Cơ chế tác dụng của enzyme

Chương 7
Động học Enzyme
7.1. Ý nghĩa của việc nghiên cứu động học enzyme
Nghiên cứu động học enzyme là nghiên cứu ảnh hưởng của các
yếu tố: nồng độ cơ chất, enzyme, pH môi trường, nhiệt độ, các chất
kìm hãm… đến tốc độ phản ứng do enzyme xúc tác. Việc nghiên cứu
động học enzyme sẽ cho ta biết được các vấn đề sau đây:
- Có thể biết được cơ chế phân tử của sự tác động của enzyme.
- Cho phép ta hiểu biết được mối quan hệ về mặt lượng của quá trình
enzyme.
- Thấy được vai trò quan trọng cả về mặt lý luận lẫn thực tiễn: khi
lựa chọn các đơn vị hoạt động enzyme người ta cần phải biết những điều
kiện tốt nhất đối với hoạt động của enzyme, cũng như cần phải biết được
các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động của chúng.
- Là điều kiện cần thiết để thực hiện tốt các bước tinh chế enzyme,
vì người ta cần phải kiểm tra về mặt lượng bằng cách xác định có hệ thống
hoạt động của chế phẩm enzyme trong các giai đoạn tinh chế.
7.2. Động học các phản ứng enzyme
7.2.1. Ảnh hưởng của nồng độ enzyme
Trong điều kiện dư thừa cơ chất, nghĩa là [S] >>[E] thì tốc độ phản
ứng phụ thuộc vào [S], v= K[E] có dạng y=ax. Nhờ đó người ta đã đo [E]
bằng cách đo vận tốc phản ứng do enzyme đó xúc tác.
Có nhiều trường hợp trong môi trường có chứa chất kìm hãm hay
hoạt hóa thì vận tốc phản ứng do enzyme xúc tác không phụ thuộc tuyến
tính với [E] đó.
v


[E]
Hình 7.1. Sự phụ thuộc của vận tốc phản ứng vào [E]
74

7.2.2. Ảnh hưởng của nồng độ cơ chất [S]
Ta khảo sát trường hợp đơn giản nhất: chỉ một cơ chất
k
1
k
2
E + S ES E + P (1)
k
-1
Gọi v
1
là vận tốc của phản ứng tạo thành phức chất ES.
Gọi v
-1
là vận tốc của phản ứng tạo phân ly phức chất ES tạo
thành E và S.
Gọi v
2
là vận tốc của phản ứng tạo thành E và P (sản phẩm).
v
1
= k
1
[E][S]
v
-1
= k
-1
[ES]
v

2
= k
2
[ES]
Khi hệ thống đạt trạng thái cân bằng ta có:
k
-1
[ES]+k
2
[ES] = k
1
[E][S]
(k
-1
+k
2
)[ES] = k
+1
[E][S] (2)
Gọi E
0
là nồng độ ban đầu:
[E
0
]=[E]+[ES]=>[E]=[E
0
]-[ES] (3)
Thay trị số [E] từ (3) vào (2) ta có:
(k
-1

+k
2
)[ES] = k
1
([E
0
]-[ES]) [S]
k
1
[E
0
] [S]

[ES] = --------------
k
-1
+ k
2
+k
1
[S]
Nếu đặt Km= k-1+k2/ k1
(Km: gọi là hằng số Michalis Menten)
Ta có: [ES] = [E0][S]/ Km+[S]
Mặt khác vận tốc phản ứng tạo thành sản phẩm P là:
V = k
2
[ES]
75
Thay [ES] bằng giá trị ở trên ta thu được:

k
2
[E
0
] [S]
v = ----------------- (4)
K
m
+ [S]
Qua đây ta thấy nồng độ enzyme càng cao thì vận tốc phản ứng
enzyme càng lớn. Vận tốc đạt cực đại khi toàn bộ enzyme liên kết với cơ
chất, nghĩa là:
V
max
= k
2
[E
0
]
Thay vào phương trình (4) ta được:
[S]
v = V
max
------------- (5)
K
m
+ [S]
Phương trình (5) gọi là phương trình Michelis Menten
Km gọi là hằng số Michelis Menten đặc trưng cho mỗi enzyme.
Km đặc trưng cho ái lực của enzyme với cơ chất, Km có trị số càng nhỏ

thì ái lực của enzyme với cơ chất càng lớn, nghĩa là vận tốc của phản ứng
do enzyme xúc tác càng lớn.


