GIÁO TRÌNH

Giáo trình enzyme

Science and Technology

Cấu trúc phân tử enzyme

Bản chất hóa học của enzyme

Từ gần một thế kỷ trước đây, các nhà khoa học đã đổ xô vào việc xác định bản chất hóa học của enzyme. Cho đến nay, có thể nói rằng, ngoài nhóm nhỏ phân tử RNA có hoạt tính xúc tác, tuyệt đại đa số enzyme có bản chất là protein và sự thể hiện hoạt tính xúc tác phụ thuộc vào cấu trúc bậc 1, 2, 3 và 4 của phân tử protein và trạng thái tự nhiên của chúng. Thực tế là bản chất hóa học của enzyme chỉ được xác định đúng đắn từ sau khi kết tinh được enzyme. enzyme đầu tiên nhận được ở dạng tinh thể là urease của đậu tương (Sumner, 1926), tiếp theo là pepsin và trypsin (Northrop và Kunitz, 1930, 1931). Sau đó những tác giả khác cũng đã kết tinh được một số enzyme khác và có đủ bằng chứng xác nhận các tinh thể protein nhận được chính là các enzyme.

Kết quả nghiên cứu tính chất hóa lý của enzyme đã cho thấy enzyme có tất cả các thuộc tính hóa học của các chất protein về hình dạng phân tử: đa số enzyme có dạng hình cầu (dạng hạt). Tỷ lệ giữa trục dài và trục ngắn của phân tử vào khoảng 1 - 2 hoặc 4 - 6.

Về khối lượng phân tử: các enzyme có khối lượng phân tử lớn, thay đổi rất rộng từ 12000 dalton đến 1.000.000 dalton hoặc lớn hơn.

ribonuclease có khối lượng phân tử là 12700, glutamat dehydrogenase có khối lượng phân tử là 1.000.000. Đa số enzyme có khối lượng phân tử từ 20.000 đến 90.000 hoặc vài trăm nghìn.

Do kích thước phân tử lớn, các enzyme không đi qua được màng bán thấm. Enzyme tan trong nước, khi tan tạo thành dung dịch keo; chúng cũng tan trong dung dịch muối loãng, glycerin và các dung môi hữu cơ có cực khác. Enzyme không bền và dễ dàng bị biến tính dưới tác dụng của nhiệt độ cao. Enzyme bị biến tính thì mất khả năng xúc tác. Mức độ giảm hoạt tính của enzyme tương ứng với mức độ biến tính của protein trong chế phẩm. Kiềm, acid mạnh, kim loại nặng cũng làm cho enzyme biến tính. Cũng như protein, enzyme cũng có tính chất lưỡng tính.

Thành phần cấu tạo của enzyme

Cũng như protein, enzyme có thể là protein đơn giản hoặc protein phức tạp. Trên cơ sở đó, người ta thường phân enzyme thành hai nhóm: enzyme một thành phần (enzyme một cấu tử) và enzyme hai thành phần (enzyme hai cấu tử). Trường hợp enzyme là một protein đơn giản gọi là enzyme một thành phần. Trường hợp enzyme là một protein phức tạp nghĩa là ngoài protein đơn giản còn có một nhóm ngoại nào đó không phải protein gọi là enzyme hai thành phần.

