Động học xúc tác - Chương 6 pps

Chơng 6. Xúc tác Hấp phụ
CC KHI NIM CHUNG
Xúc tác đóng vai trò quan trọng: có tới khoảng ~ 60% các quá trình công nghệ hoá
học, 90% sản phẩm công nghiệp hoá học có sử dụng xúc tác, thị trờng xúc tác
hiện nay đợc đánh giá là vào khoảng 12 tỷ US$/năm.
Nhng nm gn õy trc vin cnh ngun du m cn kit, mụi trng b suy
thoỏi nghiờm trng thỡ xỳc tỏc l nim hy vng trong vic sn xut nhng ngun
nng lng mi, vt liu mi, cỏc quỏ trỡnh sn xut sch hn, ớt thi hn m nh
cao l hoỏ hc xanh, xỳc tỏc ng thi cng ó v s l v
khớ hu hiu trong cụng
cuc bo v mụi trng.
GS. W.A. Herrmann (TUM) ó vit: A few years ago, the "Board of Chemical
Sciences and Technology reported to the President of the USA that catalysis has
the significance of a national, key technology: Our current position of world
leadership can be attributed to our strength in the field of chemical catalysis. It is
estimated that 20% of the gross national product of the USA is generated through
the use of catalytic processes that assist in satisfying such diverse societal needs as
food production, energy conservation, defense technologies, environment
protection, and health care. On the horizon, the extensive use of catalysis will tap
new energy sources Chemical catalysis will figure strongly in the health of our
chemical industry Organometallic catalysis will continue as a large active
branch of chemistry involving synthesis [Opportunities in Chemistry,
American Academy of Sciences, Washington 1988].
Xỳc tỏc c bn v Xỳc tỏc ng dng
Chỳng ta ó bit c bao nhiờu?
Khi lng sn phm hoỏ hc
Khi lng kin thc
T

n

g

h

p
a
m
o
n
i
a
c
K
h
o
a

h

c
b

m

t
H
o
ỏ
h

c
+ K

th

õ
t
t
ớ
n
h
N
h
i

t


n
g

h

c
C
õ
n

b

n
g


Từ khi được phát minh khái niệm xúc tác đến nay, xúc tác đã và đang đóng vai trò
quan trong, nhiều khi mang tính quyết định trong sự phát triển văn minh nhân loại.
Ví dụ, sự phát minh xúc tác tổng hợp amôniắc biến công nghiệp hoá chất thành bạn
đồng hành không thể thiếu cho nông nghiệp, đảm bảo cái ăn cho 6 tỷ cư dân trái
đất, ứng dụng xúc tác zeolit biến hoá dầu thành một thế lực kinh tế hùng mạnh.
Mặc dù vậy, như hình trên sự phát triển của kiế
n thức trong khoa học xúc tác còn
xa mới theo kịp sự phát triển của sản xuất. Có thể nói xúc tác, nhất là xúc tác dị thể,
là một trong những đối tượng khó nghiên cứu nhất trong hoá học: hiểu xúc tác đòi
hỏi rất nhiều kiến thức, từ kiến thức chế tạo vật liệu, đặc trưng vật liệu tới hiểu biết
về cơ chế phân tử của các phản ứng b
ề mặt.
Năm 1836 Berzelius ghi nhận rằng có một số chất tăng vận tốc nhưng bản thân
chúng không đổi sau phản ứng. Ông cho rằng các chất này làm dãn các liên kết
trong các chất phản ứng, bằng cách đó làm các phân tử chất phản ứng dễ phản ứng
hơn và kết quả là tăng tốc độ phản ứng. Sự gia tăng tốc phản ứng được gọi là hiện
tượng xúc tác hay catalysis (bắt nguồn từ tiếng Hy Lạp: Kata = hoàn toàn, lein = bị
dãn) và chất gây ra là xúc tác-catalyst. Cũng có trường hợp chất cho thêm làm
chậm phản ứng, trước kia người ta gọi là xúc tác âm, tuy nhiên khái niệm này hiện
nay hầu như không dùng và được quy cho hiện tượng ức chế. Nói chung xúc tác
được coi là “chất tham gia một cách tuần hoàn vào phản ứng, làm tăng tốc độ
phản ứng nhưng bản thân không thay đổi về mặt hoá h
ọc”.
Về mặt vật lí, xét về khía cạnh phân bố theo pha, xúc tác được chia làm hai nhóm
chính là xúc tác dị thể và đồng thể.

Quá trình Wacker:

PdCl
2
+CuCl
2

C
2
H
4
+ (1/2)O
2
⎯→ CH
3
CHO
100
o
C, 5 atm
Dung môi: H
2
O
Hiệu suất: 85%
Trong xúc tác dị thể hiện
đại, về nhóm này còn bao
gồm xúc tác mixel, xúc

tác chuyển pha, xúc tác
men (vi dị thể)
Sản xuất H
2
SO
4
:
V
2
O
5
(K
2
O)
SO
2
+ (1/2)O
2
⎯→ SO
3


450-550
o
C
Super phốtphát Lâm Thao
Tổng hợp vinylaxetat:
PdCl
2
+CuCl

2

C
2
H
4
+ CH
3
COOH ⎯→
CH
3
COOCHCH
2
130
o
C, 30 atm

Dung môi: H
2
O
Mới, đang phát triển,
nhiều triển vọng
Sản xuất phân đạm:
Fe(K
2
O)/Al
2
O
3
N

2
+ 3H
2
⎯→ 2NH
3


450-550
o
C, 300-700 atm
Đạm Phú Mỹ, Bắc Giang
Tổng hợp oxo (hydroformyl):
RhCl(CO)(PPh
3
)
2
RCH=CH
2
+ CO + H
2
⎯→
R(CH
2
)
2
CHO

130
o
C, 30 atm

Sản xuất HNO
3
:
Pt

NH
3
+ (7/2)O
2
→ 2NO
2
+ 3H
2
O
750-900
o
C, 5-10atm
Phân loại xúc tác
Đồng thể
Vi dị thể:
Men, Mixel, PTC
Dị thể
Phân loại xúc tác
Đồng thể
Vi dị thể:
Men, Mixel, PTC
Dị thể

CHO

|
+ RCHCH
3
Dung môi: H
2
O
Z175, Vĩnh Yên??
Cacbonyl hoá CH
3
OH (quá trình
Monsanto):
RhCl(CO)(PPh
3
)
2
+ CH
3
I
CH
3
OH + CO ⎯⎯⎯⎯⎯→
CH
3
COOH 150-175
o
C, 15atm

Hydrô hoá dầu thực vật:
Ni
R-CH=CH-R’ + H

2
→
RCH
2
CH
2
R’ 150-200
o
C,15-20atm
Trùng hợp
α
-olefin
(Ziegler_Natta):
TiCl
3
+ AlR
3
nH
2
C=CHCH
3
⎯⎯⎯→ PP

75-120
o
C, 10atm
Dung môi: n-hexan

Công nghiệp hydrô:
Ni

CH
4
+ H
2
O → H
2
+ CO
700-1000
o
C
ZnO(Cr
2
O
3
)
CO + H
2
⎯⎯⎯→ CH
3
OH
320-400
o
C, 250-350atm
MeO
X
/SiO
2
CO + H
2
⎯⎯⎯→ C

x
H
y

220-350
o
C, 30-60atm
Xúc tác đồng thể thường là các ion, phức kim loại. Nhờ khả năng phân bố đồng
đều trong môi trường phản ứng nên xúc tác đồng thể có hiệu quả tới từng phân tử
xúc tác, trong nhiều trường hợp nó có độ chọn lọc rất cao, tuy nhiên cũng do đặc
điểm này người ta nói xúc tác đồng thể có tính công nghệ kém, nghĩa là nó khó
tách được ra khỏi sản phẩm sau phản ứng nên mặc dù hoạt tính và độ chọn lọc
vượt trội so với xúc tác dị thể số quá trình sử dụng xúc tác dị thể trong thực tế vẫn
còn rất ít. Nhóm xúc tác đặc thù là xúc tác men hay còn gọi là xúc tác sinh học là
một bước phát triển rất được mong đợi. Đây là các quá trình mô phỏng các quá
trình chuyển hoá sinh hoá trong thế giới sống, vì vậy nó không cần nhiệt độ cao, áp
suất cao mà vẫn có hoạt tính rất cao, đặc biệt độ chọn lọc gần như tuyệt đối. Tuy
nhiên cũng do tính công nghệ kém nó vẫn chưa được ứng dụng nhiều. Để phát huy
thế mạnh về hoạt tính và độ chọn lọc, khắc phục tính công nghệ kém của xúc tác
đồng thể và men, gần đây người ta đẩy mạnh xu hướng dị thể hoá xúc tác loại này.
Cách phân loại thứ hai là theo bản chất phản ứng mà chúng thực hiện, ta có hai
nhóm chính là xúc tác axit-bazơ và xúc tác ôxi hoá-khử.
1. Ví dụ xúc tác
MnO
2
(1) 2KClO
3
⎯→ 2KCl + 3O
2
CuCl

