Cấu trúc và phân loại các enzyme

      Enzyme là các chất xúc tác có bản chất protein, có tính đặc hiệu cao đối với phản ứng xúc tác và với các phân tử chịu xúc tác. Chất xúc tác là một chất làm tăng tốc độ của một phản ứng hoá học mà bản thân không bị thay đổi. Do đó enzyme thúc đẩy các phản ứng của tế bào. Các phân tử phản ứng được gọi là cơ chất và các chất tạo thành được gọi là sản phẩm. Nhiều enzyme là các protein thuần khiết, nhưng cũng không ít enzyme gồm hai thành phần: thành phần protein (gọi là apoenzyme) và phần không - protein (gọi là cofactor); cả hai cần cho hoạt tính xúc tác và enzyme gồm cả hai thành phần trên được gọi là holoenzyme. Cofactor được gọi là nhóm thêm (prosthetic group) nếu gắn chặt vào apoenzyme. Nhưng thường thì cofactor gắn lỏng lẻo với apoenzyme, thậm chí có thể phân li khỏi protein enzyme sau khi các sản phẩm đã được tạo thành và mang một trong các sản phẩm này đến một enzyme khác. Cofactor gắn lỏng lẻo nói trên được gọi là coenzyme. Chẳng hạn, NAD⁺ là một coenzyme mang các electron bên trong tế bào. Nhiều vitamin mà con người cần đóng vai trò là các coenzyme hoặc là tiền chất (precursor) của các coenzyme. Niacin được lắp vào NAD⁺ và riboflavin được lắp vào FAD. Các ion kim loại cũng có thể liên kết với các apoenzyme và tác dụng như các cofactor.

      Mặc dù tế bào chứa một số lượng lớn và rất đa dạng các enzyme nhưng chúng có thể được xếp vào một trong 6 nhóm (Bảng 16.2). Tên của các enzyme thường được đặt theo tên cơ chất mà chúng tác dụng lên và loại phản ứng được xúc tác. Ví dụ, Lactate dehydrogenase (LDH) loại bỏ hydrogen khỏi Lactate:

Lactate + NAD⁺           Pyruvate + NADH + H⁺

      Lactate dehydrogenase cũng có thể được đặt tên đầy đủ và chi tiết hơn là L-Lactate: NAD oxydoreductase. Tên này mô tả các cơ chất và loại phản ứng chính xác hơn.

       Bảng 16.2. Phân loại enzyme

      (Theo Prescott, Harley và Klein, 2005)  

Cơ chế của các phản ứng enzyme

      Cần nhớ rằng các enzyme tăng cường tốc độ phản ứng nhưng không làm thay đổi hằng số cân bằng. Nếu một phản ứng là thu nhiệt enzyme sẽ không chuyển dịch cân bằng và nhiều sản phẩm hơn sẽ được tạo thành. Các enzyme chỉ nâng cao tốc độ mà ở đó phản ứng diễn ra theo hướng cân bằng cuối cùng.

      Để hiểu được enzyme xúc tác các phản ứng như thế nào ta hãy xem xét diễn biến của một phản ứng hoá học thải nhiệt bình thường sau đây:

A + B    C + D

      Khi các phân tử A và B tiếp cận nhau để phản ứng chúng sẽ tạo thành một phức hợp ở trạng thái quá độ chi cả cơ chất và sản phẩm (Hình 16.13)

Hình 16.13: Coenzyme như các chất mang

       Chức năng của 1 coenzyme trong vai trò mang các chất đi khắp tế bào. Coenzyme C cùng với enzyme E1 tham gia ch  uyển hóa A thành sản phẩm B. Trong quá trình phản ứng coenzyme C nhận X từ cơ chất A và có thể chuyển X sang cơ chất P trong phản ứng 2. Kết quả là coenzyme lại trở về dạng ban đẩu để sẵn sàng tiếp nhận 1X khác. Coenzyme không chỉ tham gia vào 2 phản ứng mà còn vận chuyển X đi khắp tế bào. (Theo Prescott, Harley và Klein, 2005)

      Năng lượng hoạt hoá là cần nhằm mang các phân tử phản ứng tiếp xúc với nhau theo một cách chính xác để đạt được trạng thái quá độ (hay chuyển tiếp). Phức hợp ở trạng thái quá độ có thể phân ly để tạo thành các sản phẩm C và D. Sự khác nhau trong mức độ năng lượng tự do giữa các chất phản ứng và các sản phẩm là ∆Go’. Vì vậy, trong ví dụ nêu trên cân bằng sẽ nằm về phía các sản phẩm vì ∆Go’ là âm (nghĩa là các sản phẩm ở mức năng lượng thấp hơn cơ chất). Trong hình 16.13 rõ ràng A và B không thể

chuyển hoá thành C và D nếu chúng không được cung cấp một lượng năng lượng tương đương với năng lượng hoạt hoá. Enzyme thúc đẩy các phản ứng bằng cách hạ thấp năng lượng hoạt hoá. Do đó nhiều phân tử cơ chất hơn sẽ có năng lượng đầy đủ để tiếp cận nhau và tạo thành sản phẩm. Mặc dù hằng số cân bằng (hoặc ∆Go’) không thay đổi nhưng cân bằng sẽ đạt được nhanh hơn khi có mặt enzyme do năng lượng hoạt hoá giảm.

Hình 16.14: Enzyme hạ thấp năng luợng hoạt hóa

Trong tiến trình của 1 phản ứng hóa học nêu trên A và B được chuyển thành C và D. Phức hợp chuyển tiếp được biểu thị bởi AB * và năng luợng hoạt hóa cần để đạt được trạng thái này bởi E a . Đường đỏ biểu thị tiến trình của phản ứng trong sự có mặt của 1 enzyme. Cần chú ý, năng luợng hoạt hóa trong phản ứng có enzyme xúc tác thấp hơn rất nhiều.  (Theo Prescott, Harley và Klein, 2005)

      Sở dĩ enzyme có khả năng hạ thấp năng lượng hoạt hoá của các phản ứng vì chúng mang các cơ chất lại gần nhau tại một điểm đặc biệt gọi là vị trí hoạt động hoặc vị trí xúc tác để tạo thành phức hợp enzyme - cơ chất (Hình 16.15 và 16.16). Sự tương tác giữa cơ chất và enzyme có thể diễn ra theo hai con đường:

1. Enzyme có hình dạng cố định, khớp với hình dạng của cơ chất giúp cho cơ chất liên kết chính xác và thuận lợi cho phản ứng diễn ra.
2. Enzyme thay đổi hình dạng khi gắn với cơ chất tạo điều kiện cho vị trí xúc tác bao quanh và khớp chính xác với cơ chất.

      Cơ chế diễn ra theo con đường thứ nhất được gọi là mô hình “ổ khoá và chìa khoá” (lock - and - key model). Theo con đường thứ hai cơ chế được gọi là mô hình “khớp cảm ứng” (induced fit). Mô hình này được ứng dụng cho hexokinase và nhiều enzyme khác (Hình 16.16).

      Hình 16.15. Chức năng của enzyme. Sự tạo thành phức hợp enzyme-cơ chất và chuyển hóa phức hợp thành 1 sản phẩm. (Theo Prescott, Harley và Klein, 2005)

      Việc tạo thành phức hợp enzyme - cơ chất có thể hạ thấp năng lượng hoạt hoá theo một số cách. Chẳng hạn, bằng cách mang các cơ chất lại gần nhau tại vị trí xúc tác, trên thực tế, enzyme đã làm tăng nồng độ của chúng và thúc đẩy phản ứng. Tuy nhiên, một enzyme không chỉ đơn giản làm đậm đặc nồng độ các cơ chất của chúng mà còn liên kết các cơ chất sao cho các cơ chất này hướng chính xác với nhau để tạo thành phức hợp ở trạng thái quá độ. Một sự định hướng như vậy sẽ hạ thấp lượng năng lượng mà các cơ chất cần để đạt được trạng thái quá độ. Các hoạt tính này và các hoạt tính khác của vị trí xúc tác đã tăng cường phản ứng hàng trăm nghìn lần bất kể vi sinh vật sinh trưởng giữa 20⁰C và khoảng 113⁰C. Những nhiệt độ này không đủ cao để giúp cho hầu hết các phản ứng hữu cơ trong sự vắng mặt của enzyme, hơn nữa các tế bào không thể sống sót ở những nhiệt độ cao dùng bởi một nhà hoá học hữu cơ trong các quá trình tổng hợp hữu cơ thường ngày. Enzyme giúp cho sự sống tồn tại bằng cách thúc đẩy các phản ứng đặc biệt ở nhiệt độ thấp.

      Hình 16.16. Một ví dụ về sự tạo thành phức hợp enzyme-cơ chất

a) Mô hình đầy đủ của hexokinase nấm men và cơ chất Glucose (màu tía). Vị trí hoạt động trong khe tạo thành bởi thùy nhỏ của enzyme (màu lục) và thùy lớn (màu xám). (b) Khi Glucose liên kết để tạo thành phức hợp enzyme-cơ chất hexokinase thay đổi hình dạng và bao quanh cỏ chất. (Theo Prescott, Harley và Klein, 2005)  

Tác động của môi trường lên hoạt tính enzyme

      Hoạt tính enzyme thay đổi rõ rệt với sự thay đổi của các yếu tố môi trường mà một trong các yếu tố quan trọng nhất là nồng độ cơ chất. Như ta đã biết, nồng độ các cơ chất bên trong tế bào thường thấp. Ở nồng độ cơ chất rất thấp enzyme chậm tạo thành sản phẩm do ít khi được tiếp xúc với phân tử cơ chất. Nếu có mặt nhiều phân tử cơ chất hơn enzyme sẽ liên kết cơ chất thường xuyên hơn và tốc độ phản ứng (thường được thể hiện như tốc độ tạo thành sản phẩm) cũng lớn hơn ở nồng độ cơ chất thấp hơn. Do đó tốc độ của một phản ứng do enzyme xúc tác tăng lên theo nồng độ cơ chất (Hình 16.17).

      Tuy nhiên nếu tiếp tục tăng nồng độ cơ chất thì tốc độ phản ứng cũng không tăng nữa vì các phân tử enzyme đã bão hoà cơ chất và đang chuyển hoá cơ chất thành sản phẩm với tốc độ cực đại (Vmax). Đường cong của nồng độ cơ chất bây giờ sẽ là đường hyperbole (Hình 16.17). Để biết được nồng độ cơ chất mà một enzyme cần để hoạt động thích hợp người ta thường dùng hằng số Michaelis (Km). Đây là nồng độ cơ chất enzyme cần để thực hiện được một nửa tốc độ cực đại và được dùng như một đại lượng đo ái lực thực sự của một enzyme đối với cơ chất. Giá trị Km càng thấp có ý nghĩa là nồng độ cơ chất mà enzyme xúc tác phản ứng cũng càng thấp.Hoạt tính enzyme cũng thay đổi theo sự thay đổi của pH và nhiệt độ (hình 16.18).

      Hình 16.17. Động học Michaelis-Menten

Velocity= tốc độ, Substrate concentration: nồng độ cơ chất

Sự phụ thuộc của hoạt tính enzyme vào nồng độ cơ chất. Đường cong cơ chất ở đây khớp với phương trình Michaelis-Menten cho trong hình; phương trình này liên kết tốc độ phản ứng (v) với nồng độ cơ chất (S) khi sử dụng tốc độ cực đại và hằng số Michaelis (Km). Km = nồng độ cơ chất enzyme cần để hoạt động ở nửa tốc độ cực đại. Vmax = tốc độ tạo thành sản phẩm khi enzyme được bão hòa cơ chất và hoạt động nhanh tối đa. (Theo Prescott, Harley và Klein, 2005)

      Mỗi enzyme hoạt động mạnh nhất ở một pH thích hợp nhất. Khi pH chệch xa khỏi giá trị tối thích hoạt tính của enzyme sẽ giảm đi và enzyme có thể bị hư hại. Với nhiệt độ enzyme cũng có giá trị tối thích cho hoạt tính cực đại. Nếu nhiệt độ tăng quá cao so với giá trị tối thích cấu trúc của enzyme sẽ bị huỷ hoại và enzyme mất hoạt tính. Hiện tượng biến tính (denaturation) này của enzyme có thể là hậu quả của các giá trị quá độ (tột cùng) của pH và nhiệt độ hoặc các yếu tố khác. Các giá trị tối thích của pH và nhiệt độ của các enzyme vi sinh vật thường phản ánh pH và nhiệt độ nơi sống của chúng. Do đó, ta dễ hiểu, các vi khuẩn sinh trưởng tốt nhất ở nhiệt độ cao thường có các enzyme với nhiệt độ tối thích cao và độ bền nhiệt độ lớn.

Hình 16.18: pH, nhiệt độ và hoạt tính enzyme

Sự thay đổi hoạt tính enzyme cùng với những thay đổi trong pH và nhiệt độ. Phạm vi pH và nhiệt độ ở đây chỉ là tượng trưng. Các enzyme khác nhau về vị trí của điểm tối thích và hình dạng của các đường cong pH và nhiệt độ. (Theo Prescott, Harley và Klein, 2005)

Sự kìm hãm enzyme

      Nhiều hoá chất là độc đối vi sinh vật và những chất độc mạnh nhất chính là những chất kìm hãm enzyme. Một chất kìm hãm cạnh tranh trực tiếp cạnh tranh với cơ chất ở vị trí xúc tác của một enzyme và ngăn cản enzyme tạo thành sản phẩm. Chẳng hạn, succinate dehydrogenase là enzyme xúc tác sự oxy hoá succinate thành fumarate trong chu trình Krebs. Acid malonic có cấu trúc tương tự succinate do đó là chất kìm hãm cạnh tranh của enzyme nói trên. Sau khi liên kết vào enzyme malonat không bị oxy hoá và việc tạo thành fumarate không diễn ra. Các chất kìm hãm cạnh tranh thường chi với các cơ chất bình thường nhưng không thể bị chuyển hoá thành các sản phẩm.

      Hình 16.19: Kìm hãm cạnh tranh của succinate-dehydrogenase

       Acid malonic có cấu trúc tương tự acid succinic do đó là chất kìm hãm cạnh tranh của enzyme nói trên. (Theo Prescott, Harley và Klein, 2005)

      Các chất kìm hãm cạnh tranh được sử dụng để điều trị nhiều bệnh do vi sinh vật. Chẳng hạn các thuốc sulfa như sulfanilamit chi với p-aminobenzoat là một phân tử dùng trong việc tạo thành coenzyme acid folic. Các thuốc cạnh tranh với p-aminobenzoat đối với vị trí xúc tác của một enzyme tham gia tổng hợp acid folic do đó ngăn cản sự tạo thành acid folic và kìm hãm sinh trưởng của vi khuẩn. Cơ thể người không chịu tác dụng của thuốc do không có khả năng tổng hợp acid folic và phải thu nhận acid này từ thức ăn.