Giáo trình Enzyme - Mai Xuân Lương

Nội dung text: Giáo trình Enzyme - Mai Xuân Lương

1. Enzyme - 12 - trọng liên quan đến tác dụng của các chất ức chế hoạt tính của enzyme. IV. NHỮNG TÍNH CHẤT ĐẶC TRƯNG CỦA XÚC TÁC SINH HỌC 1. Enzyme thể hiện tính đặc hiệu cao đối với cơ chất của chúng. Một số enzyme chỉ xúc tác một phản ứng chuyển hóa một cơ chất. Ví dụ fumarase chỉ xúc tác phản ứng chuyển hóa giữa fumarate và malate: OH COO- - - OOC - CH2 - C - COO ⎯→ CH = CH + H2O H -OOC L-Malate Fumarate Cả maleat - đồng phân dạng cis của fumarat - và D-malat đều không thể là cơ chất của fumarase. Các Enzyme khác có tính đặc hiệu rộng hơn. Ví dụ mỗi enzyme thủy phân protein trong bảng 2.4 có tính đặc hiệu với các liên kết peptide vốn hình thành bởi các aminoacid khác nhau, đồng thời cũng thể hiện tính đặc hiệu lập thể, chỉ thủy phân các liên kết peptide hình thành bởi các L- chứ không phải các D-aminoacid. Tuy nhiên cũng có những enzyme có tính đặc hiệu rộng hơn, ví dụ một số enzyme thủy phân protein cũng có thể thủy phân cả các liên kết ester và tyoester. 2. Xúc tác enzyme dẫn đến sự hình thành một phức hệ trung gian giữa enzyme và cơ chất. Sự hình thành các phức hệ enzyme-cơ chất như những chất trung gian trong các phản ứng enzyme đã được phát hiện bằng những biện pháp khác nhau, bao gồm phân tích động học, sử dụng các thuốc thử đặc hiệu đối với gốc R để tạo ra các biến đổi hóa học, ức chế enzyme bằng các hợp chất đặc hiệu tương tác với trung tâm hoạt động, phát hiện quang phổ hấp thụ đặc hiệu khi enzyme tác dụng với cơ chất, dùng tia X phát hiện cấu trúc tinh thể của enzyme kết hợp với các hợp chất tương tự về mặt cấu trúc với cơ chất 3. Trung tâm của enzyme tương tác đặc hiệu với cơ chất được gọi là trung tâm hoạt động. Hình dạng của một số enzyme cho phép một số nhóm R xác định trong chuỗi polypeptide được nằm cạnh nhau một cách rất đặc hiệu để tạo ra các trung tâm hoạt động. Cấu trúc không gian tại trung tâm hoạt động không chỉ xác định hợp chất nào có thể phù hợp về mặt lập thể đối với trung tâm GS.TS. Mai Xuân Lương Khoa Sinh học
2. Enzyme - 13 - mà còn quy định bản chất của các biến cố tiếp theo để làm cho cơ chất biến hóa thành sản phẩm. Sự kết hợp của cơ chất với trung tâm hoạt động có thể được thực hiện thông qua sự hình thành các liên kết không đồng hóa trị đặc hiệu và trong một vài trường hợp, cả liên kết đồng hóa trị. Khi liên kết tại trung tâm, cơ chất được đặt gần sát với các nhóm đặc hiệu của enzyme, gây ra sự mất ổn định của một số liên kết nhất định trong cơ chất, do đó làm cho chúng trở nên họat động hơn về mặt hóa học. 4. Enzyme làm giảm năng lượng hoạt hóa cần thiết cho một phản ứng. Ở nhiệt độ không đổi, một tập đoàn các phân tử có một động năng phân bố giữa các phân tử như mô tả một cách khái quát trong hình 4a. Ở nhiệt độ T1 tập đoàn các phân tử không có đủ năng lượng để thực hiện một phản ứng hóa học đặc hiệu nào đó, nhưng nếu nhiệt độ được nâng lên