2
(2) 4HCl + O
2
⎯→ 2H
2
O + 2Cl
2
Pt

(3) H
2
O
2
⎯→ H
2
O + O
Hiện tượng xúc tác thường đi kèm với các hiện tượng ức chế, đầu độc; có thể lẫn
với các hiện tượng tự xúc tác, phản ứng kèm nhau. Chất xúc tác có thể là bất kể
chất nào, một phân tử như trong xúc tác men, xúc tác đồng thể, một tập hợp

nguyên hay phân tử như trong xúc tác kim loại. Xúc tác dị thể là hiện tượng phản
ứng bề mặt, vì vậy bề mặt càng lớn xúc tác càng hoạt động. Trường hợp xúc tác dị
thể là kim loại hay ôxit chúng có thể được phân tán để phát triển bề mặt dưới dạng
bột mịn, dạng lưới kim loại hay mang trên chất mang, thường là trơ, có bề mặt phát
triển. Sau đây là các khái niệm vừa nêu.
2. Hiện tượng ức chế
Hiện tượng một chất làm chậm phản ứng được gọi là sự làm chậm hay hiện tượng
ức chế, chất gây ra hiện tượng này được gọi là chất ức chế. Ví dụ:
[Acetanilide]
(1) 2H

2
O
2
⎯⎯⎯→ 2H
2
O + O
2
[Alcol]
(2) 4CHCl
3
+ 3O
2
⎯⎯→ 4COCl
2
+ 2H
2
O + 2Cl
2

(3) Hiện tượng chống kích nổ động cơ xăng bằng chì tetraetyl
Hiện tượng ức chế thường dễ bị lẫn lộn với hiện tượng đầu độc.
3. Tự xúc tác
Khi sản phẩm phản ứng gây ra sự tăng tốc của chính phản ứng đó ta có hiện tượng
tự xúc tác (autocatalysis). Ví dụ:
[HCl]
CH
3
COOC
2
H

5
+ H
2
O ⎯→ CH
3
COOH* + C
2
H
5
OH
2AsH
3
→ 2As* + 3H
2

5C
2
H
2
O
4
+ 2MnO
4
-
+ 6H
+
→ 2Mn
2+
* + 10CO
2

+ 8H
2
O
Dấu * chỉ chất xúc tác.

Hình 6.1 Đường cong nồng độ sản phẩm - thời gian của phản ứng tự xúc tác
Trong phản ứng tự xúc tác đường cong động học có dạng chữ S (Hình 6.1), theo đó
lúc đầu khi nồng độ sản phẩm (chất xúc tác) nhỏ thì tốc độ phản ứng nhỏ, nồng độ
sản phẩm không đáng kể, khi nồng độ sản phẩm đạt đến một giá trị nào đó tốc độ
phản ứng tăng rất nhanh, sau đó giảm dần và tiến về không khi chấ
t phản ứng tiêu
thụ hết.

4. Hiện tượng phản ứng kèm nhau
Trong một hệ khi phản ứng này làm tăng tốc độ phản ứng khác, điều này sẽ không
xảy ra nếu phản ứng xảy ra trong các hệ biệt lập, khi đó ta có hiện tượng phản ứng
kèm nhau hay cảm ứng hoá học hay cảm ứng xúc tác (induced catalysis).
Ví dụ:
1. Na arsenit không bị ôxi hoá bởi ôxi không khí, tuy nhiên ôxi dễ dàng ôxi hoá Na
sulphit. Khi trộn hai chất với nhau chúng dễ dàng cùng bị ôxi hoá. Nh
ư vậy sự ôxi
hoá Na sulphit đã tăng tốc sự ôxi hoá Na arsenit.
2. Thuỷ ngân clorua bị khử rất chậm bởi axit oxalic, trong khi đó KMnO
4
phản ứng
tức thì với axit oxalic. Nếu trộn lẫn thuỷ ngân clorua với hỗn hợp axit oxalic và
KMnO
4
, cả hai chất ôxi hoá đều bị khử rất nhanh. Sự khử KMnO
4

đã tăng tốc phản
ứng khử thuỷ ngân clorua.
5. Chất xúc tiến và chất mang
Trong khá nhiều trường hợp, một số chất bản thân không có tính xúc tác nhưng khi
cho vào xúc tác một lượng nhỏ nó tăng đáng kể hoạt tính xúc tác. Những chất này
được gọi là chất xúc tiến (promoter), theo ngôn ngữ thông dụng là phụ gia.
Ví dụ, phản ứng tổng hợp amoniắc:
Fe
N
2
+ 3H ⎯→ 2NH
3

Trong phản ứng này Fe là xúc tác nhưng hoạt tính không cao, khi pha lẫn một
lượng nhỏ Mo hoặc mang trên Al
2
O
3
thì xúc tác Fe có hoạt tính cao hơn và ổn định
lâu hơn, phần thể hiện tính xúc tác được gọi là pha hoạt tính hoặc pha xúc tác.
Chất mang thường là các vật liệu trơ, có bề mặt lớn. Khi pha xúc tác được cố định
trên chất mang, nó sẽ được phân tán đều, trong nhiều trường hợp tới quy mô đám
nguyên (phân) tử, đó là các tâm hoạt động. Ngoài vai trò như là giá đỡ pha xúc tác
hoạt động và phân bố lại các tâm hoạt động, ch
ất mang còn có tác dụng như dung
lượng “đệm” làm giảm nhẹ tác động xấu của nhiệt phản ứng, chất độc lên bản thân
pha xúc tác.
Ví dụ, trong phản ứng tổng hợp metanol:
ZnO
CO + 2H ⎯→ CH

3
OH
Cr
2
O
3
vừa là chất mang vừa là là chất xúc tiến cho xúc tác ZnO.
Sự tăng hoạt tính xúc tác bởi sự có mặt của các thành phần không có tính xúc tác là
hiện tượng thường gặp trong xúc tác dị thể. Thông thường chất cho thêm gia tăng
bề mặt hoạt động, đôi khi kết hợp với chất xúc tác tạo thành những tâm hoạt động
mới, có hoạt tính cao hơn.

S tng hot tớnh xỳc tỏc cú th t c nh hiu ng cng hng. S cng
hng l hin tng xỳc tỏc hn hp cú hot tớnh ln hn tng hot tớnh ca hai
pha xỳc tỏc riờng r. Hiu ng ny rt khú d oỏn, cựng vi cỏc cht xỳc tin, õy
cũn l vựng en trong nghiờn cu xỳc tỏc, vỡ vy khi la chn xỳc tỏc ngi ta
thng bt u t cỏc thớ nghim sng lc
la chn nhng nhúm cht cú tim
nng nht nghiờn cu sõu hn.
6. Hin tng u c v cht c
ụi khi xỳc tỏc gim hot tớnh khi cú mt lng nh mt cht no ú, cht ny
thng l tp cht trong hn hp phn ng, õy l trng hp xỳc tỏc b u c,
cht gõy ra hin tng ny gi l cht c.
Xột vớ d
l phn ng:
[Pt]
2H
2
+ O2 H
2

O
õy l phn ng rt quyt nh trong pin nhiờn liu chy bng hyrụ, hot tớnh ụxi
hoỏ ca Pt b u c bi s cú mt ca vi chc ppm CO.
Trong phn ng tng hp amụnic:
[Fe]
N
2
+ 3H 2NH
3

