Bài giảng sinh học đại cương Công nghệ hóa dầu và công nghệ hóa hữu cơ: Chương 3

55
Sinh học đại cương
Chương III: Enzym
56
Một số khái niệm chung
 1700: tiêu hóa thitj nhờ dịch chiết trong dạ dày
 1800: chuyển hóa tinh bột thành đường nhừ nước dịch chiết thực vật
 1850 - Louis Pasteur: quá trình lên men đường thành rượu của nấm men
xảy ra nhờ một nhân tố gọi là men. Men không thể tách ra khỏi cấu trúc
tế bào sống
 1897- Eduard Buchner: dịch chiết nấm men có khả năng lên men đường
thành rượu. Men có thể tách ra khỏi tế bào
 1956 – Summer: tách và kết tinh urease. Urease mang bản chất Protein
 1930 – John Northrop và Moses Kunitz: tách và tinh chế các enzym tiêu
hóa mang bản chất protein

- Enzym mang bản chất protein
- Tăng tốc độ phản ứng lên 10 mũ 20 lần nhưng không bị
tiêu thụ hoặc thay đổi khi xúc tác
- Mục đích giúp chuyển hóa thức ăn thành năng lượng và
các vật liêụ mới

57
Cấu trúc enzym
 Định nghĩa: Enzym là các phân tử protein có
chức năng xúc tác sinh học

 Enzym đơn cấu tử: thành phần cấu tử chỉ bao
gồm các protein đơn giản

 Enzym lưỡng cấu tử: bao gồm 2 thành phần

 Phần Protein (nhóm nội, apoenzym)
- Cấu tạo: từ các axit amin
- Tính chất:không bền nhiệt
- Chức năng: tăng hiệu lực xúc tác và quyết định
tính đặc thù của enzym
 Phần nhóm ngoại
- Cấu tạo: không mang bản chất protein
 Ion vô cơ
 Phức hữu cơ (vitamin): là các chất vận chuyển
tạm thời các nhóm chức năng đặc hiệu, là một
phần trong cấu trúc trung tâm hoạt động của
enzym
- Tính chất: kích thước nhỏ, bền nhiệt
- Chức năng:trực tiếp tham gia vào phản ứng
xúc tác và quyết định kiểu phản ứng.
Vitamin Dạng coenzym Nhóm vận chuyển Enzym tương
ứng
Biotin Biocytin CO2 Propionyl-CoA
carboxylase
Axit pantothenic
và các hợp chất
Coenzym A Các nhóm acyl Acetyl-CoA
carboxylase

Vitamin B12 5'-
Deoxyadenosyl
cobalamin
(coenzym B12)
Các nguyên tử H và các
nhóm acyl
Methylmalonyl-
CoA mutase
Riboflavin
(vitamin B2)
Flavin adenin
dinucleotit
(FAD)
Electron, các nguyên tử H Succinate
dehydrogenase
Axit nicotinic
(niacin)
Nicotinamide
adenin
dinucleotit
(NAD)
Ion H (: H -) Alcohol
dehydrogenase
Thiamine
(vitamin B1)
Thiamine
pyrophosphate
Aldehyt Pyruvate
dehydrogenase
58

Danh pháp và phân hạng
 Danh pháp
- Danh pháp thông thường: cơ chất + ase
- Danh pháp quốc tế: cơ chất + kiểu phản ứng + ase
- Kí hiệu: EC1234
1: Chỉ enzym thuộc nhóm lớn nào
2: Chỉ enzym thuộc nhóm phụ nào
3: Chỉ enzym thuộc phân nhóm phụ nào
4: Chỉ số thứ tự

 Phân hạng: 6 nhóm phản ứng
- Oxidoredutase (xúc tác các phản ứng oxi hóa khử)
VD: Alcohol dehydrogenase: chuyển hóa rượu thành aldehyt hoặc keton

- Transferase (xúc tác các phản ứng vận chuyển các nhóm chức năng)
VD: Aminnotransferase: phân hủy axit amin bằng cách loại bỏ nhóm amin

- Hydrolase (xúc tác các phản ứng thủy phân)
VD: Glucose-6-phosphatase: loại nhóm phosphate khỏi glucose-6-phosphate, tạo glucose và H3PO4

- Lyase (xúc tác các phản ứng tạo liên kết đôi)
VD: Pyruvate decarboxylase: loại bỏ CO2 khỏi pyruvate

- Isomerase (xúc tác các phản ứng đồng phân hóa học)
VD: Ribulose phosphate epimerase: chuyển hóa giữa ribulose 5-phosphate và xylose-5-phosphate

- Ligase (xúc tác hình thành các liên kết hóa học nhờ phân cắt ATP)
VD: Hexokinase: chuyển hóa giữa glucose và ATP với glucose-6-phosphate và ADP

59

Cấu tạo trung tâm hoạt động
 Khái niệm: trong quá trình xúc tác
chỉ một phần nhỏ phân tử enzym
tham gia kết hợp với cơ chất và
chuyển hóa thành sản phẩm – trung
tâm hoạt động của enzym

 Cấu tạo: bao gồm 1 số nhóm chức
năng của axit amin không tham gia
liên kết trục chính
- COOH: axit glutamic và axit aspatic
- NH2 : lysin
- OH: Serin
- SH: Cystein
- Imidazol: Histidin
- Phenol: Tyrozin

 Tính chất: chỉ được hình thành
trong cấu trúc bậc 2,3,4

60
Một số quan niệm về trung tâm hoạt
động của enzym
 Quan niệm của Fisher (1894)
- Trung tâm họat động vốn sẵn có
và cứng nhắc
Enzym: ổ khóa
Cơ chất: chìa khóa

 Quan niệm của Kosland (1958)

- Trung tâm hoạt động của enzym
được hình thành trong quá trình
kết hợp với cơ chất và đây là
một cấu trúc mềm dẻo, linh động
- Cơ chất quyết định cuối cùng
đến hình dáng của enzym
Enzym: găng tay
Cơ chất: bàn tay


61
Trung tâm dị lập thể (Allosteric)
 Khái niệm:Trung tâm dị lập thể
là vị trí thứ 2 trên phân tử
enzym mà các cơ chất (chất
allosteric) khi kết hợp vào vị trí
này không chuyển hoá tạo
thành sản phẩm mà chỉ làm
thay đổi cấu trúc của phân tử
enzym cũng như cấu trúc trung
tâm hoạt động của enzym.

 Tính chất: thay đổi cấu trúc
của enzym theo 2 chiều hướng
- Tăng khả năng hoạt động của
enzym: điều hòa dương
- Giảm khả năng hoạt động của
enzym: điều hòa âm

62

Mô hình phản ứng sinh học




E: enzym
S: cơ chất
P: sản phẩm
ES: phức hợp enzym-cơ chất
EP: phức hợp enzym-sản
phẩm



63
Chất phản ứng
Sản phẩm
N
ă
n
g

l
ư
ợ
n
g
Phản ứng
tỏa nhiệt
Năng lượng

hoạt hóa, E
a
Trạng thái chuyển tiếp
Bẻ gãy
liên kết
Hình thành
liên kết
Tiến trình phản ứng
64
Cơ chế tác dụng của enzym

 Cơ chế tác dụng: Enzym làm tăng
các phản ứng hóa học trong tế bào
nhờ quá trình làm giảm rào cản năng
lượng họat hóa

- Năng lượng hoạt hóa là rào cản năng
lượng phải vượt qua trước khi 1 phản
ứng hóa học bắt đầu

- Các chất phản ứng phảo hấp thụ Ea
để trở nên họat động -làm yếu các
liên kết đến mức bẻ gãy được chúng
và hình thành liên kết mới. Phản ứng
bắt đầu xảy ra.

- Enzym làm tăng vận tốc phản ứng mà
không làm thay đổi chính bản thân
chúng

65
66
Tính chất của enzym
 Tính chất chung
- Khối lượng phân tử lớn
- Hòa tan trong môi trường nước hoặc muối loãng hoặc các dung môi hữu cơ tạo
dung dịch keo
- Không bền trong môi trường axit và kiềm mạnh

 Cường lực xúc tác:Cường lực xúc tác lớn: tăng vận tốc phản ứng lên hàng
vạn cho đến hàng triệu lần so với chất xúc tác hóa học



67
Tính chất của enzym (cont.)
 Đặc hiệu phản ứng: Enzym có khả năng chuyển hoá một số cơ chất
nhất định, một liên kết hoá học nhất định hoặc một kiểu phản ứng hoá
học nhất định
- Đặc hiệu cơ chất
 Đặc hiệu tương đối
 Đặc hiệu nhóm
 Đặc hiệu tuyệt đối
 Đặc hiệu quang học
- Đặc hiệu kiểu phản ứng

 Enzym không độc

 Enzym ứng dụng trong điều kiện nhẹ nhàng

 Enzym được sản xuất từ các nguồn nguyên liệu rẻ tiền


68
Các yếu tố ảnh hướng đến hoạt tính
của enzym
 Nồng độ cơ chất


Et: Nồng độ enzym tổng
E: Nồng độ enzym tự do (E=Et-ES)
ES: Nồng độ enzym trong phức hợp với cơ chất
k1: hằng số vận tốc tạo phức trung gian ES
k-1: hằng số vận tốc phân ly trung
gian tạo E và S
k2: hằng số vận tốc phân ly phức ES
tạo sản phẩm và enzym tự do
V0: vận tốc ban đầu
Vmax: vận tốc cực đại
Km: hằng số Michaelis
Công thức Michaelis-Menten
maxmax0
1
][
1
.
1
VSV
K
V

m


69
Các yếu tố ảnh hướng đến hoạt tính
của enzym (cont.)
 Ý nghĩa của giá trị Km: Km rất khác nhau giữa các enzym, thậm
chí là giữa cùng 1 enzym với các cơ chất khác nhau cũng sẽ cho
các Km khác nhau. Km được xem như là một chỉ thị đặc trưng cho
ái lực của enzym với cơ chất của nó. Km càng nhỏ thì ái lực giữa
enzym và cơ chất càng lớn và ngược lại.

70
Các yếu tố ảnh hướng đến hoạt tính
của enzym (cont.)
 Chất kìm hãm
- Khái niệm: là chất làm họat động enzym yếu đi hoặc chấm dứt
hoàn toàn.

- Phân loại:
 Chất kìm hãm thuận nghịch
- Chất kìm hãm cạnh tranh
- Chất kìm hãm không cạnh tranh

 Chất kìm hãm bất thuận nghịch
- Chất kìm hãm bất thuận nghịch do sản phẩm của phản ứng
- Chất kìm hãm bất thuận nghịch do thừa cơ chất
71
Kìm hãm cạnh tranh
 Khái niệm: tham gia cạnh tranh với cơ

chất để kết hợp vào trung tâm hoạt động
của enzym. Khi mà chất cạnh tranh (I) kết
hợp được vào với trung tâm hoạt động,
nó sẽ ngăn cản quá trình kết hợp của cơ
chất với enzym.

 Đặc tính:
- Các chất kìm hãm cạnh tranh là các hợp
chất có cấu tạo giống với cơ chất. Nó sẽ
kết hợp với enzym tạo phức EI nhưng
không dẫn đến quá trình xúc tác để
chuyển hoá thành sản phẩm. Thậm chí sự
kết hợp rất nhanh chóng của dạng phức
này cũng dẫn đến làm giảm khả năng
hoạt động của enzym.

- Khi [S] lớn hơn rất nhiều lần so với [I], quá
trình kết hợp với enzym của các chất kìm
hãm sẽ ở mức tối thiểu.

 Công thức Michaelis Menten



][
][
max
0
SK
SV

V
m



maxmax1
1
][
1
)(
1
VSV
K
V
m
i


72
Kìm hãm không cạnh tranh
 Khái niệm:Cơ chất và chất
kìm hãm kết hợp với enzym tại
2 vị trí khác nhau. Chất kìm
hãm không cạnh tranh làm
thay đổi cấu trúc, hình dạng
của enzym cũng như trung tâm
hoạt động của enzym, từ đó
làm giảm vận tốc của phản
ứng.

 Đặc tính: cấu tạo của cơ chất
và chất kìm hãm không giống
nhau.

 Công thức Michaelis Menten

max
'
max
'
2
][
1
)(
1
VSV
K
V
m
i



'
'
][
1
I
K
I



][
]][[
'
EIS
IES
K
I

][
][
''
max
0
SK
SV
V
m



73
Kìm hãm bất thuận nghịch
 Đặc tính: Các chất kìm hãm không thuận nghịch là các chất
thường tạo liên kết đồng hoá trị với enzym hoặc phá huỷ các
nhóm chức năng cần thiết cho hoạt tính của enzym hoặc tạo ra
các quá trình kết hợp không đồng hoá trị bền.

 Phân loại:

- Sản phẩm phản ứng: nồng độ sản phẩm tạo thành quá lớn, sản
phẩm sẽ có khả năng kết hợp lên vị trí thứ 2 bất kỳ của enzym
ngoài trung tâm hoạt động làm biến dạng enzym và làm giảm vận
tốc phản ứng. Sản phẩm đóng vai trò là các chất kìm hãm không
cạnh tranh.

- Cơ chất phản ứng: nồng độ cơ chất quá lớn có khả năng kết hợp
với một vị trí thứ 2 của enzym cũng như vào trung tâm hoạt động
của enzym làm thay đổi hình dáng của enzym và từ đó làm giảm
vận tốc phản ứng.
74
Các yếu tố ảnh hướng đến hoạt tính
của enzym (cont.)
 Nhiệt độ
- Nhiệt độ tối ưu: là nhiệt độ tại đó vận tốc phản ứng đạt tốc độ lớn nhât.
- Nhiệt độ tối ưu của mỗi enzym phụ thuộc môi trường mà nó tồn tại.

 pH
- pH tối ưu: là pH tại đó vận tốc phản ứng đạt tốc độ lớn nhất
- Nguyên tắc: duy trì trạng thái ion hóa của các nhóm chức năng tại trung tâm họat động và
trong toàn cấu trúc protein
- Khoảng họat động: axit yếu, bazơ yếu hoặc trung tính

 Chất họat hóa
- Khái niệm: là các chất làm enzym từ trạng thái hoạt động yếu trở nên mạnh hoặc từ không
họat động trở nên hoạt động
- Bản chất hóa học: + Coenzym vận chuyển điện tử, hydro
+ Chất phá vỡ liên kết peptit bảo phủ trung tâm hoạt động
của enzym
+Chất phục hồi các nhóm chức năng của enzym

+ Ion kim loại

 Nồng độ enzym
- Vận tốc phản ứng phụ thuộc trong trường hợp thừa cơ chất

75
Enzym cố định
 Định nghĩa: Enzym cố định là enzym được cố định về mặt vật lý học cùng
với việc giữ được các hoạt tính xúc tính xúc tác của chúng để sử dụng liên
tục và lặp lại nhiều lần.

 Nhược điểm của enzym tan
- Enzym mang bản chất protein nên tan trong nước, dẫn đến việc khó phân
tách chúng sau phản ứng để thu hồi.
- Một số sản phẩm tạo ra có thể trở nên ức chế các enzym tan.

 Ưu điểm của enzym cố định
- Dễ dàng thu hồi enzym sau phản ứng
- Độ bền tăng đáng kể: bền nhiệt, vận tốc phản ứng tăng
- Kiểm soát quá trình xúc tác chính xác hơn
- Tái sử dụng nên giá thành sản phẩm giảm
- Thời gian sử dụng dài
- Phân tách sản phẩm nhanh chóng sẽ giảm quá trình ức chế ngược
76
Phương pháp cố định enzym
Phương pháp
cố định
Bao gói Liên kết
Hấp phụ
Liên kết đồng

hóa trị
Bao gói mạng
lưới
Vi bao gói
77
Phương pháp cố định enzym
 Phương pháp bao gói: enzym được trộn lẫn
với tiền chất của gel hoặc các monomer. Gel
hình thành hoặc quá trình polyme hóa các
monomer sẽ bao gói các gel lại.

 Ưu điểm
- Enzym không có những thay đổi về mặt hóa
học
- Đặc tính enzym không thay đổi

 Nhược điểm
- Quá trình bất hoạt enzym xảy ra trong quá
trình hình thành gel
- Rõ rỉ enzym xảy ra liên tục phụ thuộc vào
kích thước lỗ gel
- Quá trình giới hạn khuếch tán làm giảm khả
năng tiếp xúc giữa enzym và cơ chất

 VD- Gel: alginate, agar, agarose, collagen
- Monomer: acrylamide
78
Phương pháp cố định enzym (cont.)
 Phương pháp vi bao gói: enzym được
bao gói trong màng bán thấm dưới dạng

giọt hình cầu rỗng vi mô.

 Ưu điểm
- Không ảnh hưởng đến hoạt tính của
enzym
- Mỗi enzym liên kết gần nhất với cơ chất
trong môi trường lỏng xung quanh

 Nhược điểm
- Giới hạn khả năng khuyếch tán sẽ giới
hạn khả năng chuyển động của cơ chất
tới trung tâm hoạt động của enzym
- Không thích hợp cho các enzym
proteolytic hoặc các phân tử cơ chất
lớn.


79
Phương pháp cố định enzym (cont.)
 Phương pháp liên kết đồng hóa trị: enzym được
hấp phụ lên bề mặt chất mang nhờ quá trình hình
thành các liên kết đồng hóa trị thông qua các
nhóm chức năng.

 Các nhóm chức năng phổ biến nhất của chất
mang
- Nhóm amin
- Nhóm cacboxyl
- Nhóm hydroxyl
- Nhóm sulphydryl

 Chất mang: polyme từ acrylamide, maleic
anhydride, polyme từ styrene, polypeptit

 Nhược điểm: các nhóm chức năng không nằm tại
trung tâm hoạt động của enzym do đó cần có các
hợp chất hóa học để họat hóa các nhóm chức
năng này.