đến T2 thì sự phân bố năng lượng thay đổi theo. Tại T2 bây giờ có đủ năng lượng để nâng số va chạm giữa các phân tử, làm cho một phản ứng hóa học có thể xảy ra. Như vậy, khi nhiệt độ được nâng lên từ T1 đến T2 việc tăng tốc độ phản ứng chủ yếu là kết quả của việc tăng số phân tử được hoạt hóa, tức bộ phận có được năng lượng cần thiết cho sự hoạt hóa . Hình 3c cho thấy bức tranh đơn giản về mặt năng lượng của một tập đoàn các phân tử trong quá trình phản ứng A B. Khi phản ứng xảy ra, có đủ số phân tử với mức năng lượng cần thiết để trở nên hoạt động và tham gia trạng thái trung chuyển, tại đó chúng phân hóa thành sản phẩm. Năng lượng cần để đạt trạng thái trung chuyển, hay trạng thái hoạt hóa là năng lượng hoạt hóa (Ea ). Để một phản ứng có thể xảy ra, mức năng lượng của các chất phản ứng phải lớn hơn của sản phẩm. Tổng biến thiên năng lượng của phản ứng là mức hênh lệch giữa các mức năng lượng của A và của B. Enzyme, cũng như mọi chất xúc tác, làm tăng tốc độ của các phản ứng hóa học bằng cách làm giảm năng lượng hoạt hóa của phản ứng đặc hiệu như ta có thể thấy trong các hình 4b và 4c. GS.TS. Mai Xuân Lương Khoa Sinh học
3. Enzyme - 14 - Hình 4. (a) Phân bố động năng của một tập đoàn phân tử ở nhiệt độ T1 và T2 cao hơn. Mũi tên chỉ mức năng lượng tối thiểu cần thiết để các phân tử tham gia phản ứng. Tại T1 phản ứng không xảy ra, nhưng ở T2 phản ứng được thực hiện. (b) Động năng của tâp đoàn các phân tử cơ chất ở nhiệt độ T1 các mũi tên chỉ các mức năng lượng cần thiết để xảy ra phản ứng khi vắng mặt và khi có mặt enzyme. Cần chú ý rằng khi không có enzyme thì phản ứng không xảy ra, còn khi có mặt enzyme phản ứng có thể được thực hiện mà không cần thay đổi nhiệt độ. (c) Biến thiên năng lượng của phản ứng không có enzyme xúc tác và có enzyme xúc tác A B. Trong phản ứng không có enzyme xúc tác, mức năng lượng của A cần được nâng lên đủ để hoạt hóa các phân tử của A và đưa chúng lên trạng thái trung chuyển A,B* , tại đó nó có thể phản ứng với B. Năng lượng cần để mang các phân tử lên trạng thái trung chuyển được gọi là năng lượng hoạt hóa Ea . Mức chênh lệch giữa các mức năng lượng của A và của A.B* được chỉ bằng số 1. Trong phản ứng có xúc tác Ea cần để tạo ra các phức hệ hoạt động ES được chỉ bằng số 2 thấp hơn nhiều so với số 1 của quá trình không xúc tác. Sự chênh lệch giữa các mức năng lượng giữa A và B (số 3) là như nhau trong cả 2 phản ứng có xúc tác cũng như không có xúc tác. 5. Một số enzyme tham gia điều hòa tốc độ phản ứng. Đa số cơ thể không thay đổi tốc độ của các phản ứng trao đổi chất khi nhiệt độ biến đổi. Vì vậy các phản ứng xúc tác cần làm cho quá trình xảy ra đủ nhanh ở nhiệt độ của cơ thể. Hơn nữa, nếu các phản ứng sinh học xảy ra không có xúc tác thì không thể kiểm tra được tốc độ của chúng. Hàng loạt các cơ chế điều hòa được sử dụng để điều hòa quá trình trao đổi chất. Một số hoạt động ở mức độ của bản thân enzyme. Một chất có tác dụng làm tăng hoặc giảm tốc độ của một phản ứng enzyme, bằng cách tác động trực tiếp lên enzyme xúc tác được gọi là chất hiệu ứng (effector). Các chất hiệu ứng thể hiện tác dụng của chúng bằng cách làm thay đổi cấu trúc GS.TS. Mai Xuân Lương Khoa Sinh học