Cht c vi Fe l H
2
S, õy cng l cht c i vi phn ln cỏc xỳc tỏc kim loi.
C ch u c khỏ a dng. Ph bin l do tng tỏc gia cht c vi xỳc tỏc to
thnh hp cht khụng cú hot tớnh, (vớ d phn ng Fe + H
2
S FeS + H
2
) hoc
to cỏc phc b mt do hp ph mnh (vớ d trng hp CO v Pt).
Trong định nghĩa xúc tác cần lu ý:
Trớc: xúc tác âm dơng. Thực ra âm là trờng hợp ức chế, có tiêu hao.
Trớc: cha khẳng định tham gia, bây giờ có.
Trớc: không đổi sau phản ứng, bây giờ: không đổi về mặt hoá học.
Xúc tác không thay đổi K, chỉ thay đổi W đạt K, ví dụ:
3N
2
+ 1H
2
2NH

3
+ Q
Tăng áp suất, giảm nhiệt độ cân bằng dịch về bên phải, nhng khi nhiệt độ giảm W
giảm, vì vậy T nên giảm hạn chế tới 450
o
C.
Ngoài cách phân loại xúc tác theo trạng thái vật lí nh trên ngời ta còn phân loại
xúc tác theo bản chất phản ứng mà nó xúc tác, nh vậy ta có:
Xúc tác axit, bazơ.
Xúc tác ôxi hoá khử
Haber Fe

Cơ chế chung:
Theo thuyết phức hoạt động phản ứng không xúc tác xảy ra theo phơng trình (i)
A + B [AB]
#
SP (i)
Tơng tự, phản ứng xúc tác xảy ra theo phơng trình (ii), điều này có nghĩa là xúc
tác K đã tham gia một cách tuần hoàn vào phản ứng bằng cách tạo phức trung gian
với chất phản ứng và đợc hoàn trả sau phản ứng nh định nghĩa.
A + B + K [ABK]
#
SP + K (ii)
Khi thực hiện phản ứng, xúc tác lái phản ứng theo con đờng khác, đấy là con
đờng tạo phức trung gian mới [ABK]
#
, có năng lợng hoạt hoá thấp hơn so với con
đờng tạo phức không xúc tác [AB]
#
(hình 6.2), nhờ sự giảm E

a
hằng số tốc độ k
tăng nhiều lần (xem phơng trình Arrhenius).






Hỡnh 6.2- C ch chung ca xỳc tỏc: to phc trung gian mi, gim nng lng hot hoỏ
6.1 Xúc tác đồng thể
6.1.1 Pha khí:
Ví dụ 1
: CO +
2
1
O
2
CO
2

NO
2
= xúc tác CO + NO
2
CO
2
+ NO
NO +
2

1
O
2
NO
2

Ví dụ 2
: I
2
trong phản ứng nhiệt phân chất hữu cơ (cơ chế dây chuyền)
I
2
2I (1)

I


+ CH
3
CHO

2
k
CH
3
CO


+ HI (2)
CH

3
CO




3
k


C
H
3
+ CO (3)


C
H
3
+ I
2


4
k
CH
3
I + I

(4)


C
H
3
+ HI


5
k
CH
4
+ I


(5)
CH
3
I + HI


6
k
CH
4
+ I
2
(6)
*

E
E
*
xt
xt
*
E
Chất phản ứng
Sản
p
hẩm
k
1
k-1

W =
dt
]CHOCH[d
3
= k [I
2
]
1/2
[CH
3
CHO]; k =
2/1
1
1-2k
k

k
2

So với không xúc tác: W = k[CH
3
CHO]
3/2


*
xt
E
= 134 kJ/mol << E
*
= 198 kJ/mol; E
*
= 64 kJ/mol
k tăng?
6.1.2 Xúc tác pha lỏng
2H
+
+ 2
2
32

OS
+ H
2
O
2



I

2
64
OS
+ H
2
O
Cơ chế: H
2
O
2
+ I


IO


+ H
2
O
I

+ IO


+ 2H
+
I
2
+ H
2
O
I
2
+ 2
2
82
OS

2
64
OS
+ 2I


Quy mụ mt s quỏ trỡnh xỳc tỏc ng th cụng nghip [ ]:

6.2 Xúc tác axit-bazơ
Xúc tác axit/bazơ (Bronsted/ cổ điển cho nhận H
+

/OH


và Luis cho nhận cặp e

)
khá phổ biến, ví dụ: phản ứng thuỷ phân (este, polisaccarit).
Xét phản ứng S với axit/bazơ Bronsted:
HA + H
2
O H
3
O
+
+ A



axit A bazơ B
A


+ H
2
O HA + OH


W = k
xt
[S]

k
xt
= k
0
+ k
H
+ [H
3
O
+
] + k
OH
[OH

] + k
HA
[HA] + k
A
[A

] (1)
Xúc tác axit/bazơ Đặc trng (đặc thù)
chung (mở rộng)
6.2.1 Xúc tác A/B đặc trng (đặc thù)
Những phản ứng mà W ~ [H
3
O
+
] hoặc [OH

] gọilà phản ứng xúc tác A/B đặc trng,
khi đó (1) có dạng:
k
xt
= k
o
+ k
H
+ [H
3
O
+
] + k
OH
[OH

] (2)
Ví dụ: Phản ứng thuỷ phân (nghịch đảo) đờng (xúc tác axit)

k
xt
= k
o
+ k
H
+ [H
3
O
+
] (3)

Nếu xúc tác là bazơ thì:
k
xt
= k
o
+ k
OH
[OH

] (4)
Vớ d phn ng thu phõn ester xỳc tỏc bi axit hoc baz c trng, tu xỳc tỏc
c ch cú th khỏc nhau:
O O
|| || + +H
2
O
CH
3
COR + H
+
CH
3
COH CH
3
COOH + ROH + H
+

|
R

cht (ht, phc) trung gian
hoc:
O O


|| | +H
2
O
CH
3
CO + OH

CH
3
COR CH
3
COOH + ROH + OH


| cht (ht, phc) trung gian
R
Để xác định các k tơng ứng phải đo động học trong điều kiện lực ion I = const và
pH thay đổi (dùng các dung dịch đệm).
Xét phản ứng xúc tác axit, giả sử k
H
+ >> k
0
(axit mạnh). Khi đó (3) trở thành:
k
xt

= k
H
+ [H
3
O
+
] (5)
log hoá: lg k
xt
= lgk
H
+ + lg[H
3
O
+
]
Hay lg k
xt
= lgk
H
+ pH (6)
Tơng tự với xúc tác bazơ:
k
xt
= k
OH
[OH

] = k
OH

]OH[
K
3
OH
2
+
(7)
lg k
xt
= lg (k
OH
.
OH
2
K
) + pH (8)
Nh vậy nếu biểu diễn trên đồ thị lg k
xt
= f(pH) ta có đờng thẳng với tg = 1
(phơng trình 6) hoặc + 1 (phơng trình (8).
Hình bên:
1. Xúc tác = cả H
+
lẫn OH

(thuỷ phân este)
2. Xúc tác = axit (thuỷ phân đờng saccarô)
3. Xúc tác = bazơ (trùng ngng anđol
của axetalđehit)

4. Xúc tác = axit + bazơ, có vùng không xúc tác
(trùng ngng anđol của glucô)
lgk
xt
1
2
3
4
p
H

6.2.2 Xúc tác axit/bazơ chung (mở rộng)
Nếu W phụ thuộc vào nồng độ axit (HA) hoặc bazơ [A

] ta có xúc tác A/B chung.
Khi đó: k
xt
= k
HA
[HA] + k
A
[A

] (9)
Với cân bằng HA = H
+
+ A
-
thì nồng độ [A
-

] là đại lợng phụ thuộc vào giá trị của
pH. Lấy hai giá trị pH
1
và pH
2
ta có
]A[
]HA[

= x
1
và x
2
tơng ứng, khi đó (9) có thể viết
dới dạng:
k
xt
= k
HA
[HA] + k
A

1
x
]HA[
=

+

1
A
HA
x
k
k
[HA] (10)
và k
xt
= k
HA
[HA] + k
A

2
x
]HA[
=

+

2
A
HA
x
k
k
[HA] (11)
Các phơng trình (10) và (11) là các hàm tuyến tính với [HA], vẽ đồ thị k
xt
theo
[HA] ta thu đợc hai đờng thẳng ứng với các giá trị x
1
và x
2
ở pH
1
và pH
2
tơng
ứng (hình 6.3):




