Enzyme cú bản chất là protein nờn sự xỳc tỏc của enzyme cú tớnh ủặc hiệu rất rừ rệt.
Tớnh ủặc hiệu của enzyme là sự tỏc ủộng riờng, tỏc ủộng chọn lọc của từng enzyme ủối với một cơ chất hoặc một nhúm cơ chất nhất ủịnh và ủối với một kiểu phản ứng nhất ủịnh.
Trước hết, enzyme cú tớnh ủặc hiệu phản ứng, tức là ủặc hiệu theo kiểu phản ứng ủược xỳc tỏc. Như vậy, một cơ chất cú thểủược chuyển hoỏ nhờ cỏc enzyme cú tỏc dụng ủặc hiệu khỏc nhau thành những sản phẩm khỏc nhau. Chẳng hạn một acid amin cú thểủược chuyển hoỏ theo kiểu phản ứng khử nhóm amin, chuyển nhóm amin hay khử nhóm carboxyl là nhờ xúc tác của các enzyme ủặc hiệu tương ứng là oxidase, transaminase hay decarboxylase.
Ngoài tớnh ủặc hiệu theo kiểu phản ứng, enzyme cũn cú tớnh ủặc hiệu cơ chất. Một số enzyme cú tớnh ủặc hiệu cơ chất một cỏch tuyệt ủối, nghĩa là chỉ xỳc tỏc cho một cơ chất duy nhất. Ví dụ: urease chỉ xúc tác cho sự phân giải urê thành NH3 và CO2. Thường gặp hơn là ủặc hiệu tương ủối (theo nhúm), khi enzyme xỳc tỏc một phản ứng nhất ủịnh cho cả nhúm cơ chất cựng loại (tất nhiờn là với tốc ủộ khỏc nhau). Vớ dụ: alcohol dehydrogenase xỳc tỏc sự ôxy hoá của nhiều rượu, hexokinase xúc tác việc chuyển nhóm phosphoryl từ ATP tới các hexose khác nhau.
Cú những enzyme tỏc dụng ủặc hiệu với hai cơ chất cú cấu trỳc hoàn toàn khỏc nhau (ủặc hiệu kộp). Vớ dụ aminoacyl-t.RNA-synthetase, trong quỏ trỡnh tổng hợp protein vừa ủặc hiệu với acid amin, vừa ủặc hiệu với t.RNA; do ủú nú vừa làm nhiệm vụ hoạt hoỏ acid amin ủặc hiệu, vừa chuyển gốc acid amin ủó ủược hoạt hoỏ cho t.RNA ủặc hiệu ủể tạo phức hợp aa-t.RNA.
Tớnh ủặc hiệu cơ chất do phần protein enzyme quyết ủịnh. Cũn tớnh ủặc hiệu phản ứng ở cỏc enzyme phức tạp là do cả phần protein enzyme và cofactor quyết ủịnh. Trong nhiều trường hợp, một cofacor cú thể tham gia cỏc phản ứng khỏc nhau tuỳ thuộc nú ủược gắn vào protein nào. Ví dụ: pyridoxal phosphate trong các transaminase có thể tham gia phản ứng chuyển amin, trong các decarboxylase tham gia phản ứng khử carboxyl và trong các racemase tham gia phản ứng ủồng phõn hoỏ của acid amin.
Nhờ tớnh xỳc tỏc ủặc hiệu của enzyme mà hệ thống phản ứng hoỏ sinh trong cơ thể xảy ra theo một trật tự nhất ủịnh, khụng hỗn loạn, tuỳ từng lỳc, từng ủiều kiện mà diễn ra hoặc là phân giải, hoặc là tổng hợp.
Trường ðại học Nụng nghiệp Hà Nội – Giỏo trỡnh Hoỏ sinh ủại cương...……… …… 58 3.4. CƠ CHẾ HOẠT ðỘNG CỦA ENZYME
Có sự giống nhau nào giữa xúc tác hoá học và xúc tác enzyme hay không? Có thể dùng những hiểu biết về cỏc chất xỳc tỏc hoỏ học thụng thường ủể giải thớch cơ chế xỳc tỏc của enzyme hay không?
Cú hai dạng xỳc tỏc hoỏ học là xỳc tỏc ủồng thể và xỳc tỏc dị thể. Trong xỳc tỏc ủồng thể, chất xúc tác cùng pha với cơ chất (trong dung dịch). Ở trường hợp dị thể, chất xúc tác là bề mặt của pha rắn. Xúc tác enzyme nằm giữa hai thái cực này, có tính chất của cả hai, mặc dù xúc tác enzyme gần với xỳc tỏc dị thể hơn. Tuy vậy, xỳc tỏc enzyme cú mấy ủiểm khỏc rất quan trọng so với cỏc chất xỳc tỏc thụng thường, ủú là hiệu quả và tớnh ủặc hiệu xỳc tỏc rất cao.
Cỏc phản ứng hoỏ học thường cần năng lượng hoạt hoỏ mới cú thể xảy ra ủược. Vậy trong phản ứng enzyme, năng lượng hoạt hoỏ ủược lấy từủõu? Bởi vỡ phản ứng diễn ra trong TTHð, nơi các chất phản ứng bị ràng buộc chặt, năng lượng hoạt hoá không thể là năng lượng sinh ra do sự vận ủộng của cơ chất. Như vậy, năng lượng hoạt hoỏ phải bắt nguồn từ enzyme. Cũng giống như trong xỳc tỏc dị thể, phõn tử cơ chất ủó ủược hấp phụ cú thể trao ủổi năng lượng với pha rắn; cỏc phõn tử cơ chất liờn kết với enzyme cú thể trao ủổi năng lượng với cỏc cấu trỳc kề cận của enzyme. Phõn tử enzyme ủúng vai trũ là chất dự trữ và chuyển tải năng lượng. Năng lượng có thể dễ dàng chuyển tới các nhóm xúc tác và tới cả những phần cơ chất gắn với enzyme.
Năng lượng giải phúng khi cơ chất gắn với enzyme từ lõu ủược cho là nguồn năng lượng hoạt hoá của phản ứng enzyme. Chỉ một phần nhỏ phân tử enzyme trực tiếp tham gia xỳc tỏc, phần cũn lại cú vai trũ tạo cấu trỳc ba chiều thớch hợp ủể tăng cường năng lượng liờn kết giữa enzyme và cơ chất.
Trong quỏ trỡnh xỳc tỏc, enzyme (E) kết hợp với cơ chất – substrate (S) ủể tạo thành phức hợp trung gian enzyme-cơ chất (ES).
E + S ↔ ES
Hỡnh 3-11. Tiến trỡnh phản ứng enzyme và sự biến ủổi năng lượng tự do
∆G1: Năng lượng hoạt hoỏ của phản ứng khụng ủược xỳc tỏc ∆G2: Năng lượng hoạt hoá của phản ứng có enzyme xúc tác
Quá trình tạo phức hợp ES xảy ra rất nhanh và phức hợp này kém bền vững. Sự kết hợp giữa enzyme và cơ chất xảy ra theo nhiều kiểu khác nhau, tuỳ thuộc vào bản chất hoá học của
Trường ðại học Nụng nghiệp Hà Nội – Giỏo trỡnh Hoỏ sinh ủại cương...……… …… 59 cơ chất và cấu trỳc phõn tử enzyme. Cơ chất cú cấu trỳc ủặc hiệu mới cú tỏc dụng gõy cảm ứng và kết hợp ủược với TTHð của enzyme trong quỏ trỡnh tiếp xỳc ủể tạo phức hợp ES. Nhờ tương tỏc với enzyme, phõn tử cơ chất bị biến ủổi theo chiều hướng hoạt ủộng hơn. Cấu tạo ủiện tử của cơ chất bị biến ủổi, cỏc liờn kết chịu tỏc dụng của enzyme bị căng ra, bị xoắn vặn, ủộ bền vững của liờn kết bị giảm ủi, cơ chất ở vào trạng thỏi chuyển tiếp nhất thời, hoạt tớnh hoỏ học của nú tăng lờn rất nhiều, do ủú chỉ cần năng lượng hoạt hoỏ rất nhỏ cũng làm cho phản ứng xảy ra nhanh chóng.
Sự tạo thành phức hợp ES ủặc hiệu trong hoạt ủộng xỳc tỏc của enzyme cú những ủặc ủiểm khỏc với hầu hết cỏc chất xỳc tỏc khụng phải là enzyme. Phức hợp trung gian tạo thành là nhờ những liên kết yếu (hydro, ion, lực Van der Walls, kỵ nước, …). Những phản ứng tương tỏc xảy ra trong phức hợp ES ủều kốm theo sự giải phúng một phần năng lượng tự do.
ðõy là nguồn năng lượng chớnh ủể ủưa cơ chất vào trạng thỏi chuyển tiếp tạm thời và do ủú làm hạ thấp ủược năng lượng hoạt hoỏ của phản ứng enzyme.
Sự biến ủổi cỏc mức năng lượng trong phản ứng xỳc tỏc của enzyme cho thấy rằng:
trước hết cơ chất phải ủược hoạt hoỏ chuyển vào trạng thỏi chuyển tiếp tạm thời, phản ứng tương tỏc với cơ chất, tạo nờn phức hợp ES. Sau ủú phức hợp ES lại ủược hoạt hoỏ, ủưa vào trạng thỏi chuyển tiếp tạm thời ủể biến thành phức hợp EP. Ở bước tiếp theo, phức hợp EP chuyển vào trạng thái chuyển tiếp tạm thời rồi tách ra thành sản phẩm P và giải phóng enzyme. Quỏ trỡnh này ủược mụ tả trong hỡnh 3-11.
Cú thể núi, những yếu tố làm cho enzyme cú hiệu quả xỳc tỏc và tớnh ủặc hiệu cao là:
- Bộ máy hoá học của TTHð có thể làm biến dạng hay phân cực các liên kết của cơ chất làm cơ chất trở nờn hoạt ủộng hơn.
- Trung tõm liờn kết làm tăng nồng ủộ cơ chất và cốủịnh cơ chất trong một khụng gian hình học chính xác với các nhóm xúc tác.
- Sự ủịnh hướng chớnh xỏc của cơ chất trong TTHð làm cho từng bước của phản ứng diễn ra với sự dịch chuyển nhỏ nhất của cơ chất.
- Phương thức cốủịnh cơ chất ở trung tõm liờn kết cung cấp năng lượng cho phản ứng enzyme.
Cỏc yếu tố trờn thể hiện ở những mức ủộ khỏc nhau và cựng tỏc ủộng, làm cho enzyme cú hiệu quả xỳc tỏc và tớnh ủặc hiệu cao.
Về bản chất hoỏ học của xỳc tỏc enzyme, cú một sốủiểm chớnh ủỏng chỳ ý:
Trường ðại học Nụng nghiệp Hà Nội – Giỏo trỡnh Hoỏ sinh ủại cương...……… …… 60 - Cỏc nhúm xỳc tỏc trong TTHð trước hết là cỏc nhúm ỏi nhõn, tức là nhúm cú cỏc cặp ủiện tử tự do, cú khả năng tạo liờn kết với cỏc nhúm ỏi ủiện tử của cơ chất, vớ dụ: OH của serine, SH của cysteine, N trong vòng imidazol của histidine.
- Trong một số trường hợp thì ngược lại, các nhóm xúc tác của enzyme lại có thể nhận ủiện tử, mà chất cho ủiện tử là cỏc nhúm ỏi nhõn của cơ chất. Những nhúm xỳc tỏc ỏi ủiện tử này có thể là ion kim loại và nhóm NH3+ trong TTHð của một số enzyme.
- Nhiều enzyme làm việc theo nguyên tắc xúc tác acid-base, nghĩa là hoạt tính của một trong các chất phản ứng tăng lên khi nhận proton hay khi bị tách mất proton. Các nhóm có tính acid hay tớnh base trong TTHð cú hoạt tớnh xỳc tỏc này, vớ dụ nhúm carboxyl, amin, phenol, thiol và ủặc biệt là vũng imidazol. Cỏc nhúm này hoạt ủộng ủồng thời như chất cho hay chất nhận proton trong ủiều kiện pH sinh lý.
- Nhiều phản ứng enzyme diễn ra nhờ các cofactor. Khi gắn với enzyme, cơ chất tiếp xúc trực tiếp với cofactor, tạo ủiều kiện thuận lợi cho phản ứng xảy ra. ðồng thời cỏc cofactor cũng thường xuyờn cung cấp năng lượng cho cỏc phản ứng enzyme (ủối với cofactor cú mạch phosphate cao năng hay các nucleotide).
- Rất nhiều enzyme làm tăng tốc ủộ phản ứng nhờ tạo sản phẩm trung gian rất hoạt ủộng với cơ chất. Sau ủú phản ứng phõn thành hai hay nhiều phần nhỏ, và như vậy cả năng lượng hoạt hoỏ cũng chia thành những phần nhỏ hơn.