4. Enzyme - 15 - của enzyme sao cho chỉ gây ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng. Cơ chế điều hòa của enzyme sẽ được xem xét sau. 6. Một số enzyme là multienzyme hay phức hệ đa chức năng. Các phức hệ multienzyme có trọng lượng phân tử lớn thường chứa từ ba enzyme khác nhau trở lên kết hợp chặt chẽ với nhau bằng cách tương tác không đồng hóa trị và chỉ có thể phân ly trong các điều kiện làm phá vỡ các liên kết không đồng hóa trị. Mỗi enzyme trong phức hệ xúc tác một phản ứng riêng biệt nhưng cùng với các enzyme khác của phức hệ xúc tác một phản ứng tổng thể duy nhất. Pyruvat dehydrogenase là một ví dụ về phức hệ multi- enzyme.Các enzyme khác nằm trong các phức hệ đa chức năng (multifuntional complex), trong đó hai hay nhiều hơn các enzyme riêng biệt chứa trong những khu vực riêng của một chuỗi polypeptide duy nhất. Mỗi khu vực riêng đó xúc tác một bước của một phản ứng tổng thể duy nhất do phức hệ đa chức năng xúc tác. Synthetase acid béo là một ví dụ cho loại phức hệ này. 7. Động học của phản ứng enzyme hai cơ chất. Đa số enzyme có nhiều hơn một cơ chất và xúc tác các phản ứng có dạng A + B ↔ C + D. Các phản ứng này dẫn đến sự hình thành các phức hệ enzyme - cơ chất giống như các phản ứng một cơ chất và động học của chúng có thể được dùng để thu nhận Km đối với mỗi cơ chất được đo bằng phân tích đồ thị (theo các phương trình 11 - 13) của tốc độ ban đầu khi thay đổi nồng độ của cơ chất này và giữ nguyên nồng độ bão hòa của cơ chất kia. Phương trình động học của phản ứng hai cơ chất tương tự như phương trình tốc độ Michelis - Menten cho phép hiểu một cách sâu sắc cơ chế chung của các phản ứng lọai này và xác định gía trị của các hằng số động học như Km và Vmax. Những phương trình này rất phức tạp nên không thể đề cập đến ở đây. Tuy nhiên, sẽ rất bổ ích nếu xem xét các cơ chế cơ bản của các phản ứng hai cơ chất bao gồm hai cơ chế khác nhau là cơ chế thay thế kép (double displacement mechanism) và cơ chế liên tục (sequental mechanism). Trong cơ chế thay thế kép đối với phản ứng A + B ↔ C + D, một cơ chất (A) gắn với enzyme để tạo ra phức hệ EA. E và A sau đó phản ứng để tạo ra phức hệ mới FC và sau đó một sản phẩm (C) được giải phóng để tạo ra phức hệ trung gian enzyme - cơ chất F khác với E. Sản phẩm trung gian F sau đó phản ứng với cơ chất thứ hai (B) để tạo ra phức hệ enzyme - cơ chất FB. Phức hệ này sẽ tạo ra sản phẩm thứ hai D và khôi phục enzyme E. Cơ chế này có thể được mô tả một cách khái quát ở dạng sơ đồ sau đây: A C B D GS.TS. Mai Xuân Lương Khoa Sinh học