Hỡnh 6.3- th thc nghim gii h phng trỡnh (10), (11)
Hình này phải đi qua gốc toạ độ

Nh vậy, cùng với (6), (8) ta xác định đợc tất cả các hằng số k trong (1) tính
đợc k
xt
ở pH và nhiệt độ cụ thể.
Vậy, nếu dựng k = f([HA]) cho hai trờng hợp pH môi trờng ứng với x
1
và x
2
ta có
đờng thẳng có độ dốc tg = k
HA
+
1
A
x
k

và k
HA
+
2
A
x
k

tơng ứng. Khi đó ta xác
định đợc k
HA
và k
A

.
Ví dụ : Với phản ứng iôt hoá axeton, Bell và Johnes xác định đợc:
k
o
= 5.10

10
s

1
, k
H+
= 1,6.10

3
mol

1
. . s

1
; k
OH

= 1,5 mol

1
. . s

1

; k
HA
= 5.10

6

mol

1
s

1
, k
A

= 15.10

6
(mol/)

1
.s

1

6.2.3 Biểu thức (định luật) Bronsted
Trong xúc tác A/B, hằng số phân li A/B liên quan với hoạt tính xúc tác.
HA + H
2
O H

3
O
+
+ A


Tng ng ta cú:
pH
1
x
1
pH
2
x
2
k
[HA]

K
a
=
HA
]A[ ]OH[
3
+

Theo Bronsted, với axit HA: k
xt
= a

a
K
(12)
K
a
hằng số phân li của axit, và a là hằng số đặc trng cho hệ phản ứng ở T
đã định. = 0 ữ 1 đặc trng cho dung môi ở nhiệt độ cụ thể.
Tơng tự với bazơ A


: k
xt,b
= b

b
K
(13)
Các biểu thức (12, 13) cho ta mối quan hệ hoạt tính xúc tác k và hằng số phân li K.
Nếu trong hệ có p nhóm cho H
+
và q nhóm nhận H
+
thì:

P
k
xt
= a

a
K
P
q
(14)

q
k
xt
= a









b
K
q
p
(15)
Các biểu thức (14, 15) phù hợp thực tế. Trong trờng hợp nhỏ dung môi đóng vai

trò xúc tác, ngợc lại gần 1 thì H
3
O
+
là xúc tác.
6.3 Xúc tác enzim
6.3.1 Khỏi nim enzim (enzymes)
L cỏc protein
cú kh nng xỳc tỏc (tng tc) phn ng hoỏ hc [1. Smith A.D. (Ed) et.
al. (1997) Oxford Dictionary of Biochemistry and Molecular Biology Oxford University Press
].
Trong cỏc phn ng enzim (v trong sinh hc) cỏc phõn t cht phn ng c gi
l c cht (substrates
). Hu ht cỏc phn ng trong c th sng xy ra nh tỏc dng
ca enzim. Do enzim rt chn lc i vi c cht v ch xỳc tỏc mt vi phn ng
c th trong s vụ s kh nng phn ng nờn tp hp enzim trong t bo s quyt
nh cỏc con ng chuyn hoỏ sinh hc xy ra trong t bo.
Tng t cỏc loi xỳc tỏc khỏc, enzim tỏc ng ch yu bng cỏch gi
m nng
lng hot hoỏ (E
a
or H
#
) ca phn ng, bng cỏch ú chỳng tng rt mnh tc
phn ng. Phn ln cỏc phn ng enzim cú tc ln hn phn ng khụng xỳc
tỏc hng triu ln. Cng nh xỳc tỏc thụng thng, enzim c bo ton sau phn
ng, v enzim khụng thay i cõn bng phn ng. Tuy nhiờn enzim cú nhng c
trng khỏc xỳc tỏc hoỏ hc.
Hin nay ngi ta bit c khong 4.000 phn ng enzim [
2. Bairoch A. (2000). "The

ENZYME database in 2000". Nucleic Acids Res 28: 304305]. Mc dự tt c cỏc enzim l
cỏc protein, nhng khụng phi tt c cỏc xỳc tỏc sinh hoỏ l enzim, vớ d mt vi
phõn t RNA
(ribozymes) cng xỳc tỏc mt s phn ng [3. Lilley D (2005). "Structure,
folding and mechanisms of ribozymes". Curr Opin Struct Biol 15 (3): 313-23
]. Hin ó xut

hiện enzim tổng hợp nhân tạo (artificial enzymes) có tác dụng như xúc tác enzim [4.
Groves JT (1997). "Artificial enzymes. The importance of being selective". Nature 389 (6649):
329-30
]. Đây chính là một hướng phát triển khoa học công nghệ enzim theo hướng
công nghệ chuyển hoá (metabolic engineering).

Hình 6.4- Mô hình enzim TIM (triosephosphate isomeraza) vây quanh bởi không gian protein.
TIM là men chuyển hoá đường thành năng lượng trong cơ thể động vật
Hoạt tính enzim bị ảnh hưỏng mạnh bởi các phân tử xung quanh. Các chất giảm
hoạt tính enzim gọi là chất ức chế (Inhibitors
); các chất tăng hoạt tính enzim gọi là
chất hoạt hoá (activators
). Nhiều loại thuốc kích thích và chất độc là chất ức chế
enzim. Hoạt tính enzim cũng chịu ảnh hưởng mạnh của nhiệt độ, môi trường (ví dụ,
pH
), và nồng độ cơ chất. Một số enzim đã được sử dụng công nghiệp, nhất là trong
sản xuất kháng sinh. Trong một số sản phẩm dân dụng cũng chứa enzim, ví dụ xà
phòng bột chứa enzim để phân huỷ, làm sạch các vết dầu mỡ, thức ăn; một số bột
gia vị chứa enzim phân rã protein trong thịt làm thịt mau dừ.
6.3.2 Thuật ngữ và Lịch sử
Ngay từ cuối thế kỉ
18, đầu 19 người ta đã nhận thấy hiện tượng phân rã thịt bởi
dịch dạ dày [

5. de Réaumur, RAF (1752). "Observations sur la digestion des oiseaux". Histoire
de l'academie royale des sciences 1752: 266, 461
] và sự chuyển hoá tinh bột thành đường
bởi một số dịch chiết thực vật và nước bọt [
6. Williams, H. S. (1904) A History of
Science: in Five Volumes. Volume IV: Modern Development of the Chemical and Biological
Sciences Harper and Brothers (New York)], tuy nhiên khi đó nguyên nhân còn chưa được
biết.
Trong thế kỉ 19 khi nghiên cứu hiện tượng lên men rượu, Louis Pasteur
cho rằng
quá trình lên men được xúc tác bởi những chất đặc biệt mạnh chứa trong các tế bào
nấm men và gọi chúng là “men” (ferments), men được cho là có trong các tế bào
sống. Ông viết “sự lên men rượu liên quan đến sự sống và tổ chức của các tế bào
nấm men, không tồn tại trong các tế bào chết hoặc thối rữa” (alcoholic
fermentation is an act correlated with the life and organization of the yeast cells,
not with the death or putrefaction of the cells)[
7. Dubos J. (1951). "Louis Pasteur: Free
Lance of Science, Gollancz. Quoted in Manchester K. L. (1995) Louis Pasteur (1822–1895)—
chance and the prepared mind.". Trends Biotechnol 13 (12): 511–515
]. Năm 1878 nhà sinh lí

học Đức Wilhelm Kühne (1837–1900) đề xuất thuật ngữ enzyme, xuất xứ từ tiếng
Hy Lạp ενζυμον "trong men bánh", để mô tả quá trình. Thuật ngữ enzyme sau này
được sử dụng cho cả các chất không sống như pepsin
, và từ ferment sử dụng cho
các chất trong cơ thể sống.
Năm 1897 Eduard Buchner
bắt đầu nghiên cứu khả năng của dịch chiết men bia để
lên men đường mặc dầu không có tế bào sống. Trong các thí nghiệm ở Trường
Tổng hợp Berlin, ông đã ghi nhận là đường vẫn lên men mặc dù không có tế bào