Phần protein của enzyme hai thành phần được gọi là apoprotein hay apoenzyme, còn phần không phải protein gọi là nhóm ngoại hoặc coenzyme. Phần không phải protein thường là những chất hữu cơ đặc hiệu có thể gắn chặt vào phần protein hoặc có thể chỉ liên kết lỏng lẻo và có thể tách khỏi phần protein khi cho thẩm tích qua màng. Coenzyme là phần không phải protein của enzyme trong trường hợp khi nó dễ tách khỏi phần apoenzyme khi cho thẩm tích qua màng bán thấm và có thể tồn tại độc lập. Phần không phải protein của enzyme được gọi là nhóm ngoại hay nhóm prosthetic, khi nó liên kết chặt chẽ với phần protein của enzyme bằng liên kết đồng hóa trị. Một phức hợp hoàn chỉnh gồm cả apoenzyme và coenzyme được gọi là holoenzyme. Một coenzyme khi kết hợp với các apoenzyme tạo thành các holoenzyme khác nhau xúc tác cho quá trình chuyển hóa các chất khác nhau nhưng giống nhau về kiểu phản ứng. Coenzyme trực tiếp tham gia phản ứng xúc tác, giữ vai trò quyết định kiểu phản ứng mà enzyme xúc tác và làm tăng độ bền của apoenzyme đối với các yếu tố gây biến tính. Còn apoenzyme có tác dụng nâng cao hoạt tính xúc tác của coenzyme và quyết định tính đặc hiệu của enzyme. Các coenzyme thường là các dẫn xuất của các vitamin hòa tan trong nước. Cần chú ý là sự phân biệt coenzyme và nhóm ngoại chỉ là tương đối, vì khó có thể có một tiêu chuẩn thật rành mạch để phân biệt “liên kết chặt chẽ” và “liên kết không chặt chẽ”, nhất là trong những năm gần đây, người ta đã chứng minh rằng, nhiều coenzyme cũng kết hợp vào apoenzyme của chúng bằng liên kết đồng hóa trị. Do đó, ngày nay người ta ít chú ý đến sự phân biệt coenzyme và nhóm ngoại. Ngoài ra, trong thành phần cấu tạo, rất nhiều enzyme có chứa kim loại. Thuộc loại enzyme hai thành phần gồm có hầu hết các enzyme của các lớp 1, 2, 4, 5, 6. Các enzyme thủy phân (lớp 3) thường là enzyme một thành phần có chứa ion kim loại hoặc đòi hỏi ion kim loại làm cofactor (đồng yếu tố).

Cấu trúc bậc 4 của enzyme

Trong nhiều trường hợp, các chuỗi polypeptide có cấu trúc bậc ba có thể kết hợp với nhau tạo thành phân tử enzyme có cấu trúc bậc bốn. Như vậy cấu trúc bậc bốn là cách sắp xếp đặc trưng trong không gian của các chuỗi polypeptide riêng biệt trong phân tử enzyme. Đến nay người ta đã xác định rằng số lớn các enzyme trong tế bào đều có cấu trúc bậc bốn. Các enzyme có cấu trúc bậc bốn là enzyme olygomer và polymer do nhiều đơn vị nhỏ cấu tạo nên, mỗi đơn vị nhỏ là do một chuỗi polypeptide. Các đơn vị nhỏ trong một phân tử enzyme có thể giống nhau, nhưng cũng có thể khác nhau về cấu tạo và chức năng, hoặc cũng có thể một số giống nhau, một số khác nhau. Những enzyme do nhiều đơn vị nhỏ cấu tạo nên còn được gọi là các enzyme polymer và các đơn vị nhỏ được gọi là protomer (các đơn vị nhỏ còn được gọi là các mảnh hoặc tiểu phần dưới đơn vị)

So với các enzyme monomer, các enzyme có cấu trúc bậc bốn có những điểm sai khác sau đây:

- Có trọng lượng phân tử tương đối lớn, vào khoảng hơn 100.000

- Phân tử thường chứa một vài trung tâm hoạt động, có khi có đến 3,4 trung tâm hoạt động.

- Khả năng tương tác của một trung tâm hoạt động với cơ chất sẽ phụ thuộc vào trạng thái chức năng của các trung tâm hoạt động khác. Trong một số trường hợp, mỗi tiểu phần có một trung tâm hoạt động nhưng sự tương tác giữa các tiểu phần sẽ ảnh hưởng đến cấu hình không gian của trung tâm hoạt động trên mỗi tiểu phần, do đó ảnh hưởng đến hoạt động xúc tác của enzyme. Trong một số trường hợp khác, các nhóm định chức của trung tâm hoạt động lại nằm trên các tiểu phần khác nhau, do đó hoạt động của enzyme chỉ thể hiện khi có sự kết hợp đúng đắn giữa các tiểu phần. Như vậy, enzyme có cấu trúc bậc bốn có tính tổ chức của một hệ thống hợp tác cao.

- Là điều kiện cần thiết để xuất hiện tính chất allosteric của enzyme. Cần nói thêm răng, enzyme allosteric (enzyme dị lập thể, dị không gian) là enzyme mà chất trao đổi có thể làm ảnh hưởng (ức chế hoặc hoạt hóa) lên tác dụng của chúng. Hình như hiện tượng dị lập thể (allosteric) bắt đầu xảy ra trước hết ở các enzyme được xây dựng nên từ một số tiểu đơn vị vì hiệu ứng dị lập thể có ảnh hưởng đến độ bền của liên kết giữa các tiểu đơn vị này (xem thêm ở phần enzyme dị lập thể).

- Gồm các tiểu phần dưới đơn vị: Đa số các enzyme có cấu trúc bậc bốn chứa từ 2 - 4 protomer, một số enzyme khác chứa từ 6 - 8 protomer. Ví dụ enzyme catalase có trọng lượng phân tử 252.000, chứa 6 mảnh dưới đơn vị, mỗi mảnh có phân tử lượng là 42.000.

Một số enzyme chứa đến 12 protomer ví dụ như arginine carboxylase, oxaloacetate carboxylase.

- Sự sắp xếp của các mảnh dưới đơn vị trong phân tử enzyme thường có tính chất đối xứng cao.

Có 4 kiểu chính, được biểu thị ở hình dưới đây.

Sự sắp xếp của các tiểu phần trong enzyme có cấu trúc bậc bốn

- Các tiểu phần tương tác với nhau bằng các kiểu liên kết khác nhau. Trong đa số trường hợp nhờ tương tác kỵ nước, liên kết hydrogen, mội số trường hợp khác nhờ liên kết disulfide (ví dụ glucoseoxydase của Asp.niger) hoặc cầu polypeptide (ví dụ như ở enzyme leucin-s-RNA- synthetase). Cầu polypeptide này có vai trò quan trọng với tính đặc hiệu của enzyme, khi mất nó sẽ thay đổi tính chất phản ứng.

Cần lưu ý là độ bền của tương tác giữa các tiểu phần phụ thuộc vào kiểu liên kết giữa chúng. Vì vậy, dưới tác dụng của các hóa chất khác nhau, các enzyme có thể bị phân ly thuận nghịch thành các mảnh dưới đơn vị. Ví dụ liên kết hydrogen bị phá vỡ dưới tác dụng của urê, clorua guanidin chloride nồng độ cao; tương tác kỵ nước bị phá vỡ dưới tác dụng của một số dung môi hữu cơ như dioxan, ethylen clorhydrin v.v... và muối trung hoà ở nồng độ rất cao.

Độ bền cấu trúc bậc bốn của phân tử enzyme phụ thuộc vào tỷ lệ giữa tổng số thể tích các gốc acid kỵ nước (VK) với tổng số thể tích các gốc amino acid ưa nước (V­ư­) trong phân tử enzyme. Nếu VK/Vư > 1, cấu  tạo bậc bốn của phân tử khá bền vững; ngược lại nếu VK/Vư < 1, không tạo thành cấu trúc bậc bốn hoặc nếu có thì cũng không bền vững.

Cytochrome C, ribonuclease dễ dàng tạo thành cấu trúc olygomer, những cấu trúc này dễ dàng bị phân ly ngay cả khi lọc qua gel sephadex.

Tuy nhiên tỷ lệ VK/Vư của các enzyme có cấu trúc bậc bốn không phải luôn luôn lớn hơn tỷ số VK/Vư của các enzyme monomer, trái lại trong một số trường hợp có thể bằng hoặc bé hơn.

enzyme polymer phosphorylase b có tỷ lệ VK/Vư giống với α size 12{α} {} - chymotrypsine (1,04) và nhỏ hơn tỷ lệ VK/Vư của lysozyme. (1,08)

Sự hình thành cấu trúc bậc bốn là bước đầu tiên trên con đường hình thành các hệ thống tổ chức cấu trúc dưới tế bào.

Trung tâm hoạt động của enzyme

Toàn bộ cấu trúc không gian của phân tử enzyme có vai trò quan trọng đối với hoạt tính xúc tác của enzyme. Tuy nhiên, hoạt động của enzyme liên hệ trực tiếp với một phần xác định trong phân tử enzyme. Trung tâm hoạt động của enzyme là phần của phân tử enzyme trực tiếp kết hợp với cơ chất, tham gia trực tiếp trong việc tạo thành và chuyển hóa phức chất trung gian giữa enzyme và cơ chất để tạo thành sản phẩm phản ứng. Trung tâm hoạt động bao gồm nhiều nhóm chức năng khác nhau của amino acid, phân tử nước liên kết và nhiều khi có cả cofactor hữu cơ (coenzyme) và vô cơ.

Ở các enzyme một thành phần, trung tâm hoạt động thường bao gồm một tổ hợp các nhóm chức năng của amino acid không tham gia tạo thành trục chính của sợi polypeptide.

Nhóm - SH của cysteine - OH của serine, threonine và tyrosine, ε size 12{ε} {}- NH2 của lysine, -COOH của glutamic acid, aspartic, vòng imidazol của histidine, indol của tryptophan, nhóm guanidin của arginine.

Các nhóm này có thể ở xa nhau trong mạch polypeptide nhưng lại gần nhau trong không gian, được định hướng xác định trong không gian cách nhau những khoảng cách nhất định sao cho chúng có thể tương tác với nhau trong quá trình xúc tác.

Trung tâm hoạt động của α size 12{α} {} - chymotrypsin bao gồm nhóm hydroxyl của Ser - 195, imidazol của His - 57 và nhóm carboxyl của Asp - 102. Các gốc này ở khá xa nhau trong chuỗi polypetide nhưng giữa các nhóm chức năng của chúng chỉ cách nhau từ 2,8 - 3,0 Å.

Trung tâm hoạt động của các enzyme hai thành phần thường bao gồm nhóm ngoại (vitamin, ion kim loại ...) và các nhóm chức năng của các amino acid ở phần apoenzyme.

Sự tương ứng về cấu hình không gian giữa trung tâm hoạt động và cơ chất được hình thành trong quá trình enzyme tiếp xúc với cơ chất.

Theo quan niệm của Fisher thì trung tâm hoạt động của enzyme đã được hình thành sẵn với một cấu tạo nhất định chỉ cho phép cơ chất có cấu tạo tương ứng kết hợp vào. Do đó có thể ví sự tương ứng đó như “ổ khóa với chìa khóa”(Hình 2.a).

Mô hình Fisher (a) và mô hình Koshland (b)

Thuyết này tuy cũng giải thích được một số hiện tượng nhưng không giải thích thỏa đáng được nhiều kết quả thu được trong thực nghiệm. Vì vậy, Koshland đã đưa ra một giả thuyết khác hấp dẫn và tế nhị hơn. Theo thuyết này thì đặc điểm của vùng trung tâm hoạt động là rất mềm dẻo và linh hoạt, các nhóm chức năng của trung tâm hoạt động của enzyme tự do chưa ở tư thế sẵn sàng hoạt động, khi tiếp xúc với cơ chất, các nhóm chức năng ở trong phần trung tâm hoạt động của phân tử enzyme thay đổi vị trí trong không gian, tạo thành hình thể khớp với hình thể của cơ chất (Hình 4.2.b). Cũng vì vậy, người ta gọi mô hình này là mô hình “tiếp xúc cảm ứng” hoặc “khớp cảm ứng”.

Giữa cơ chất và trung tâm hoạt động tạo thành nhiều tương tác yếu, do đó có thể dễ dàng bị cắt đứt trong quá trình phản ứng để giải phóng enzyme và sản phẩm phản ứng.

   Trung tâm hoạt động của các enzyme có cấu trúc bậc 4 có thể nằm trên một phần dưới đơn vị hoặc bao gồm các nhóm chức năng thuộc các phần dưới đơn vị khác nhau.

Phương pháp thăm dò và phát hiện các nhóm chức năng trong trung tâm hoạt động của enzyme

Đây là việc khó khăn và phức tạp, phải sử dụng hàng loạt phương pháp khác nhau. Khi xác định được vai trò quan trọng của một nhóm nào đó đối với hoạt tính enzyme, chưa có nghĩa là nhóm đó thuộc trung tâm hoạt động của enzyme, bởi vì có nhiều nhóm chức năng chỉ làm nhiệm vụ duy trì cấu trúc không gian hoạt động cho phân tử enzyme.

Muốn thăm dò, phát hiện và xác định các nhóm chức năng của phân tử enzyme, người ta thường dùng các phương pháp vật lý, hóa học, xác định hằng số ion hóa của các nhóm chức năng và tốt nhất là kết hợp với việc nghiên cứu cấu trúc phân tử của enzyme và của trung tâm hoạt động.

Các phương pháp vật lý có khả nưng phá huỷ một cách đặc hiệu các nhóm chức năng của enzyme thường không nhiều, vì khó có thể chọn được các tác nhân chỉ phá huỷ một số nhóm hóa học nhất định mà lại không làm ảnh hưởng đến toàn bộ cấu trúc của phân tử enzyme. Chính vì vậy, thông thường người ta khóa, phá huỷ, hoặc đánh dấu các nhóm chức năng đó bằng các thuốc thử hóa học như chất ức chế đặc hiệu, cơ chất hoặc coenzyme .

Phương pháp dùng chất ức chế

Tùy trường hợp có thể dùng các chất ức chế đặc hiệu khác nhau, ví dụ:

- Đối với một số enzyme oxy hóa khử có nhóm hoạt động là ion sắt người ta dùng xyanua (cyanide CN) để phát hiện vai trò của ion sắt đối với hoạt tính của enzyme vì CN kết hợp với ion sắt làm cho enzyme mất khả năng vận chuyển điện tử. Ví dụ CN ức chế enzyme cytochromoxydase.

- Một số enzyme cần có ion kim loại tham gia vào quá trình xúc tác hoặc để giữ ổn định cấu trúc phân tử enzyme. Để thăm dò phát hiện đặc tính cần kim loại của chúng, người ta dùng chất kết hợp kim loại như EDTA (Ethylen diamino tetraacetate) hoặc orthophenantrolin... Nếu là enzyme cần kim loại thì sẽ mất hoạt tính.

- Để thăm dò vai trò nhóm - S - CH3 của methionine đối với hoạt tính của enzyme thì oxy hóa nhóm này thành sunfoxit tương ứng:  và enzyme sẽ mất khả năng xúc tác.

- Vai trò của nhóm - SH của Cysteine đối với hoạt động của enzyme được xác định bằng cách cho phản ứng với muối kim loại nặng hoặc dẫn chất của chúng ví dụ PCMB (parachloromercuri - benzoate) hoặc cho phản ứng với iodoacetate.

Dưới tác dụng của các chất đã nêu, nhóm SH của enzyme sẽ bị khóa và enzyme mất hoạt động.

- Để phát hiện nhóm imidazol của Histidine đối với hoạt tính của enzyme người ta phá huỷ nhóm này bằng phương pháp oxy hóa quang học với sự có mặt của xanh metylen hoặc cho phản ứng với iodoacetate. Khi nhóm chức này bị phá huỷ hoặc bị khóa thì enzyme đều mất hoạt tính.

- Để tìm hiểu vai trò của nhóm ε - NH2 của lysine có thể cho phản ứng với fluordinitro benzen (FDNB) để tạo thành dinitrophenyl (DNP) màu vàng. FDNB phản ứng với các nhánh bên của amino acid khác như imidazol, phenol, thiol thì tạo ra dẫn chất DNP không màu.

Cũng có thể ức chế nhóm ε - NH2 bằng cách cho phản ứng với những yếu tố oxy hóa.

- Vai trò của nhóm - OH của serine đối với hoạt tính của enzyme được thăm dò bằng cách cho tác dụng với chất ức chế đặc hiệu là diisopropylfluor-phosphate (DFP). DFP sẽ khóa nhóm - OH của serine và enzyme mất hoạt tính.

Trong một số trường hợp các nhóm chức năng tham gia vào cơ chế xúc tác có thể được phát hiện dễ dàng hơn so với các nhóm hóa học khác cùng loại, đó là nhờ khả năng phản ứng đã tăng lên do vị trí đặc biệt của chúng trong phân tử enzyme.

Phương pháp đánh dấu bằng cơ chất đặc hiệu hoặc coenzyme

- Nhiều người cho rằng dùng cơ chất đặc hiệu để đánh dấu các nhóm chức năng là hợp lý nhất song cũng gặp nhiều khó khăn và phức hợp được tạo thành thường không vững bền (phức hợp enzyme - cơ chất dễ dàng bị phân ly ngược chiều, phức hợp enzyme - sản phẩm của phản ứng cũng phân ly với tốc độ cao). Tuy vậy, bằng phương pháp thực nghiệm khôn khéo người ta đã tách được các sản phẩm trung gian của phản ứng kết hợp với enzyme bằng liên kết đồng hóa trị vững bền. Ví dụ như người ta đã tách được phosphoserine đánh dấu trong trường hợp của phosphoglucosemutase ở quá trình phản ứng vận chuyển phosphore, hoặc phức hợp enzyme với sản phẩm trung gian của triosephosphate dehydrogenase.

- Phương pháp đánh dấu bằng coenzyme cũng được sử dụng và có giá trị trong một số trường hợp. Như người ta đã nghiên cứu trung tâm hoạt động của cytochrome C bằng cách dùng coenzyme heme làm chất đánh dấu cũng như dùng pyridoxal phosphate làm chất đánh dấu để nghiên cứu một số enzyme cần coenzyme này làm yếu tố phối hợp.

Cần lưu ý là chỉ có thể dùng coenzyme, cơ chất hay chất giống cơ chất để đánh dấu những nhóm chức năng trong trung tâm hoạt động của enzyme khi nào liên kết hóa học giữa chất đánh dấu với những nhóm này đủ vững bền hoặc được biến thành những liên kết vững bền bằng phương pháp thích hợp. Mặt khác, khi cơ chất hoặc coenzyme kết hợp với enzyme đã làm cho enzyme không bị ức chế bởi các thuốc thử đặc hiệu có thể do enzyme hoặc cơ chất đã kết hợp với các nhóm chức năng, hoặc cũng có thể làm ngăn cách một cách đặc hiệu giữa các nhóm chức năng của enzyme và thuốc thử. Như vậy, ở các trường hợp đã nêu, các nhóm chức năng đều được kết luận bằng cách suy luận gián tiếp chứ không phải bằng các kết quả thực nghiệm trực tiếp.

Xác định trị số pK của các nhóm hoạt động

Enzyme là một phân tử protein đặc hiệu có nhiều nhóm hóa học có thể bị ion hóa, nên enzyme có thể tồn tại dưới nhiều trạng thái ion hóa khác nhau; nhưng thường chỉ có một dạng ion của phân tử enzyme có khả năng thể hiện hoạt tính xúc tác, trong đó chính trạng thái ion hóa của các nhóm hoạt động của enzyme có liên quan trực tiếp đến quá trình xúc tác.

Trạng thái ion hóa của các nhóm khác không có liên quan trực tiếp đến cơ chế xúc tác của enzyme thường không ảnh hưởng đến hoạt tính của enzyme.

Trạng thái ion hóa của enzyme, của cơ chất và của phức hợp enzyme-cơ chất chịu ảnh hưởng trực tiếp của pH của môi trường phản ứng. Do đó nghiên cứu ảnh hưởng của pH đối với hoạt tính enzyme có thể tìm được trị số pK của nhóm hoạt động của enzyme (K = hằng số ion hóa, pK = - logK), Với trị số của pK có thể suy đoán các nhóm hoạt động của enzyme.

Cũng cần chú ý rằng, phương pháp xác định trị số pK chỉ là những chỉ dẫn sơ bộ và cần phải phối hợp với nhiều phương pháp khác.

Nghiên cứu cấu trúc phân tử

Các phương pháp hóa học đặc hiệu hoặc xác định trị số pK chỉ là những thông tin cần thiết để suy đoán và chưa đủ để chứng minh về vai trò của các nhóm hoạt động. Vì vậy cần phải nghiên cứu cấu tạo hóa học và cấu trúc không gian của phân tử enzyme và đặc biệt là của trung tâm hoạt động. Bằng cách cắt bỏ dần các gốc amino acid của phân tử enzyme người ta đã chứng minh hoạt độ enzyme chỉ phụ thuộc vào một số bộ phận nhất định của phân tử enzyme.Ví dụ papain là enzyme thủy phân protein, khi bị cắt bỏ 2/3 số gốc amino acid vẫn còn hoạt động, trung tâm hoạt động nằm ở đầu nhóm - COOH.

Các dạng phân tử của enzyme

Trong cấu trúc phân tử của enzyme, tính chất tinh vi và phức tạp không chỉ giới hạn ở phạm vi từng phân tử, từ thành phần cấu tạo và các bậc cấu trúc cho đến cấu tạo của trung tâm hoạt động cùng với vai trò của các nhóm chức năng mà còn thể hiện ở tính đa dạng của các phân tử enzyme. Tính đa dạng của nhiều enzyme khác nhau đã được phát hiện ở các cơ thể sống khác nhau từ người, động vật, thực vật đến vi sinh vật. Người ta thấy rằng có những enzyme xúc tác cùng một phản ứng hóa học và có cùng tính đặc hiệu cơ chất nhưng có nguồn gốc khác nhau nên thể hiện nhiều tính chất khác nhau. Aldolase có nguồn gốc từ nấm men có nhiều tính chất khác với aldolase của mô động vật; pepsin, trypsin, chymotrypsin, xanthin - oxydase và lysozyme cũng có những dạng phân tử khác nhau. Nhiều enzyme tương tự nhau thu được từ cùng một loại mô nhưng của những loài khác nhau cũng có những tính chất khác biệt nhau: α - amylase của dịch nước bọt và dịch tụy của người thì giống nhau, nhưng chúng khác với α - amylase thu được từ tụy lợn về độ hòa tan, về pH thích hợp và một số tính chất khác. Những enzyme có nguồn gốc từ những mô khác nhau của cùng một loài, tuy xúc tác cùng một loại phản ứng hóa học, nhưng khác nhau rất rõ rệt về tính đặc hiệu cơ chất như trường hợp của những cholinesterase. Các enzyme xúc tác những phản ứng chuyển hóa giống nhau trong các tế bào của nhiều mô khác nhau có tính chất đặc hiệu cơ quan, ví dụ lactat dehydrogenase của cơ tim và cơ xương khác nhau rõ rệt về tốc độ di chuyển điện di và nhiều tính chất khác. Ngay trong một mô hay một cơ quan, cũng tồn tại những dạng phân tử khác nhau: trong cơ tim ít nhất cũng có hai dạng phân tử của lactat dehydrogenase có tốc độ di chuyển điện di khác nhau, từ nấm men có thể tách ra được bốn dạng phân tử của phosphoglyceraldehyde dehydrogenase. Trong một tế bào, một enzyme nào đó cũng có thể có những dạng phân tử khác nhau tồn tại trong các bộ phần khác nhau của tế bào, ví dụ aspartat aminotransferase có dạng phân tử trong ty lạp thể khác với dạng phân tử của enzyme này ở bào tương.

Như vậy, tính đa dạng của các phân tử enzyme có thể thể hiện ở nhiều mức độ, từ các loài khác nhau đến các mô hay cơ quan khác nhau của cùng một cơ thể và ngay cả các bộ phận khác nhau của cùng một tế bào. Các dạng phân tử khác nhau của cùng một enzyme, tuy cùng có chức năng xúc tác một phản ứng hóa học giống nhau nhưng vì cấu trúc phân tử của chúng đều ít nhiều có khác nhau, do đó chúng có những tính chất khác nhau về hóa học, vật lý, miễn dịch ... thậm chí ngay cả động học và tính đặc hiệu của phản ứng enzyme.

Theo kiến nghị chính thức của ủy ban thường trực về enzyme của Hội Hóa sinh Quốc tế, danh từ isoenzyme được dùng để chỉ những dạng phân tử khác nhau của một enzyme tồn tại trong một loài; ngoài danh từ này, danh từ isozyme cũng được quen dùng.

Theo một số tác giả, khi phân loại các dạng phân tử khác nhau của enzyme, phải phân biệt giữa isoenzyme và heteroenzyme. Danh từ isoenzyme chỉ dành cho những dạng phân tử của một enzyme có nguồn gốc từ cùng một cơ quan và mô cũng như phải có cùng hoạt động xúc tác như nhau; danh từ heteroenzyme dành cho những dạng phân tử cùng có hoạt động xúc tác giống nhau nhưng có thể có nguồn gốc từ các cơ quan hoặc loài khác nhau.

Trong các enzyme đa dạng đã trình bày, các isoenzyme lactat dehydrogenase được nghiên cứu đặc điệt kỹ do chúng có ý nghĩa về mặt chẩn đoán bệnh. Chúng có 5 dạng phân tử tetrame có cùng trọng lượng phân tử như nhau có thể phân chia được riêng rẽ bằng điện di thành các cấu tử rất khác nhau.

Phức hợp multienzyme

Trong cơ thể sống, ngoài các enzyme polyme - những enzyme có cấu trúc bậc bốn, do nhiều đơn vị nhỏ cấu tạo nên; còn tồn tại hệ thống nhiều enzyme hay còn gọi là hệ thống multienzyme. Đó là những hệ thống gồm các enzyme có liên quan với nhau, xúc tác cho dây chuyền phản ứng của một quá trình trao đổi xác định, trong đó sản phẩm của phản ứng do enzyme trước xúc tác là cơ chất của enzyme xúc tác cho phản ứng tiếp theo.

Có thể minh họa hệ thống gồm 3 enzyme E1, E2, E3 xúc tác cho dây chuyền phản ứng như sau:

Trong sơ đồ này, A là cơ chất của E1, B là sản phẩm của phản ứng do E­1 xúc tác nhưng lại là cơ chất của E2 v.v...

Các hệ thống nhiều enzyme trong tế bào có mức độ tổ chức phức tạp khác nhau. Các enzyme trong hệ thống nhiều enzyme có thể tồn tại riêng rẽ ở dạng hòa tan, không liên kết với nhau hoặc có thể kết tụ với nhau, liên kết với nhau khá bền tạo thành phức hợp nhiều enzyme khi tách riêng khỏi phức hợp enzyme, sẽ mất hoạt tính xúc tác. Ngoài ra, một số hệ thống enzyme có thể liên kết với thành phần cấu tạo của tế bào như màng ribosome. Các enzyme của chuỗi hô hấp xúc tác cho quá trình chuyển điện tử từ cơ chất đến oxy, được gắn chặt vào màng trong của ty thể và thực chất là một phần cấu trúc của ty thể. Người ta đã gặp các phức hợp multienzyme trong nhiều quá trình chuyển hóa: quá trình khử carboxyl oxy hóa của pyruvic acid tạo thành acetyl coenzyme A, quá trình tổng hợp acid béo ngoài ty lạp thể ở nấm men, loài có vú, loài chim..., quá trình tổng hợp những peptide có hoạt tính kháng sinh như gramicidine và tyrocidin, quá trình tổng hợp tryptophan v.v...