5. Enzyme - 16 - E + A (EA ↔ F C) → F + B ↔ (FB ↔ FD) → E A, B, C, D là chất phản ứng và sản phẩm, E là enzyme, F là dạng trung gian của enzyme. Cơ chế này còn được gọi là cơ chế ping-pong. Phản ứng chuyển amin-hóa bằng enzyme glutamic-aspartic aminotransferase là một ví dụ về cơ chế này. Cơ chế liên tục có hai loại: loại trật tự và loại tùy tiện. Ngược với cơ chế ping-pong, trong cơ chế liên tục tất cả các cơ chất có thể kết hợp để tạo ra một phức hệ ba thành phần trước khi sản phẩm hình thành. Các phản ứng loại tật tự có thể được mô tả ở dạng sơ đồ sau đây: A B C D E + A ↔ EA + B ↔ (EAB ↔ ECD) ⎯→ED ⎯→E Các phản ứng xúc tác bởi phosphofructokinase và glycealdehyde-3- phosphate dehydrogenase là những ví dụ về kiểu phản ứng trật tự của cơ chế liên tục. Trong các trường hợp khác, E mang các trung tâm kết hợp đối với cả A và B và tốc độ phản ứng không bị ảnh hưởng bởi A hoặc B được gắn trước vào trung tâm dành cho chúng. Vì vậy, cơ chế này được gọi là cơ chế tùy tiện. Nếu cũng không có một trật tự "thích hợp" cho sự giải phóng các sản phẩm C và D sau khi các phức hệ ba thành phần EAB biến thành ECD, thì cơ chế tùy tiện có thể được mô tả như sau: A B C D EA ED E E EB (EAB ↔ ECD) EC A B C D Ví dụ về cơ chế tùy tiện là các phản ứng xúc tác bởi các enzyme UDP-ga- lactose:N-Acetylgalactosamine galactosyl transferase và creatine kinase. Các cơ chế động học phức tạp hơn lôi cuốn ba và thậm chí bốn cơ chất tham gia phản ứng. Chúng có thể thuộc cơ chế liên tục hoặc cơ chế ping- pong hoặc là sự phối hợp của cả hai cơ chế. 8. Ảnh hưởng của pH pH ảnh hưởng đáng kể đến tốc độ phản ứng. Nhiều phản ứng enzyme có tốc độ nhanh nhất ở một gía trị pH được gọi là pH tối thích, trong khi các phản ứng enzyme khác có tốc độ như nhau trong một phạm vi các gía trị pH GS.TS. Mai Xuân Lương Khoa Sinh học
6. Enzyme - 17 - xác định. Bảng 5 cho thấy pH tối thích đối với một số enzyme. Một số yếu tố có ảnh hưởng đến pH tối thích bao gồm các gốc acid tại trung tâm hoạt động . Nếu một enzyme đòi hỏi một nhóm acide protein hóa cho hoạt động của mình thì enzyme đó có thể có hoạt tính cao nhất tại các gía trị pH thấp hơn pK của nhóm đó, ngược lại, nếu cần dạng phân ly của một acide thì hoạt tính cao nhất sẽ thể hiện tại các giá trị pH cao hơn pK của nhóm đó. Thông thường có hai nhóm acide phân ly trở lên tham gia tại trung tâm hoạt động và đường cong hoạt tính theo pH sẽ phản ánh sự phụ thuộc vào mỗi nhóm. trên thức tế, nghiên cứu ảnh hưởng của pH đối với tốc độ phản ứng có thể giúp xác định các nhóm acid tại trung tâm hoạt động, mặc dù cũng cần cả những thông tin khác. Bảng 5. pH tối thích của một số enzyme thủy phân. Enzyme Cơ chất pHopt Albumin trứng 1,5 Pepsin casein 1,8 Hemoglobin 2,2 Benzyloxycarboxylglutamyltyrosine 4,0 α-Glucosidase α-Metylglucoside 5,4 Maltose 7,0 Urease Urea 6,4-6,9 Trypsin Protein 7,8 α-Amylase tuyến tụy Tinh bột 6,7-7,2 β-Amylase mầm lúa mạch Tinh bột 7,8 Carboxypeptidase Các chất khác nhau 7,5 Phosphatase kiềm huyết 2-Glycerophosphate 9-10 tương Phosphatase acid huyết 2-Glycerophosphate 4,5-5,0 tương Arginase Arginine 9,5-9-9 Một số cơ chất là những acide yếu hoặc chứa những thành phần ion và pH tối thích có thể phản ánh thực trạng là enzyme cần ở dạng ion hay dạng không phải ion. Thêm vào đó tốc độ phản ứng thường giảm rất nhanh khi pH giảm thấp hay quá cao có thể cho thấy enzyme bị biến tính hay bị phân ly một cofactor quan trọng nào đó. GS.TS. Mai Xuân Lương Khoa Sinh học