sống trong hỗn hợp [
8. Nobel Laureate Biography of Eduard
Buchner at ]. Ông đặt tên cho enzim gây
ra sự lên men đường là "zymase
" [9. Text of Eduard
Buchner's 1907 Nobel lecture at ]. Năm
1907 ông nhận giải Nobel hoá học "về nghiên cứu sinh
hoá và phát minh sự lên men ngoài tế bào". Sau
Buchner; enzim thường được đặt tên theo phản ứng
chúng gây và thêm đuôi –aza (tiếng Anh: -ase). Ví dụ,
lactaza
là tên men phân huỷ lactose hoặc đặt tên theo
phản ứng, ví dụ, DNA polymeraza
là men tạo DNA
polyme.
Eduard Buchner, 1897
Như vậy là enzim có thể hoạt động ngoài cơ thể sống, nghĩa là chúng phải có cấu
trúc như chất hoá học. Nhiều công trình sau đó đã chứng minh rằng hoạt tính
enzim liên quan đến protein trong cấu trúc, tuy nhiên một vài học giả (ví dụ, giải
Nobel Richard Willstätter
) cho rằng protein là chất mang enzim nhưng bản thân
không đóng góp cho hoạt tính xúc tác của enzim. Tiếp theo, năm 1926, James B.
Sumner chứng minh rằng enzim ureaza là một protein và ông đã kết tinh được
ureaza tinh khiết; tiếp theo năm 1937 Sumner tách được catalaza
. Quan điểm
protein tinh khiết có thể là enzim cuối cùng được Northrop
và Stanley chứng minh,
họ đã nghiên cứu trên cơ sở các enzim phân huỷ pepsin (1930), trypsin và
chymotrypsin. Năm 1946 hai ông đoạt giải Nobel hoá học [
10. 1946 Nobel prize for

Chemistry laureates at ].
Phát minh về khả năng kết tinh enzim riêng rẽ cho phép người ta xác định cấu trúc
bằng phương pháp phân tích cấu trúc Rơnghen. Đầu tiên, năm 1967 nhóm nghiên
cứu của David Chilton Phillips
xác định cấu trúc lysozym là enzim tách được từ
nước mắt, nước bọt và lòng trắng trứng có khả năng phân huỷ màng vi khuẩn [
11.
Blake CC, Koenig DF, Mair GA, North AC, Phillips DC, Sarma VR. (1965). "Structure of hen
egg-white lysozyme. A three-dimensional Fourier synthesis at 2 Angstrom resolution.". Nature 22
(206): 757–761
]. Đây có thể coi là các công trình bắt đầu của ngành sinh học cấu trúc
(sinh học phân tử) cho phép ta tiếp cận cơ chế phản ứng enzim ở mức phân tử ngày
càng chi tiết.

6.3.3 Cấu trúc và cơ chế
Enzim là các protein có phân tử khối rất khác nhau, từ loại phân tử khối nhỏ như là
4-oxalocrotonat tautomeraza
có 62 đoạn axit amin trong một phân tử [12. Chen LH,
Kenyon GL, Curtin F, Harayama S, Bembenek ME, Hajipour G, Whitman CP (1992). "4-
Oxalocrotonate tautomerase, an enzyme composed of 62 amino acid residues per monomer". J.
Biol. Chem. 267 (25): 17716-21
], tới loại lớn với hơn 2.500 axit amin như men fatty
acid synthaza tổng hợp axit béo trong cơ thể động vật [13. Smith S (1994). "The animal
fatty acid synthase: one gene, one polypeptide, seven enzymes". FASEB J. 8 (15): 1248–59].
Hoạt tính của enzim được quyết định bởi cấu trúc không gian của chúng [14.
Anfinsen C.B. (1973). "Principles that Govern the Folding of Protein Chains".
Science: 223–230]. Phần lớn các phân tử enzim có kích thước lớn hơn nhiều kích
thước cơ chất chúng sẽ chuyển hoá, mặc dù chỉ có phần nhỏ phân tử enzim
(khoảng 3-4 axit amin) thực sự có tác dụng xúc tác [
15. The Catalytic Site Atlas at The

European Bioinformatics Institute]. Vùng phân tử chứa nhóm xúc tác này được gọi là
tâm hoạt động. Enzim cũng chứa các nhóm hỗ trợ xúc tác được gọi là yếu tố trợ
enzim???? (cofactors
). Phần phân tử enzim xung quanh tâm hoạt động có tác dụng
định hướng cơ chất hoặc sản phẩm thông qua các tương tác phân tử. Các tương tác
này có thể tăng hoặc giảm hoạt tính enzim và được gọi là sự điều chỉnh ngược
(feedback
regulation).
Tương tự các protein, enzim được cấu tạo từ các axit amin mạch dài, nhờ vậy
chúng có thể thay đổi cấu hình tạo các cấu trúc không gian thứ cấp. Mỗi trật tự axit
amin sẽ có một cấu trúc đặc trưng, từ đây dẫn tới các tính chất đặc trưng của enzim.
Các “dây” protein riêng biệt có thể tương tác tạo nhóm gọi là phức protein (protein
complex). Các enzim có thể bị mất tính chất tự nhiên (denatured), ví dụ, các cấu
trúc phức bị phá, dây protein bị doãng ra, khi đó chúng bị mất hoạt tính do mất cấu
trúc không gian đặc trưng. Tuỳ loại enzim, quá trình này có thể thuận nghịch hoặc
bất thuận nghịch.
6.3.4 Đặc trưng
Enzim rất đặc trưng theo cơ chất và theo phản ứng. Các đặc trưng được quyết định
bởi cấu trúc phân tử phức tạp, bởi điện tích, bởi tính ưa/hoặc k
ị nước của enzim và
cơ chất. Từ đó enzim có các tính chất đặc trưng không gian, chọn lọc khu vực và
chọn lọc hoá học [
16. Jaeger KE, Eggert T. (2004). "Enantioselective biocatalysis optimized
by directed evolution.". Curr Opin Biotechnol. 15(4): 305–313
] mạnh mẽ, gần như tuyệt đối,
mà các xúc tác thường không có.
Một số enzim thể hiện khả năng copi và tái tạo genome
. Các enzim này có cơ chế
"đọc -thử” (proof-reading). Ví dụ, enzim DNA polymeraza
xúc tác phản ứng ở

bước 1 sau đó kiểm soát sản phẩm ra ở bước hai có đúng không [
17. Shevelev IV,
Hubscher U. (2002). "The 3' 5' exonucleases.". Nat Rev Mol Cell Biol. 3 (5): 364–376
]. Quá
trình hai bước này có xác suất sai lệch nhỏ hơn 1 phần triệu, nghĩa là độ chính xác

rất cao được thực hiện trong các quá trình polime hoá trong cơ thể động vật có vú
[
18. Berg J., Tymoczko J. and Stryer L. (2002) Biochemistry. W. H. Freeman and Company].
Tương tự, RNA polymeraza
[19. Zenkin N, Yuzenkova Y, Severinov K. (2006). "Transcript-
assisted transcriptional proofreading.". Science. 313: 518–520
], aminoacyl tRNA synthetaza
[
20. Ibba M, Soll D. (2000). "Aminoacyl-tRNA synthesis.". Annu Rev Biochem. 69: 617–650] và
ribosome
[21. Rodnina MV, Wintermeyer W. (2001). "Fidelity of aminoacyl-tRNA selection on
the ribosome: kinetic and structural mechanisms.". Annu Rev Biochem. 70: 415–435
]. cũng có
cơ chế “đọc - thử”.
Một số emzim sinh ra các cơ chất thứ cấp sẽ tham gia các quá trình chuyển hoá
tiếp theo (secondary metabolites
), khi đó, do tính đa dạng của cơ chất chúng sẽ
phải phản ứng với nhiều cơ chất khác nhau (giảm tính chọn lọc, tạm gọi là chọn lọc
băng rộng). Tính chọn lọc băng rộng được coi là quan trọng trong sự tiến hoá của
các con đường sinh tổng hợp [
22. Firn, Richard. The Screening Hypothesis - a new
explanation of secondary product diversity and function.].
6.3.5 Cofactor và coenzym
Cofactor-Tác nhân hỗ trợ

