Enzyme là gì? Bản chất, yếu tố ảnh hưởng, cơ chế xúc tác

Để sống và phát triển, cơ thể sinh vật phải thường xuyên trao đổi chất và trao đổi năng lượng với môi trường bên ngoài. Các quá trình này tiến hành được là nhờ các phản ứng hóa sinh xẩy ra trong cơ thể theo quy luật có tổ chức và có liên quan chặt chẽ với nhau.

Đặc điểm chung của các phản ứng này là có thể xảy ra một cách đặc hiệu, dễ dàng với vận tốc lớn ở ngay trong điều kiện môi trường sinh lý và nhiệt độ của cơ thể. Sở dĩ các phản ứng tiến hành trong cơ thể có những đặc điểm trên chính là nhờ các chất xúc tác đặc biệt có khả năng làm tăng vận tốc phản ứng lên gấp bội, đó là các chất xúc tác sinh học.

Enzyme là chất xúc tác sinh học có bản chất protein làm nhiệm vụ xúc tác cho các phản ứng hóa sinh xảy ra trong cơ thể sinh vật.

Enzyme tồn tại trong tất cả các tế bào sống của động vật, thực vật, vi sinh vật. Các phản ứng do enzyme xúc tác có thể xảy ra ở ngay trong cơ thể sống hoặc ở ngoài cơ thể. Hiện nay đã tách được rất nhiều enzyme khác nhau từ nguồn động vật, thực vật, đặc biệt là từ vi sinh vật, trong đó có nhiều loại đã được thu nhận với độ thuần khiết cao. Xúc tác enzyme có nhiều ưu điểm hơn hẳn xúc tác thông thường như cường lực xúc tác lớn, tính đặc hiệu cao, không độc, có thể tác dụng trong điều kiện nhẹ nhàng, đơn giản. Hơn nữa có thể sản xuất enzyme từ các nguyên liệu giá rẻ nhưng đem lại hiệu quả kinh tế cao, nhờ vậy việc ứng dụng enzyme rộng rãi trong các ngành công nghiệp nhẹ, công nghiệp thực phẩm, nông nghiệp, y học và nghiên cứu khoa học đã nhanh chóng có những bước tiến dài và ngày càng có nhiều triển vọng tốt đẹp.

Enzyme là chất xúc tác sinh học

Những luận cứ sau đây đã chứng minh bản chất xúc tác của enzyme:

1. Cũng như các chất xúc tác nói chung, enzyme làm tăng nhanh tốc độ phản ứng. Enzyme không quyết định chiều hướng của phản ứng.
2. Enzyme không đóng vai trò là chất tham gia phản ứng trong phương trình phản ứng. Trong quá trình xúc tác, lượng enzyme không thay đổi.
3. Cũng như mọi chất xúc tác khác, enzyme làm giảm năng lượng hoạt hóa cần thiết của các phản ứng hóa học. Nói cách khác năng lượng hoạt hóa phản ứng được giảm đi nhiều khi có sự xúc tác của enzyme.

Bản chất hóa học của Enzyme

Enzyme là những chất xúc tác có bản chất protein.

Trong sự phát triển của hóa sinh học, bước nhảy vọt đã đạt được khi người ta thực hiện thành công việc tách rút các chất xúc tác sinh học ra khỏi tế bào và nghiên cứu tính chất của chúng, lúc đó người ta nhận biết rằng enzyme có bản chất protein. Năm 1926, Sumner là người đầu tiên thu được urease ở dạng kết tinh. Cho đến nay đã có khoảng hơn 150 enzyme được rút ra ở dạng tinh khiết. Trong số các enzyme đó, một số đã được biết trọn vẹn về cấu trúc bậc I như ribonuclease, trypsin, chymotrypsin, … Ngày nay người ta xác nhận rằng, các enzyme chính là nhóm  protein quan trọng. Chúng được hình thành trong tế bào như các protein đơn giản (enzyme một thành phần) hoặc như các protein phức tạp (enzyme

hai thành phần). Trong số các enzyme thì đa số là enzyme hai thành phần.

Dạng hoạt động của enzyme hai thành phần bao gồm phần protein và phần không có bản chất protein gọi là nhóm prostetic (nhóm ngoại, nhóm ghép, …)

Enzyme một thành phần là các protein đơn giản thực hiện chức năng xúc tác. Ví dụ: Ribonuclease A và một số enzyme thủy phân protein và một số enzyme khác.

Các nhóm ghép, các coenzyme

Bên cạnh phần protein thì enzyme hai thành phần còn chứa phần không có bản chất protein. Người ta gọi phần không phải protein cần thiết bắt buộc đối với hoạt động của enzyme là nhóm ghép (nhóm ngoại, nhóm thêm, yếu tố phụ, …) và phần protein vốn liên kết với nhóm đó là apoenzyme, phức hợp của hai thành phần trên là holoenzyme (enzyme hai thành phần).

Trong trường hợp nhóm ghép là những chất hữu cơ có trọng lượng phân tử bé được liên kết với phần protein thì nhóm ghép được gọi là coenzyme. Theo cách đó thì:

Apoenzyme + Coenzyme  ⇔ Holoenzyme

Nếu đứng riêng rẽ thì cả coenzyme cũng như apoenzyme đều không có khả năng xúc tác. Chỉ có lúc nào 2 phần này kết hợp với nhau thì hoạt tính xúc tác của enzyme mới thể hiện.

Bản chất hóa học của coenzyme rất khác nhau:

– Một số loại này chính là các vitamin. Sự liên quan về chức năng giữa các vitamin và các coenzyme được giới thiệu ở bảng sau:

Coenzyme	Chức năng	Vitamin tương ứng
NAD, NADP FAD. FMN	–   Chuyển H+ và e– –   Chuyển H+ và e–	PP B2
Coenzyme A	–   Vận chuyển gốc acyl –   Phân giải háo khí và tổng hợp acid béo	Pantotenic acid (B3)
Thiaminpyro(P)	–   Khử carboxyl hóa –   Chuyển nhóm aldehyd	Thiamine(B1)
Pyridoxal(P)	–   Chuyển amine hóa –   Khử carboxyl hóa	Pyridoxine(B6)

 

– Các ion kim loại có vai trò cần thiết bắt buộc cho sự hoạt động của enzyme. Các ion (cation) có chức năng giống với các coenzyme.

Người ta gọi các ion kim loại đó là các coenzyme đơn giản. Các enzyme cần ion kim loại cho việc thực hiện chức năng của mình được gọi là metalloenzyme. Chức năng của các ion kim loại nói chung phần nhiều là chúng tạo ra các phức hợp kiểu chelate giữa một nhóm nhất định nào đó của cơ chất và enzyme. Trước tiên các cation tạo phức “ion kim loại – cơ chất”, sau đó phức hợp này mới phản ứng với enzyme. Các ion Ca, Cu, Mg, Mn, Mo, Zn, … đều là những ion tham gia trong sự hoạt động của các enzyme.

Tính đặc hiệu của enzyme

Khả năng xúc tác với tính đặc hiệu cao là một trong những đặc tính cơ bản và quan trọng nhất của enzyme. Tính đặc hiệu của enzyme thể hiện ở chỗ: enzyme chỉ xúc tác cho một trong vô số những chuyển hóa có thể có được đối với các chất. Có hai loại đặc hiệu cơ bản đó là đặc hiệu phản ứng và đặc hiệu cơ chất.

* Tính đặc hiệu phản ứng: được thể hiện ở chỗ enzyme chỉ có khả năng lựa chọn một dạng phản ứng trong số các phản ứng và xúc tác cho phản ứng đó. Điều đó thấy rõ trong ví dụ sau đây:

Dưới tác dụng của oxidase, aminoacid bị khử amine hóa bằng cách oxy hóa để tạo ra cetoacid và NH₃. Với sự có mặt của oxidase, một phản ứng khác khử carboxyl hóa lại không thể xảy ra. Việc xúc tác này đòi hỏi phải có enzyme khác, đó là decarboxylase. Cũng như vậy, phản ứng chuyển amine hóa đòi hỏi phải có transaminase.

* Tính đặc hiệu cơ chất: Enzyme có thể lựa chọn đối với các chất tham gia phản ứng. Không phải mọi cơ chất có khả năng phản ứng đều được enzyme “tiếp nhận” như nhau.

Mỗi enzyme chỉ chuyên xúc tác cho một hoặc một vài cơ chất nhất định và mức độ đặc hiệu của nó tùy thuộc vào từng loại enzyme. Có 3 mức độ đặc hiệu cơ chất chủ yếu:

a, Đặc hiệu tương đối: Enzyme chỉ có thể tác dụng lên một kiểu liên kết hóa học nhất định mà không phụ thuộc vào các nhóm hóa học nằm ở hai bên liên kết. Ví dụ các esterase có thể tác dụng lên hàng loạt các ester của phosphoric

b, Đặc hiệu nhóm: biểu hiện là enzyme chỉ có thể tác dụng lên một kiểu liên kết hóa học nhất định và một trong hai nhóm nằm ở hai bên liên kết cũng phải có cấu tạo nhất định. Ví dụ carboxylpeptidase có khả năng phân hủy liên kết peptide gần nhóm –COOH tự do, nghĩa là liên kết peptide ở cuối mạch polypeptide, …

c, Đặc hiệu tuyệt đối: Enzyme chỉ tác dụng lên một kiểu liên kết nhất định và các nhóm hóa học ở hai bên liên kết cũng phải xác định.

Ví dụ: Enzyme trypsine thủy phân các liên kết peptide giữa lysine hoặc arginine với bất cứ aminoacid nào. Sản phẩm là những đoạn peptide có lysine hoặc arginine chứa nhóm COOH tự do ở phía tận cùng của peptide.

– Enzyme Trombine còn có tính đặc hiệu cao hơn trypsine: nó chỉ thủy phân liên kết peptide ở phía carboxyl của gốc arginine nào có gốc glycine đứng liền kề sau nó:

* Ngoài các tính đặc hiệu trên nhiều enzyme còn biểu hiện rất cao về tính đặc hiệu hóa học lập thể (Đặc hiệu quang học): Enzyme chỉ tác dụng lên những dạng đồng phân lập thể nào đó của các chất hữu cơ.

Ví dụ: Enzyme L-lactatdehydrogenase chỉ tác dụng lên L-lactic acid mà không tác dụng lên D-Lactic acid. Muốn tác dụng lên D-Lactic acid phải có enzyme D-lactatdehydrogenase.

Các yếu tố ảnh hưởng tới hoạt tính xúc tác của Enzyme

Nhiệt độ

Trong phạm vi lý học, tốc độ của phản ứng tăng lên cùng với sự tăng của nhiệt độ. Nhưng khi vượt quá phạm vi nào đó, các phản ứng được enzyme xúc tác bị ảnh hưởng do sự biến tính của phân tử protein-enzyme. Kết quả này phụ thuộc vào nhiệt độ tối thích của enzyme, là nhiệt độ mà tại đó tốc độ phản ứng enzyme đạt cực đại.

Mỗi enzyme có nhiệt độ tối thích khác nhau. Sự khác nhau này tùy thuộc vào nguồn gốc của các enzyme, tùy theo từng điều kiện hoặc từng sự khác nhau về tính nhạy cảm với nhiệt độ của phân tử protein-enzyme.

Đa số enzyme mất hoạt tính xúc tác ở nhiệt độ cao(>80^oC), trừ papain, myokinase có thể tồn tại ở 100^oC.

Ảnh hưởng của pH

Mỗi enzyme đều có trị số pH tối thích nào đó đối với hoạt  tính  của chúng. Ở ngoài phạm vi của trị số này hoạt tính của enzyme đều bị giảm thấp.

Trị số pH tối thích của một số enzyme như sau:

Enzyme	pH tối thích
Pepsine Amylase(mạch nha) Amylase(nước bọt) Trypsine Arginase Catalase Peroxidase	1,5 – 2,5 4,6 – 5,0 6,8 – 7,2 7,8 – 9,5 9,8 6,8 – 7,0 6,0

Những nguyên nhân sau đây có thể dẫn tới sự phụ thuộc vào pH của enzyme:

1. Nếu trong số các nhóm bên tham gia trực tiếp trong sự hoạt động của enzyme chứa nhóm có khả năng phân
2. pH đã ảnh hưởng tới các nhóm phân ly khác của protein-enzyme vốn có tác dụng trong việc duy trì cấu hình có hoạt tính của
3. Sự thay đổi pH của môi trường có thể ảnh hưởng tới các nhóm phân ly của cơ chất hay của coenzyme vốn được kết hợp với enzyme.

Ảnh hưởng của chất hoạt hóa và chất kìm hãm enzyme

Những chất nào có khả năng làm tăng hoạt tính xúc tác của enzyme thì được gọi là chất hoạt hóa enzyme. Các chất đó thường là các ion kim loại như: K⁺, Na⁺, Mg⁺², Ca⁺², Co⁺², Zn⁺², Mn⁺², …

Ví dụ:  Mg⁺² làm tăng hoạt tính phosphatase Ca⁺² làm tăng hoạt tính lypase.

Sự hoạt động của các enzyme đều có thể bị kìm hãm bởi các tác động gây biến tính protein. Người ta phân biệt các hình thức kìm hãm enzyme và phân biệt các chất kìm hãm enzyme như sau:

1. Chất kìm hãm chung: các chất này kìm hãm hoạt tính xúc tác của tất cả các enzyme. Các chất này là các muối kim loại nặng, chất tannin.
2. Chất kìm hãm riêng: có tác dụng kìm hãm một hay một nhóm enzyme có cấu tạo gần giống nhau. Ví dụ: các chất chứa nhóm – CN kìm hãm enzyme hô hấp.

Nồng độ cơ chất và nồng độ enzyme

Khi môi trường có đầy đủ cơ chất thì tốc độ phản ứng tỷ lệ thuận với lượng enzyme. Khi nồng độ cơ chất thấp, không đủ để lôi kéo tất cả lượng enzyme vào phản ứng thì tốc độ phản ứng tăng tỷ lệ thuận với nồng độ cơ chất. Tốc độ phản ứng đạt tối đa khi tất cả enzyme đều kết hợp vào cơ chất.

Cơ chế xúc tác của Enzyme

Khi đặt vấn đề nghiên cứu về cơ chế xúc tác của enzyme người ta xuất phát từ giả thiết cho rằng trong các phản ứng được enzyme xúc tác, phức tạm thời “Enzyme – Cơ chất” được tạo thành. Quá trình này gồm 3 giai đoạn:

Ở giai đoạn 1 phản ứng xảy ra tương đối nhanh, cơ chất (S ) được liên kết với enzyme (E) nhờ các liên kết yếu. Lúc này sự liên kết không gian giữa các phân tử cơ chất và enzyme chưa đủ hiệu quả đối với sự xúc tác của enzyme.

Ở giai đoạn tiếp theo xảy ra sự biến đổi của cơ chất (S) có liên quan tới việc phá vỡ hay hình thành các liên kết cộng hóa trị. Ở giai đoạn này, cơ chất được hoạt hóa (một hoặc vài phức chất ES chuyển tiếp được hoạt hóa). Ở đây, cấu trúc bậc 3 của enzyme luôn biến đổi tạo khả năng tiếp xúc giữa các nhóm hoạt động của enzyme với cơ chất đang biến đổi.

Enzyme đã làm biến đổi phần tử cơ chất làm cho các liên kết bên trong phân tử trở nên “lỏng lẻo” hơn, do đó chỉ cần một lượng năng lượng nhỏ cũng đủ làm cho cơ chất biến thành các sản phẩm (P) khác nhau.

Người ta đã chứng minh rằng trong khi hình thành phức chất ES có 2 quá trình đồng thời xảy ra nhanh chóng đó là:

1. Sự thay đổi mật độ điện tử gây nên sự phân cực hóa các liên kết.
2. Sự biến dạng về mặt hóa học của các liên kết “kéo căng” trong phân tử cơ chất.

Cả hai yếu tố này (sự biến hình và sự phân cực hóa các liên kết đồng hóa trị) đều làm tăng thế năng nhiệt động học của các liên kết này, nghĩa là xúc tiến việc vượt qua “hàng rào” năng lượng hoạt hóa của quá trình chuyển tiếp phức “Enzyme-Cơ chất”.

Các gọi tên và phân loại Enzyme

Trong thời gian cơ chế tác dụng của enzyme chưa được nêu ra, người ta đã đặt cho một số enzyme những tên riêng biệt như pepsine, trypsine, chymotrypsine, papaine, bromeline, …

Khi con số các enzyme được biết ngày càng nhiều tên enzyme được gọi theo nguyên tắc sau đây: Tên enzyme = tên cơ chất mà enzyme xúc tác + loại phản ứng mà enzyme xúc tác + tiếp vị ngữ “ase”.

Việc phân loại enzyme là công việc khó khăn vì số enzyme mà cơ chế xúc tác của nó được hiểu biết một cách tường tận không nhiều.

Việc phân loại enzyme được dựa theo nguyên tắc là: lấy cơ sở kiểu phản ứng do enzyme xúc tác mà Hiệp hội Hóa sinh Quốc tế đã đề xuất năm 1964. Năm 1973 hệ thống phân loại này lại tiếp tục được hoàn thiện bởi Ủy ban danh pháp Hóa sinh thuộc Hiệp hội hóa học cơ bản và ứng dụng Quốc tế (IUPAC). Trên cơ sở đó tất cả các enzyme được phân chia 6 nhóm chủ yếu sau:

1. Oxydoreductase
2. Transferase
3. Hydrolase
4. Lyase
5. Isomerase
6. Synthetase (Ligase)

Các số thập phân trên bảng phân loại có ý nghĩa như sau:

• Số thứ nhất chỉ nhóm chính (Ví dụ nhóm 2: transferase)
• Số thứ hai qui định một số đặc tính của phản ứng (Ví dụ: 2.1 cho biết enzyme vận chuyển gốc 1 carbon)
• Số tiếp theo cho biết chi tiết hơn (Ví dụ 2.1.1: có nghĩa là enzyme vận chuyển nhóm methyl…)

Tuy nhiên cho đến nay các tên gọi truyền thống của enzyme vẫn còn được sử dụng.

Nguồn: Sinh học đại cương