7. Enzyme - 18 - 9. Ảnh hưởng của nhiệt độ. Hằng số cân bằng của mọi phản ứng hóa học cũng như tốc độ của phản ứng phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ. Các phản ứng enzyme cũng không phải là ngoại lệ. Ảnh huởng của nhiệt độ lên hằng số cân bằng của một phản ứng hóa học được mô tả bằng phương trình van't Hoff: ∆H 2,3 logK = C - ⎯⎯ RT Trong đó ∆H là nhiệt lượng của phản ứng tính bằng calo/mol, R là hằng số khí bằng 1,98 cal/mol/oC và T là nhiệt độ tuyệt đối. C là một hằng số hợp nhất (integration constant). Từ phương trình này có thể thấy đồ thị của logK đối với 1/T là một đường thẳng. Độ nghiêng của đường thẳng này là ∆H / 2,3R. Ảnh hưởng của nhiệt độ lên tốc độ của một phản ứng được mô tả bằng phương trình Arrhenius: Ea 2,3 logK = B - ⎯⎯ RT Phương trình này cũng có dạng như phương trình (19) nhưng mô tả quan hệ của hằng số tốc độ k của phản ứng với T, R, Ea (năng lượng hoạt hóa tính bằng calo/mol) và hằng số B biểu hiện định lượng tần số va chạm và yêu cầu định hướng đặc hiệu giữa các phân tử va chạm. Hình 5 . Ảnh hưởng của nhiệt độ lên hằng số tốc độ k2 của các phản ứng thủy phân benzyloxycarbonyl-glycylphenylalanin (CGP) và benzyloxycarbonyl- glycyltryptophan (CGT) bằng carboxypep-tidase tinh thể. Các số liệu ghi nhận bằng đồ thị ở dạng log k2 đối với giá trị nghịch đảo của nhiệt độ tuyệt đối (1/T). Năng lượng hoạt hóa biểu kiến Ea bằng 9.900 cal/mol đối với CGT và 9.600 đối với CGP. Hình 5 cho thấy ảnh hưởng của nhiệt độ lên hằng số tốc độ k2 của phản ứng thủy phân hai cơ chất bởi carboxypeptidase. Đây là một đồ thị Arrhenius điển hình đối với một phản ứng enzyme vốn cho thấy logk2 thay o đổi tỷ lệ thuận với 1/T trong phạm vi từ 5 đến 25 C và cho thấy Ea có thể được xác định từ độ nghiêng của đường thẳng. Đối với các phản ứng enzyme, tốc độ phản ứng tăng theo nhiệt độ cho đến khi đạt được tốc độ tối đa, nhưng nhiệt độ cao hơn mức tối đa sẽ làm giảm tốc độ phản ứng do enzyme bị biến tính. GS.TS. Mai Xuân Lương Khoa Sinh học
8. Enzyme - 19 - V. ỨC CHẾ ENZYME Tốc độ của các phản ứng enzyme bị giảm bởi tác dụng của các chất ức chế đặc hiệu, tức những chất kết hợp với enzyme và ngăn cản enzyme kết hợp một cách bình thường với cơ chất. Tính độc của nhiều chất như HCN và H2S là do tác dụng của chúng như một chất ức chế enzyme. Nhiều loại thuốc cũng có tác dụng ức chế các enzyme đặc hiệu. Do đó, hiểu biết các chất ức chế enzyme là một điều rất quan trọng để hiểu tác dụng của thuốc và các chất độc. Hơn nữa thông tin về bản thân enzyme cũng thu được bằng cách nghiên cứu các chất ức chế enzyme. Có ba kiểu ức chế thuận nghịch mang các đặc điểm động học khác nhau. Đó là một kiểu ức chế cạnh tranh (competitive inhibition) và hai kiểu ức chế không cạnh tranh (noncompetitive và uncompetitive inhibition). 1. Ức chế cạnh tranh (competitive inhibition). Các chất ức chế cạnh tranh có thể kết hợp thuận nghịch với trung tâm hoạt động của enzyme và cạnh tranh với cơ chất để giành lấy trung tâm hoạt động. Khi trung tâm hoạt động đã bị chất ức chế chiếm giữ, nó không thể kết hợp với cơ chất. Sự kết hợp của chất ức chế cạnh tranh I với enzyme E có thể được mô tả giống như sự kết hợp giữa enzyme và cơ chất, mặc dù chất ức chế không chuyển hóa thành sản phẩm: E + I ↔ EI Hằng số phâ.n ly Ki của phức hệ EI là: [E][I] Ki = ⎯⎯⎯ [EI] Vì sự hình thành EI phụ thuộc vào [I] cũng như sự hình thành ES phụ thuộc vào [S] nên tốc độ thực tế của phản ứng ức chế cạnh tranh hoàn toàn phụ thuộc vào nồng độ tương đối của S và I tại một nồng độ xác định của E. Một trong những ví dụ điển hình nhất của ức chế cạnh tranh là ảnh hưởng của acid malonic đối với enzyme succinate dehydrogenase xúc tác phản ứng sau đây khi có một chất nhận hydro A thích hợp : COO- - CH2 HCCOO - CH2 + A OOCCH + AH2 GS.TS. Mai Xuân Lương Khoa Sinh học
9. Enzyme - 20 - COO- Succinate Chất nhận Fumarate Chất nhận ở dạng khử Nhiều hợp chất với cấu trúc giống với acid succinic là những chất ức chế cạnh tranh của loại enzyme dehydrogenase này, bao gồm: COOH COOH CH2 COOH CH2 COOH CH2 CH2 C = O CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 COOH COOH COOH COOH COOH Oxalate Malonate Glutarate Phenylpropionate Oxaloacetate Mạnh nhất trong số các chất ức chế này là acid malonic. Khi tỷ lệ [I]/[S] = 1/50, enzyme đã bị ức chế 50%. Tăng nồng độ của cơ chất khi [I] không đổi, sẽ làm giảm mức độ ức chế, và ngược lại, giảm nồng độ cơ chất sẽ làm tăng mức độ ức chế. Nếu acid succinic và acid malonic gắn với các trung tâm khác nhau của enzyme thì không thể giải thích được vì sao chúng cạnh tranh với nhau. Vì chúng cạnh tranh nên có thể kết luận rằng chúng kết hợp với enzyme tại cùng một chỗ, đó là trung tâm hoạt động. Cấu trúc của mỗi chất ức chế cạnh tranh giống với cơ chất tại một số khía cạnh nào đó. Các chất ức chế cạnh tranh có thể được nhận biết bằng đặc điểm động học qua hiệu ứng của nồng độ chất ức chế đối với quan hệ giữa v và [S] như minh họa bằng đồ thị của phương trình Lineweaver-Burk. Tác dụng của ức chế cạnh tranh tuân theo phương trình sau đây với sự tham gia của Ki - hằng số phân ly của EI: 1 Km [I] 1 1 ⎯ = ⎯⎯ 1 + ⎯⎯ ⎯⎯ + ⎯⎯ v Vmax Ki [S] Vmax Đặc điểm của ức chế competitive là có cùng điểm cắt trục tung (1/Vmax ) như phản ứng không ức chế nhưng độ nghiêng thì khác với phản ứng không ức chế bởi giá trị 1 + [I]/Ki. Đồ thị trong hình 6a cho thấy rõ khi nồng độ của S cao thì phản ứng ít bị ức chế, ngược lại khi nồng độ của S giảm thì mức độ ức chế tăng lên cùng với các giá trị [I]/[S] và Ki . GS.TS. Mai Xuân Lương Khoa Sinh học