Có một số enzim có thể không cần tác nhân thứ ba cũng hoạt động. Tuy nhiên, một
số enzim lại cần có các chất hỗ trợ mới thể hiện đầy đủ hoạt tính, các chất này là
các phân tử không-protein, chúng được gọi là chất (yếu tố) trợ enzim (cofactor).
Các chất trợ enzim có thể là chất vô cơ (ví dụ như các ion kim loại hoặc cặp nhóm
sắt-sulphua) hoặc các hợp chất hữ
u cơ đặc thù (ví dụ như flavin hay heme). Các
chất trợ enzim còn được gọi là (coenzymes) thường có các nhóm chức phù hợp với
các enzim mà chúng hỗ trợ và có thể liên kết với phân tử enzim mà chúng hỗ trợ ở
vị trí thích hợp cho phản ứng. Các chất hỗ trợ nếu liên kết chặt với enzim, ví dụ
NADH sẽ không rời khỏi phân tử enzim trong quá trình phản ứng.
Ví dụ enzim chứa cofactor là carbonic anhydraza
, mô hình 6.XX cho thấy nguyên
tử Zn, yếu tố trợ enzim, nằm gần như ở tâm của tâm hoạt động [
39. Fisher Z,
Hernandez Prada JA, Tu C, Duda D, Yoshioka C, An H, Govindasamy L, Silverman DN and
McKenna R. (2005). "Structural and kinetic characterization of active-site histidine as a proton
shuttle in catalysis by human carbonic anhydrase II.". Biochemistry. 44(4): 1097-115
]. Các
cofactor liên kết mạnh này thường gặp ở tâm hoạt động và chúng tham gia tích cực
vào cơ chế phản ứng enzim. Ví dụ, cofactor flavin và heme thường tham gia vào
các phản ứng ôxi hoá khử.
Những Enzym cần cofactor nhưng không tạo liên kết cofactor được gọi là các
apoenzym (apoenzymes). Khi apoenzym đi cùng với các cofactor của chúng thì
gọi là holoenzym (holoenzyme) (dạng hoạt động). Phần lớn cofactor không liên
kết cộng hoá trị với enzim nhưng liên kết vẫn rất bền, trừ các nhóm chức h
ữu cơ
của cofactor hữu cơ là có thể tạo liên kết (ví dụ, cofactor tiamin pyrophosphat
trong enzym pyruvat dehydrogenaza).

Coenzym

Hình 6.5- Mô hình không gian (Space-filling model) của coenzym NADH
Coenzym là các phân tử nhỏ, chúng có chức năng vận chuyển các nhóm, phân tử
cơ chất từ enzim này đến enzim khác [
40. AF Wagner, KA Folkers (1975) Vitamins and
coenzymes. Interscience Publishers New York
]. Một số chất hoá học, ví dụ riboflavin,
thiamin
và folic axit là các vitamin, chúng không thể tổng hợp trong cơ thể mà chỉ
có trong thức ăn. Các nhóm cần vận chuyển bao gồm ion hydrua
(H
-
) được vận
chuyển bởi NAD hoặc NADP
+
, nhóm axetyl được vận chuyển bởi coenzym A,
nhóm formyl, metenyl hay metyl được vận chuyển bởi folic axit
và nhóm metyl
được vận chuyển bởi S-adenosylmetionin
.
Vì coenzym cũng có thể chuyển hoá trong phản ứng enzim, vì vậy có thể coi chúng
là các cơ chất đặc biệt, và khá nhiều enzim cần tới chúng mới phát huy được hoạt
tính. Ví dụ, hiện nay đã tìm được tới 700 enzym sử dụng coenzym là NADH [
41.
BRENDA The Comprehensive Enzyme Information System
]. Coenzym có thể được tái tạo
để tồn tại trong cơ thể ở mức ổn định, ví dụ NADPH được tái sản xuất thông qua
chu trình sinh hoá pentoza phosphat (pentose phosphate pathway
) và S-
adenosylmetionin bởi men metionin adenosyltransferaza.

6.3.6 Cơ chế “chìa và khoá”
Ngay từ 1894 Emil Fischer
đã giải thích độ chọn lọc, tính rất đặc trưng của enzim
bằng cấu trúc phức tạp của nó chỉ phù hợp với cơ chất đặc trưng [
23. Fischer E.
(1894). "Einfluss der Configuration auf die Wirkung der Enzyme
". Ber. Dt. Chem. Ges. 27: 2985–
2993
]. Đây là nội dung cơ chế “chìa – khoá” trong đó enzim là khoá, cơ chất là chìa.
Cơ chế này phù hợp khi giải thích tính chọn lọc của enzim, tuy nhiên không phù
hợp khí lí giải sự ổn định của các trạng thái trung gian hình thành trong phản ứng.


Hình 6.6- Cơ chế chìa và khoá
Cơ chế mô hình cảm ứng phù hợp
Năm 1958 Daniel Koshland
đề xuất thay đổi cơ chế chìa – khoá bằng cơ chế cảm
ứng phù hợp. Bản thân enzim là một đại phân tử có cấu trúc mềm dẻo linh hoạt,
khi đó tâm hoạt động có thể thay đổi cấu hình để phù hợp với cơ chất khi S tới gần ,
sự thay đổi này tiếp diễn liên tục qua các giai đoạn trung gian tới khí giải phóng
sản phẩm [
24. Koshland D. E. (1958). "Application of a Theory of Enzyme Specificity to
Protein Synthesis". Proc. Natl. Acad. Sci. 44 (2): 98–104; 26. Boyer, Rodney [2002]. "6",
Concepts in Biochemistry, 2nd ed. (in English), New York, Chichester, Weinheim, Brisbane,
Singapore, Toronto.: John Wiley & Sons, Inc., 137–138
].

Hình 6.7- Sơ đồ mô tả cơ chế cảm ứng phù hợp
Sự thay đổi này có được nhờ các cấu trúc chuỗi axit amin xung quanh tâm hoạt
động, phân tử S không đơn giản là liên kết với tâm hoạt động mà vào khớp với cấu

trúc của tâm sao cho thuận lợi nhất cho hoạt động xúc tác của tâm. Trong một số
trường hợp, ví dụ các men glycosidase, phân tử cơ chất cũng thay đổi cấu hình
chút ít để phù hợp với tâm hoạt động [
25. Vasella A, Davies GJ, Bohm M. (2002).
"Glycosidase mechanisms.". Curr Opin Chem Biol. 6 (5): 619–629
].
Enzym có độ chọn lọc gần như tuyệt đối. Ví dụ zymaza chiết từ nấm men xúc tác
phản ứng lên men dextrose rất mạnh hoàn toàn không lên men được đường mía.
6.3.7 Nhiệt động học


Xét giản đồ năng lượng của một phản ứng sinh hoá, ví dụ phản ứng ôxi hoá glucô
để tạo năng lượng. Trường hợp không xúc tác hàng rào năng lượng lớn hơn nhiều
so với trường hợp phản ứng enzim. Điều này có nghĩa là để leo tới trạng thái
chuyển tiếp trường hợp đầu cần cấp nhiều năng lượng cho các phân tử để chúng có
thể chuyển thành trạng thái chuyể
n tiếp. Trong trường hợp phản ứng enzim, nhờ
tương tác đặc thù nó dễ dàng tạo phức chuyển tiếp với chi phí năng lượng rất thấp,
nhờ đó phản ứng có thể xảy ra ở nhiệt độ thường.
Tương tự như các xúc tác hoá học, enzym không thể thay đổi cân bằng hoá học,
chúng chỉ tăng tốc độ đạt cân bằng. Trong thế giới enzim cũng có trường hợp phản
ứng kèm nhau, đó là trường hợp một phản ứng enzim rất thuận về mặt nhiệt động
có thể kéo theo một phản ứng khác nghịch về mặt nhiệt động. Ví dụ, sự thuỷ phân
ATP
thường kèm theo nhiều phản ứng khác.