Hình 7.2. Biến thiên vận tốc phản ứng theo nồng độ cơ chất
76
Khi tăng [S] thì v phản ứng tăng, tăng [S] đến một giá trị nào đó thì
v đạt đến giá trị vmax và sẽ không tăng nữa nếu ta vẫn tiếp tục tăng [S].
Khi Km = [S] thì v
0
=1/2 Vmax
Năm 1934. Lineweaver và Burk, trên cơ sở của phương trình (5) đã
nghịch đảo để biến thành dạng đường thẳng y = ax+b, nó có ý nghĩa lớn
đối với việc nghiên cứu kìm hãm enzyme.
1/v

1/V
max

-1/K
m
1/[S]
Hình 7.3. Sự phụ thuộc của tốc độ phản ứng vào nồng độ cơ chất theo
Lineweaver-Burk
Trong nhiều phản ứng do enzyme xúc tác có 2 hay nhiều cơ chất, ví
dụ hexokinase xúc tác phản ứng:
ATP + glucose hexokinase ADP + glucose 6 phosphate
Cơ chế enzyme xúc tác cho phản ứng 2 cơ chất có thể như sau:
a/ Cơ chế tạo phức 3 thành phần
S

2

77
b/ Cơ chế không tạo phức 3 thành phần
Đây là trường hợp cơ chất thứ 2 (S
2
) chỉ kết hợp vào enzyme ( ở
trạng thái E’) sau khi P
1
được tạo thành.
Vận tốc của phản ứng trong trường hợp này có thể được phân biệt
qua hằng số Michalis-Menten đối với mỗi cơ chất. Qua nghiên cứu động
học cho thấy:
Enzyme Cơ chất Km(mM)
Phản ứng 2 cơ chất (bisubstrate) thường vận chuyển 1 nguyên tử
hay 1 nhóm chức từ cơ chất này đến cơ chất khác.
Khi cho S
2
không đổi, đường biểu diễn tốc độ trong cả hai
trường hợp
78
(Não)


(a): tạo phức 3 thành phần (b): không tạo phức 3 thành phần
7.2.3. Ảnh hưởng của chất kìm hãm (inhibitior)
Là chất có tác dụng làm giảm hoạt độ hay làm enzyme không còn
khả nâng xúc tác biến cơ chất thành sản phẩm. Nó có thể là chất kìm hãm
thuận nghịch hay bất thuận nghịch.
Kìm hãm thuận nghịch (reversible inhibition) có thể là cạnh tranh

(competitive), phi cạnh tranh (uncompetitive) hay hỗn tạp (mixed).
* Cách 1: Kìm hãm cạnh tranh (Competitive inhibition)
Trong trường hợp kìm hãm cạnh tranh là cơ chất và chất kìm hãm
đều tác dung lên trung tâm hoạt động của enzyme, Chất kìm hãm choán
chổ của cơ chất ở enzyme.
79
Hình 7.4. Kiểu kìm hãm cạnh tranh (competitive inhibition)
Khi cơ chất dư thùa, nồng độ chất kìm hãm thấp thì có thể loại bỏ
tác dụng của chất kìm hãm, còn nồng độ cơ chất thấp và nồng độ chất kìm
hãm cao thì lại có tác dụng kìm hãm hoàn toàn.

1/v= (αK
m
/V
max
) 1/S +1/V
max
α = 1+[I]/K
I

1/v
[I]

không có chất kìm hãm

1/V
max
1/[S]
Hình 7.5. Sự phụ thuộc của tốc độ phản ứng vào nồng độ cơ chất theo
Lineweaver - Burk khi có kìm hãm canh tranh

Người ta thấy kìm hãm như vậy phần lớn giữa chất kìm hãm và cơ
chất có sự tương đồng về mặt hóa học. ví dụ: malic acid có cấu trúc gần
giống với succinic acid nên kìm hãm cạnh tranh enzyme
succinatdehydrogenase, là enzyme xúc tác cho sự biến đổi succinic acid
thành fumaric acid.
80