trạng thái cân bằng của phản ứng trên, nồng độ của B
gấp 100 lần A dù có hay không có mặt của enzym.
 Enzym không làm thay đổi trạng thái cân bằng  thúc đẩy phản
ứng nhanh chóng đạt cân bằng
- Không có mặt enzym, cần khoảng một giờ để đạt đến cân

bằng
- Có mặt của enzym, phản ứng có thể đạt đến cân bằng trong
vòng một giây.
k
f
k
b
10
-4
10
-6
=
K =
=
100
 Phản ứng hóa sinh: hằng số cân bằng cũng bằng với tỷ lệ giữa vận
tốc của phản ứng ban đầu k
f
và vận tốc của phản ứng đảo k
b
1.5- Trung tâm hoạt động (TTHĐ)
 Là vùng mà enzym kết hợp với cơ chất và chuyển đổi nó
thành sản phẩm của phản ứng.
 Là một phần nhỏ của phân tử enzym được thành lập bởi các
acid amin có thể ở rất xa nhau trên chuỗi polypeptid.
 Các acid amin của TTHĐ thường là Serin, Histidin,
Tryptophan, Cystein, Lysin, Arginin, Glutamat.
 TTHĐ thường giống như một khe nứt hay rãnh trên bề mặt
phân tử enzym thành lập một khoảnng không gian thường là
không phân cực tạo thuận lợi cho việc liên kết giữa enzym và

cơ chất
 Các cơ chất + TTHĐ = tương tác yếu
 tương tác tónh điện, liên kết hydro, liên kết Van der Walls,
tương tác kỵ nước)
 trong một số trường hợp bởi những liên kết đồng hóa trò
thuận nghòch.
Phức hợp enzym – cơ chất
Cơ chất ở trạng thái chuyển tiếp
Sản phẩm enzym tự do
(được phóng thích / dd)
+ phân tử cơ chất
mới khác
Các gốc xúc tác có hoạt tính/ TTHĐ
+
+
Enzym
Enzym
Cơ chất E - S
Cơ chất E - S
(a)
(b)
Chìa khóa/ổ khóa (1894, Emil
Fischer)
Hai dạng này được xem như
không thay đổi, cố đònh và hoàn
toàn ăn khớp với nhau.
Tiếp xúc cảm ứng (1958 bởi
Daniel E. Koshland Jr) trong đó
liên kết của cơ chất cảm ứng
làm thay đổi cấu dạng của

TTHĐ của enzym.
Hai mô hình được đề nghò để giải thích về sự kết hợp của
cơ chất và enzym
1.6- Tính đặc hiệu của enzym
 Tính đặc hiệu rõ rệt và cao hơn nhiều so với các chất vô cơ
 Thể hiện
+ đặc hiệu phản ứng: trong kiểu phản ứng được chúng
xúc tác
+ đặc hiệu cơ chất: trong sự chọn lọc đối với cơ chất
tham gia phản ứng
1.6.1- Tính đặc hiệu phản ứng :
 Enzym chỉ xúc tác cho một trong vô số những chuyển hóa có
thể có được đối với một cơ chất.
 Thí dụ: 3 phản ứng sau đây của acid amin
- Acid amin bò oxy hóa nhờ oxydase cho acid -cetonic và
NH
3
- Acid amin bò khử carboxyl nhờ decarboxylase cho amin
tương ứng và CO
2
- Chuyển nhóm amin sang một acid -cetonic khác nhờ
transaminase
1.6.2- Tính đặc hiệu cơ chất :
 Urease chỉ xúc tác quá trình thủy phân ure : đặc hiệu tuyệt
đối
 Lactate dehydrogenase ngoài việc tác dụng vào lactat, còn
có thể tác dụng vào nhiều chất khác cũng có nhóm-CHOH-
như lactat : đặc hiệu tương đối
 Tính đặc hiệu kép như aminoacyl-syntetase trong quá trình
tổng hợp protein tác dụng lên hai cơ chất có cấu trúc hòan

toàn khác nhau : hoạt hóa acid amin và gắn vào ARNt
1.6.3- Tính đặc hiệu lập thể :
 Các enzym chuyển hóa acid amin chỉ tác dụng lên L-acid
amin mà không tác dụng lên D-acid amin.
1.7- Danh pháp và phân loại :
1.7.1- Danh pháp :
 Urease là enzym xúc tác sự thủy giải urê
 Fructose 1,6-di phosphatase thủy giải fructose 1,6-di
phosphat.
 Một số các enzym khác có tên gọi không liên quan gì đến cơ
chất: Trypsin và Chymotrypsin là hai enzym thủy phân các
liên kết peptid của chuỗi polypeptid.
 Một số các enzym lại được gọi dưới nhiều tên khác nhau.
 Hệ thống danh pháp quốc tế:
- Các enzym được chia thành sáu loại chính dựa theo kiểu
phản ứng xúc tác của chúng.
- Xác đònh bởi một mã số xếp loại gồm bốn số:
o số thứ nhất chỉ loại enzym
o số thứ hai chỉ nhóm
o số thứ ba chỉ phân nhóm
o số thứ tư chỉ thứ tự của enzym đó trong phân nhóm.