Hình 6.8- Mô hình dạng băng (Ribbon-diagram) của carbonic anhydraza II. Hình cầu xám ở
giữa tâm hoạt động là cofactor zinc
(lấy từ PDB 1MOO)
Enzym xúc tác cho phản ứng thuận và nghịch tương tự nhau, điều này có nghĩa là

chúng không thay đổi cân bằng nhưng tăng tốc độ đạt cân bằng. Ví dụ enzim
carbonic anhydraza
xúc tác cả hai phản ứng, phản ứng nào thì phụ thuộc vào nồng
độ cơ chất:
Carbonic anhydraza
CO
2
+ H
2
O ⎯⎯⎯⎯⎯⎯→ H
2
CO
3
(phản ứng trong tế bào, nơi nồng độ CO
2
cao)
Carbonic anhydraza
H
2
CO
3
⎯⎯⎯⎯⎯⎯→ CO
2
+ H
2
O

(phản ứng trong phổi, nơi nồng độ CO
2
thấp)

6.3.8 Động học enzim
Cơ chế của phản ứng enzym là cơ chế tạo phức hoạt động được mô tả trên sơ đồ
sau:



k
1
Cơ chất (S) + Enzym (E) ES (i)
k’
1

k
2

ES → P + E (ii)
Trong đó bước một (i) là cân bằng tạo phức ES, bước hai (ii) là bước phân huỷ
phức tạo sản phẩm P và tái tạo E cho chu kì phản ứng tiếp theo.
Trong thực tế nồng độ cơ chất thường lớn hơn nhiều so với nồng độ enzym, vì vậy
phần cơ chất tham gia tạo phức ES rất nhỏ. Nồng độ tổng của enzym [E]
T
được coi
là tổng của enzym [E] và nồng độ phức [ES], nghĩa là:
[E]
T
= [E] + [ES]
Áp dụng nguyên lí nồng độ ổn định cho ES ta có:
k
1
[E][S] – k’

1
[ES] – k
2
[ES]= 0
hay:
[]
[][]
2
'
1
1
S
kk
SEk
E
+
= (1)
Mặt khác, có thể tính [ES] theo [E]
T
bằng biểu thức:

[] []
[
]
[
]
2
'
1
1

kk
SEk
EE
T
+
+=

Rút ra:
[]
(
)
[
]
[]
Skkk
Ekk
E
T
12
'
1
2
'
1
++
+
=
(2)
Thế vào (1) ta có biểu thức tính [ES]:

[]
[][]
[]
Skkk
ESk
ES
T
12
'
1
1
++
=
(3)
Vì tốc độ phản ứng bằng tốc độ phân huỷ phức ES, ta có:
W = d[P]/dt = k
2
[ES] (4)
Thay biểu thức [ES] từ (3) ta được:
W =
[][]
[]
[
]
[
]
[]
[
]
[

]
[]
SK
ESk
S
k
kk
ESk
Skkk
ESkk
M
TTT
+
=
+
+
=
++
2
1
2
'
1
2
12
'
1
21
(5)
Trong đó K

M
là hằng số Michaelis Menten.
Nếu [S] rất nhỏ, ta có [S] << K
M
khi đó phương trình (5) đơn giản thành:
W = (k
2
/K
M
)[E]
T
[S] (6)
Trong trường hợp này phản ứng tuân theo luật bậc 1 đối với cơ chất S và đồ thị W-
[S] có dạng đường thẳng qua gốc toạ độ ở vùng nồng độ thấp (Hình 6.9).


Hình 6.9- Đồ thị vận tốc - nồng độ cơ chất trong phản ứng xúc tác enzym
Khi nồng độ cơ chất S rất lớn, ứng với [S] >> K
M
, phương trình tốc độ có dạng:
W = k
2
[E]
T
(7)
Như vậy, phản ứng bậc không theo S và tốc độ là hằng số, ta gọi là tốc độ đã bão
hoà và đồ thị W - [S] là đoạn nằm ngang như trên Hình 6.9. Khi [S] rất lớn giá trị
W đạt maximum, nghĩa là W
max
= k

2
[E]
T
.
Thay k
2
[E]
T
=

W
max
vào phương trình (5) ta có:
W=
[]
[]
SK
S
M
m
+
W
(8)
Phương trình (8) là phương trình Michaelis
−
Menten.
Đặt W = (1/2)W
m
ta dễ dàng chứng minh được:
K

M
= [S] (9)
Như vậy, hằng số K
M
có ý nghĩa là nồng độ cơ chất S mà ở đó W = (1/2)W
m
.
Giá trị của đại lượng K
M
là hằng số phụ thuộc bản chất enzym và cơ chất, ngoài ra
các yếu tố môi trường như nhiệt độ, pH, độ muối, lực ion cũng ảnh hưởng. K
M

nói lên khả năng tương tác enzym-cơ chất.
Từ phương trình (8), để xác định các hằng số W
m
và K
M
bằng thực nghiệm ta xử lí
phương trình (8) bằng cách nghịch đảo hai vế, ta có:

[]
mm
M
S
K
W
1
WW
1

+=
(10)
Đo tốc độ phản ứng ở các nồng độ cơ chất khác nhau, dựng đồ thị (1/W) - 1/[S] ta
thu đựoc đường thẳng cắt trục tung tại (1/W
m
) và độ dốc = (K
M
/W
M
). Từ đây ta tính
được giá trị của W
m
và K
M
.


Hỡnh 6.10- th Lineweaver Burk xỏc nh W(R)
max
v K
M
Phơng trình (8) có thể chuyển thành:
WK
M
+ W[S] = W
max
[S]
WK
M
= W

max
[S] W[S]
WK
M
= (W
max
W)[S]
Chia cả hai vế cho K
M
[S] thu đợc:

]S[
W
=
MM
K
W
K
W

max
(8)
Pt (8) sử dụng tiện lợi hơn do số liệu thực nghiệm khi xử lí để đa lên đồ thị sẽ
phân bố đều hơn (Chú ý: hình vẽ ngợc chiều????).
Ví dụ: Phản ứng phân huỷ [S] là metylhiđroxinamat khi có men ximotripxin ở 25
o
C,
pH = 7,6 có số liệu sau:
[S].10
3

, mol/ 30,8 14,6 8,57 4,60 2,24 1,28 0,32
W.10
8
, (mol/).s

1
20,0 17,5 15,0 11,5 7,5 5,0 1,5
Xác định W
max
và K
M
Dùng:
W
1
= f






]S[
1
và
]S[
W
= f(W)
10
8
.W, (mol/).s

1
20,0 17,5 15,0 11,5 7,5 5,0 1,5
10
+7
.W

1
, (/mol).s 0,500 0,571 0,667 0,870 1,33 2,00 0,67
10
+3
. [S]

1
(mol/

1
0,032 0,069 0,117 0,218 0,446 0,781 3,125
10
+5
.W [S]

1
,.s

1
0,650 1,20 1,750 2,50 3,35 3,90 4,70

10
3
.[S]

1
,(mol/)

1
10

8
W,mol/.s

1
[
S
]
max
max
K
W
1
W
tg =
1
W
tg =1,98.10 s

1
W
W
[S]
4
0,45.10 mol l.s
7
-1
10, (l/mol).s
7
10, s
-1
tg =-0,218.10 l/mol
-1
-5
3
5.10 s
-5
(a)
(b)
tg =

W
max
1
K
W
[S]
W
K

Tõ (a): tgα =
max
W
K
= 1,98.10
4
.s

max
W
1
= 0,45.10
7
(λ/mol).s
§å thÞ (b) cho sè liÖu tèt h¬n v× ph©n bè ®iÓm thùc nghiÖm ®Òu h¬n.
tgα = −
K
1
= −0,218.10
3
(mol/l)
−
1

K
W
max
= 5,0.10
−

5
s
−
1
6.3.9 Ảnh hưởng của pH
Khi pH thay đổi (ví dụ tăng dần) tốc độ phản ứng enzim sẽ đạt giá trị cực đại ở giá
trị pH tối ưu nào đó như ở Hình 6.7. Ảnh hưởng của yếu tố pH được giải thích trên
cơ sở coi tâm hoạt động sẽ tồn tại ở ba trạng thái phân li là EH
2
, EH và E.
EH
2
là trạng thái tích điện dương nhất (hay là ít âm nhất) so với EH nó có nhiều
hơn một điện tích dương, về phần mình EH có hơn E một điện tích dương. Để đơn
giản hoá trong sơ đồ dưới đây sẽ không ghi số điện tích. K
a
và K
b
là các hằng số
cân bằng tương ứng. Về phần mình mỗi trạng thái của enzim đều có thể tạo phức
với cơ chất S, và giả sử chỉ có phức EHS tạo thành sản phẩm, khi đó ta có sơ đồ:
K
b
K
a
EH
2
== EH == E
||
K’

b
k
1
|| k
1
’ K’
a
||
EH
2
S == EHS == ES
↓
k
2

EH + P
Khi pH giảm về phía môi trường axit mạnh các cân bằng sẽ chuyển dịch sang trái,
dạng phức EH
2
S sẽ chiếm ưu thế, tốc độ phản ứng sẽ giảm vì nồng độ phức EHS
sẽ thấp. Ngược lại, khi pH chuyển về phía bazơ mạnh dạng phức ES sẽ chiếm ưu
thế, khi đó EHS là dạng tạo sản phẩm sẽ thấp, tốc độ phản ứng sẽ nhỏ. Ở giá trị pH
trung gian, khi dạng phức EHS chiếm ưu thế ta có tốc độ
sẽ là maximum. Nếu áp
dụng nguyên lí nồng độ ổn định cho sơ đồ này sẽ thu được phương trình tốc độ rất
phức tạp, khó áp dụng trong thực tế để kiểm tra bằng thực nghiệm.
Nếu đơn giản hoá cơ chế trên bằng cách bỏ qua các cân bằng EH
2
+S = EH
2

S và
E+S = ES ta có sơ đồ:
K
b
K
a
EH
2
== EH == E

K’
b
k
1

|| k
1
’ K’
a

EH
2
S == EHS == ES
↓k
2
K
M
= 4,51.10
−
3

mol/L
W
max
= 4,6.10
−
7
mol/L.s
K
M
= 4,6.10
−
3
mol/L
W
max
= 2,3.10
−
7
mol/L.s

EH + P
Áp dụng nguyên lí nồng độ ổn định cho sơ đồ này ta thu được phương trình tốc độ:
Tốc độ =
[
]
[
]
[]
[]
[]

[]
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
++
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
++
+
+
+
+ '
'
0
2
11
b
a
M

b
a
K
H
H
K
K
K
H
H
K
SEk
(11)???
Khi tiến hành thí nghiệm với các nồng độ [S] khác nhau ở các giá trị pH cố định ta
xác định được các giá trị k
2
, K
M
, Ka, K’
a
, K
b
và K’
b
.

Hình 6.11- Sự phụ thuộc tốc độ phản ứng enzim vào pH

Trong thực tế sự phụ thuộc tốc độ phản ứng enzim vào pH thường có dạng như
Hình 6.11.

6.3.10 Ức chế trong phản ứng xúc tác enzym
Có một số hợp chất khi được đưa vào hỗn hợp phản ứng, dù với một lượng nhỏ, sẽ
làm giảm vận tốc, chúng được gọi là chất ức chế và hiện tượng tương ứng là hiện
tượng ức ch
ế.
Đây chính là hiện tượng mà trước kia người ta quy cho là xúc tác “âm”. Tuy nhiên
khác với xúc tác chất ức chế tham gia và bị tiêu hao trong phản ứng. Hiện tượng ức
chế thường gặp trong các phản ứng dây chuyền, phản ứng enzym, phản ứng xúc
tác dị thể .
Ví dụ về chất ức chế: enzim catalyaza (catalyase) có M = 250.000 xúc tác phân
huỷ H
2
O
2
đã giảm E
a
từ 75 kJ/mol xuống 8 kJ/mol. Phần lớn enzim có các tâm
hoạt động chiếm một vị trí rất nhỏ so với toàn bộ đại phân tử protein. Nếu một chất
lạ không phải cơ chất gắn vào các tâm hoạt động này enzim có thể đánh mất một
phần hoặc hoàn toàn hoạt tính. Ví dụ: enzim ureaza (urease) xúc tác cho phản ứng
phân huỷ ure thành NH
3
và CO
2
. Nếu cho một liều nhỏ các ion kim loại nặng như
Ag
+
, Pt
2+
, Hg

2+
hoạt tính enzim sẽ giảm mạnh. Trường hợp chất ức chế tương tác
bất thuận nghịch với enzim chúng được coi là chất độc. Với các enzim peroxidaza,
catalaza, và cytochrome oxidaza thì chất độc là HCN, H
2
S, và azit. Một số dược
phẩm có tác dụng tương tự chất ức chế những loại enzim cụ thể.

Trong phản ứng xúc tác enzym Inh có thể tương tác thuận nghịch hoặc bất thuận
nghịch với enzym hoặc với phức hoạt động. Trong các tương tác bất thuận nghich
chất ức chế tạo sản phẩm mới với enzym, thực tế là chuyển thành chất khác, bằng
cách đó vô hiệu hoá enzym. Trong phản ứng ức chế thuận nghịch chất ức chế tạo
phức
Inh-enzym. Tuỳ vào các đặc trưng của tương tác này ta có ba kiểu ức chế
thuận nghịch.
1. Ức chế cạnh tranh
Khi chất ức chế và cơ chất có cấu trúc gần tương tự nhau chất ức chế sẽ cạnh tranh
trong phản ứng với enzym để tạo phức trung gian, vì vậy nồng độ phức trung gian
để tạo sản phẩm ES bị giảm, làm giảm tốc độ phả
n ứng. Cơ chế phản ứng loại này
như sau:
k
1
E + S ES (i)

k’
1
k
I
E + Inh EInh (ii) K

I
k’
I

k
2
ES → E + P (iii)
Nồng độ enzym tổng [E]
T
được tính theo:
[E]
T
= [E] + [ES] + [EInh] (iv)
Theo nguyên lí nồng độ ổn định tìm được biểu thức tính [ES]:
[ES] =
[][]
2
'
1
1
kk
SEk
+
(v)
Nồng độ EInh

tính từ cân bằng (ii):
[EInh] = K
I
[E] [Inh] (vi)

Thế [ES] từ (v), [EInh] từ (vi) vào (iv) ta có biểu thức tính [E] từ [E]
T
:
[E] =
[
]
[] [ ]
InhKKSK
EK
IMM
T
M
++
(vii)
Tốc độ phản ứng bằng tốc độ giai đoạn phân huỷ phức [ES] nên ta có:
Tốc độ =
[]
ESk
2
(viii)
Phối hợp (v), (vii) và (viii) ta thu được phương trình tốc độ phản ứng:
Tốc độ = k
2
[]
2
'
1
1
kk
Sk

+
[
]
[] [ ]
InhKKSK
EK
IMM
T
M
++

hay: W =
[]
[
]
[]
{}
[]
SInhKK
SEk
IM
T
++1
2
(12)

trong đó
1
2
'

1
k
kk
K
M
+
=
là hằng số Michaelis-Menten.
Phương trình (12) chuyển về phương trình kiểu Lineweaver-Burk có dạng:

[]
[
]
{
}
[] []
SEk
InhKK
Ek
T
IM
T
1
1

1
W
1
22
+

+=

hoặc:
[] [][]
SEk
K
Ek
T
M
T
1

1
W
1
2
'
2
+=
(13)

Hình 6.12- Đồ thị Lineweaver – Burk trong trường hợp thay đổi nồng độ ức chế [Inh]([I]) theo
cơ chế ức chế cạnh tranh
trong đó
[]
()
InhKKK
IMM
+= 1
'

đồng nghĩa với hằng số Michaelis-Menten khi có
mặt chất ức chế. Từ phương trình (13) quy luật của phản ứng trong trường hợp này
cũng không khác về mặt nguyên tắc so với phản ứng enzym thông thường, điểm
khác biệt nằm ở giá trị K
M
đã tăng thêm (1 + K
I
[Inh]) lần. Từ độ dốc và điểm cắt
trục tung của đồ thị thực nghiệm (1/W) – (1/[S]) ta xác định được k
2
và K
M
’
. Khi
biết giá trị K
M
(từ thí nghiệm không có ức chế) ta có thể xác định được K
I
.
2. Ức chế không cạnh tranh (phản ứng với ES)
Trong ức chế không cạnh tranh Inh tạo phức với phức ES tạo phức mới không hoạt
động InhES:
k
1
E + S ES (i)
k’
1
k
I
ES + Inh InhES (ii) K

I
k’
I

k
2
ES → E + P (iii)
Áp dụng nguyên lí nồng độ ổn định để tính ES ta có: