Bộ đếm web cho blog miễn phí

Trang chủ  www.docsachysinh.com

Ebook online

Đọc sách Y sinh || www.docsachysinh.com || Microworld - Macromind

GIẢN YẾU VỀ VAI TRÒ SINH LÝ HỌC CỦA ENZYMES

Phùng Trung Hùng - Nguyễn Phước Long

Enzyme và phản ứng xúc tác

Enzyme có vai trò xúc tác, làm tăng tốc nhiều phản ứng sinh học:

-          Nếu không có enzyme, hầu hết các phản ứng trong cơ thể sống đều sẽ diễn ra rất chậm và do vậy sự sống sẽ không thể tiếp tục.

-          Enzyme có thể làm cho phản ứng xảy ra theo nhiều giai đoạn, trong đó có phản ứng thủy phân ATP tạo năng lượng. Nhờ tính chất này, nó giúp cho các phản ứng đòi hỏi năng lượng cao vẫn có thể xảy ra được.

Hình 10.1: Phản ứng minh họa

-          Điều cần lưu ý là enzyme không mất đi trong một phản ứng sinh hóa, do vậy một enzyme có thể xúc tác phản ứng nhiều lần.

Enzyme gắn kết với các chất phản ứng đặc hiệu để xúc tác phản ứng sinh học chuyên biệt:

-          Trong quá trình phản ứng xảy ra, các cơ chất hoạt động trên “môi trường” enzyme để tạo ra sản phẩm.

-          Mỗi cơ chất gắn vào một vị trí gắn (binding site) đặc hiệu trên enzyme. Vùng hoạt động (active site) có thể ở gần hoặc trùng với vị trí gắn và có chứa các chuỗi amino acid tham gia trực tiếp trong khi phản ứng xảy ra.

-          Enzyme có tính chọn lọc (selectivity) và đặc hiệu (specificity) do có cấu trúc tương tác phù hợp với cấu trúc của cơ chất của phản ứng mà nó xúc tác tại vùng hoạt động.

Thiếu enzyme sẽ gây ra rối loạn bệnh lý:

-          Chu kì urea hay chuyển hóa glycogen là các rối loạn bẩm sinh của sự trao đổi chất. Nếu không được phát hiện sớm sau khi sinh, các rối loạn này có thể gây ra các xáo trộn chuyển hóa ở trẻ sơ sinh và thậm chí gây tử vong.

-          Thiếu hụt enzyme sẽ tạo ra sự thiếu hụt các sản phẩm chuyển hóa mà nó xúc tác do vậy có thể ức chế chuỗi phản ứng theo sau đó.

Bảng 10.1: Một số bệnh liên quan đến sự thiếu hụt enzyme.

-          Hiện tượng tích tụ cơ chất hoặc các sản phẩm chuyển hóa phụ do thiếu hụt enzyme có thể gây ra các rối loạn sinh lý trầm trọng.

-          Tất cả các rối loạn chuyển hóa bẩm sinh chỉ xảy ra rõ ràng sau khi sinh bởi vì có sự trao đổi các chất chuyển hóa giữa mẹ và bào thai trong suốt quá trình mang thai.

-          Các phương pháp chữa bệnh có liên quan đến: Chế độ ăn uống, liệu pháp gene hoặc thay tế trực tiếp enzyme thiếu hụt.

Sự phân loại enzyme

Enzyme có thể được tạo ra từ protein hoặc RNA.Hầu hết các enzyme là proteins và được phân thành 6 loại dựa vào phản ứng mà nó xúc tác. RNA có một số chức năng xúc tác các phản ứng sinh lý quan trọng thể hiện qua các enzyme có nguồn gốc RNA hay còn gọi là các ribozymes, thường có 2 loại chính:

-          Phân tử RNA trải qua sự tự phân cắt (self-splicing). Qua đó, intron bị cắt bỏ và các exon sẽ nối kết với nhau.

-          Các phân tử RNA khác không tự phân cắt có thể hoạt động trên các cơ chất khác sẽ có hoạt động xúc tác thật sự:

o   Ribonuclease P giúp tiền chất của tRNA trở thành tRNA trưởng thành.

o   23S ribosomal RNA có vai trò quan trọng trong hoạt tính của enzyme peptidyl transferase.

Hình 10.2: (a) Vị trí phân cắt của ribozyme. (b) Vị trí phân cắt của leadzyme – một ribozyme phụ thuộc Pb2+. (c) Một DNA enzyme phân cắt RNA.

Isozymes là các enzyme có bản chất là protein, chúng xúc cùng một phản ứng nhưng ở trên các vị trí amino acid khác nhau.

-          Vì cấu trúc của chúng khác nhau, isozyme thường được phân ra thành một số loại dựa vào đặc tính điện di của nó (electrophoresis) hay hoạt tính của nó với các kháng thể chọn lọc.

-          Người ta đã có thể tổng hợp các loại isozyme khác nhau để hoạt động trên các loại mô khác nhau.

Bảng 10.2: Bảng phân loại enzyme

Chẩn đoán phân biệt nhồi máu cơ tim (heart attack) và đau do cơ dựa vào creatine kinase (CK). Đây là enzyme có hai tiểu đơn vị, có thể là B (brain) hay M (muscle). Sự kết hợp khác nhau của hai tiểu đơn vị này tạo thành các isozyme khác nhau, tồn tại ở các vị trí khác nhau: BB ở não, MM ở cơ bắp và MB ở cơ tim.

-          Trong 3-4 giờ của cơn nhồi máu cơ tim, vùng tế bào cơ bị tổn thương giải phóng CK loại MB và người ta có thể xác định nó trong huyết thanh bệnh nhân nhờ một kháng thể đặc hiệu. CK-MB hiện nay được thay thế vì troponin nhạy hơn và độ tin cậy cao hơn.

-          Bệnh lý cơ bắp thường giải phóng CK loại MM. Rhabdomyolysis (hủy hoại tế bào cơ) là một trong những tác dụng phụ chính của việc sử dụng statins. Viêm cơ (myositis) gây chết tế bào, biểu hiện là đau cơ, nhược cơ, tăng CK MM và nước tiểu có myoglobin.

Hình 10.3: Mô tả chi tiết các giai đoạn trong cơ chế đông máu ở người và các enzyme xúc tác cho từng phản ứng.

 

Phản ứng xúc tác của enzyme tại nhiệt độ sinh lý

Tốc độ của bất kì phản ứng hóa học nào cũng được tính bằng tỉ lệ giữa sự thay đổi nồng độ chất phản ứng với thời gian.

-          Tốc độ phản ứng giảm dần khi nồng độ chất phản ứng trở về điểm cân bằng – tại đó tốc độ phản ứng thuận bằng tốc độ phản ứng nghịch, do vậy tốc độ tổng bằng không.

-          Tốc độ của hầu hết các phản ứng sinh lý chỉ phụ thuộc vào nồng độ chất phản ứng.

o   Các phản ứng như vậy được gọi là phản ứng bậc 1.

o   Người ta dự vào đại lượng “bán hủy” để đánh giá tốc độ phản ứng.

Các trạng thái năng lượng khác nhau tương ứng với từng giai đoạn của phản ứng được minh họa ở biểu đồ năng lượng.

-          Năng lượng hoạt hóa là năng lượng cần thiết để phản ứng có thể xảy ra. (Ea)

-          Enzyme làm cho phản ứng xảy ra theo các giai đoạn chuyển tiếp với năng lượng thấp hơn năng lượng hoạt hóa. Ở trạng thái này, chất hình thành là trung gian giữa cơ chất và sản phẩm. (TS)

-          Phản ứng có thể xảy ra tự phát (spontaneously) khi tổng năng lượng tự do giữa sản phẩm và cơ chất là một số âm.

Bảng 10.3: Một vài trị số năng lượng tự do của các chất.

-          Giống như tất cả các chất xúc tác, enzymes không làm thay đổi năng lượng tự do của phản ứng và trạng thái cân bằng của nó mà chỉ làm tăng hoặc giảm tốc độ phản ứng mà thôi.

-          Enzyme làm giảm năng lượng hoạt hóa của một phản ứng bằng cách làm cho phản ứng xảy ra theo nhiều giai đoạn.

Hình 10.4: Biểu đồ của phản ứng có và không có enzyme xúc tác.

Có nhiều yếu tố ngoại lai có khả năng tác động vào tốc độ của các phản ứng sinh lý.

-          Nhiệt độ: Cung cấp năng lượng cho phản ứng. Yếu tố này không thuận lợi trong cơ thể sinh vật.

-          Nồng độ: Tăng xác suất va chạm hiệu quả giữa cơ chất và enzyme. Yếu tố này bị chi phối bởi cơ chế chuyển dịch cân bằng Le Chaterier.

-          pH: Quan trọng đối với hoạt tính của các amino acid tại vị trí hoạt động của enzyme, góp phần thay đổi tốc độ phản ứng.

Cơ chế xúc tác của enzyme

Có nhiều cơ chế xúc tác và mỗi enzyme có thể có nhiều hơn một cơ chế.

Cơ chất gắn vào enzyme tạo nên một trạng thái gần (proximity) với sự định hướng tối ưu của phản ứng.

Chuỗi amino acid trong vùng hoạt động của nhiều enzyme đóng vai trò là acid hoặc base trong phản ứng với cơ chất:

Hình 10.5: Cơ chế phản ứng của chymotrypsin.

-          Enzyme ribonuclease tụy hoạt động như một hydrolase có chứa một phân tử Histidine trong vùng hoạt động. Histidine là một chất cho proton để bắt đầu phản ứng cắt đứt liên kết phosphodiester trên cơ chất là RNA.

-          Emzyme chymotrypsin có Serine trong vùng hoạt động của nó. Serine lại đóng vai trò là chất nhận proton trong phản ứng thủy phân liên kết peptide đối với cơ chất là protein.

Hình 10.6: Chuỗi phản ứng hoạt hóa các protease tụy. Enteropeptidase hay còn gọi là trypsin có chức năng phân cắt các tiền enzyme (proenzyme hay zymogen) tại các vị trí đặc biệt.

Phản ứng gắn kết các polysaccharide có 6 nhóm đường trở lên vào lysozyme (có ở nước mắt và nước bọt) sẽ làm cho phân tử đường ở gần vùng hoạt động nhất dễ bị thủy phân hóa hơn.

Trong xúc tác cộng hóa trị, enzyme tạo nối kết cộng hóa trị với cơ chất, đóng vai trò trung gian trong cơ chế phản ứng. Ví dụ: Phản ứng acyl-enzyme trung gian chuyển polypeptide vào nước, hoàn tất sự phân cắt hoặc thủy phân của protein.

Động học phản ứng xúc tác của enzyme

Tốc độ của các phản ứng đơn giản trong ở phương trình hóa học bên dưới (a) có thể được biểu diễn theo phương trình động học Michaelis – Menten (b).

                                 (a)

                                       (b)

Ở trạng thái đầu, phản ứng được biểu diễn gần như là một đường thẳng dạng y = ax.

Tốc độ phản ứng phụ thuộc vào nồng độ cơ chất. Nếu tại điểm đó, tất cả các phân tử enzyme đã thực hiện chức năng xúc tác của mình thì nó được gọi là tốc độ phản ứng tối đa:

Hình 10.7: Biểu đồ tốc độ phản ứng.(Km là nồng độ cơ chất khi v = vmax/2)

Sự nhạy cảm với ethanol do thiếu các enzyme có Km thấp:

-          Ethanol được chuyển hóa ở gan bởi phản ứng oxi hóa để tạo thành acetaldehyde và acetate.

-          Một số người có biểu hiện “mặt đỏ bừng” sau khi uống ethanol. Đó là do sự tích tụ acetaldehyde.

-          Quá trình chuyển đổi acetaldehyde thành các acetate ít độc hơn được xúc tác bởi các enzyme thuộc họ aldehyde dehydrogenase.

-          Người châu Á thiếu các aldehyde dehydrogenase có Km thấp mà đa phần chỉ tồn tại enzyme loại có Km cao. Do vậy, nồng độ của acetaldehyde tăng cao gây giãn mạch.

Các chất ức chế enzyme

Chất ức chế cạnh tranh là chất có cấu trúc tương đồng với cơ chất và có thể gắn kết thuận nghịch vào vùng hoạt động của enzyme:

-          Vì chất ức chế cạnh tranh có thể gắn vào cùng một ví trí trên enzyme với cơ chất và đó là phản ứng thuận nghịch, do vậy nó có thể bị chiếm chỗ khi tăng nồng độ cơ chất.

-          Chất ức chế cạnh tranh làm tăng Km nhưng không thay đổi Vmax.

Chất ức chế không cạnh tranh gắn vào một vị trí khác với vị trí gắn kết của cơ chất với enzyme, từ đó hình thành nên phức hợp enzyme – chất ức chế.

Hình: Phương trình Lineweaver – Burk

-          Chất ức chế không cạnh tranh không thể bị thay thế và không liên quan tới sự thay đổi nồng độ cơ chất.

-          Chất ức chế không cạnh tranh, do vậy làm giảm Vmax nhưng không ảnh hưởng đến Km.

Hình 10.8: Sơ đồ Lineweaver – Burk.

Chất ức chế không thuận nghịch tạo phức hợp cộng hóa trị với enzyme tại vị trí gắn kết hay hoạt động của enzyme.

Các coenzyme và cofactor

Bảng 10.4: Liệt kê một số coenzyme và cofactor cơ bản và chức năng của chúng

Coenzymes là các phân tử hữu cơ nhỏ cần thiết cho hoạt động của enzyme:

-          Coenzyme tham gia trực tiếp vào phản ứng xúc tác và thường gắn vào một hay nhiều chất phản ứng.

-          Một vài coenzymes gắn chặt cạnh vùng hoạt động của enzyme và hoạt động như một cơ chất. Một vài enzyme khác tạo liên kết cộng hóa trị với enzyme như là một nhóm giả lập (prosthetic group).

-          Nhiều coenzyme nguồn gốc từ vitamins.

Cofactors là các ion vô cơ nhỏ cần thiết cho việc thiết lập cấu trúc hoặc là thành phần thêm vào trong cơ chế xúc tác của 70% các enzyme.

-          Metalloenzymes có liên kết chặt với các ion kim loại như Zn2+ hay Fe2+. Các ion này tạo thành cầu nối ion kim loại giữa enzyme và cơ chất.

Hình 10.9: Phản hình thành 3,6-dideoxyhexoses mà pyridoxamine phosphate (PMP) đóng vai trò là một coenzyme cho phản ứng.

-          Một vài ion kim loại đóng vai trò như một acid trong hoạt động của enzyme.

-          Nhiều ion kim loại có thể trở thành nguồn lôi kém electron (electron sinks) do vậy chúng có thể tham gia vào nhiều phản ứng xúc tác với cơ chế “rút” electron từ cơ chất, hoạt hóa chúng để tham gia phản ứng.

-          Trong một số trường hợp khác, việc gắn kết với ion kim loại như Na+, K+ hay Mn2+ tạo nên một sự biến đổi cấu trúc của enzyme và do vậy phù hợp với các chức năng mới của chúng.

-          Ion kim loại tạo thành phức hợp chất cơ kim (organometallic) như là nguyên tố trung tâm trong cấu trúc của heme có thể trải qua quá trình chuyển một electron trong phản ứng oxy hóa khử được xúc tác bởi các oxidoreductase của cytochromes.

Hình 10.10: Chu trình urea. Quá trình chuyển arginine thành ornithine và urea được xúc tác bởi arginase (một enzyme có cofactor là Mn2+). Cần lưu ý thêm là việc ngộ độc ammonia trong máu thường có liên quan đến bệnh lý xơ gan do rượu – hậu quả của việc giảm khả năng tổng hợp urea của gan.

Sự điều hòa lập thể của enzyme

Các enzyme chìa khóa xúc tác các phản ứng giới hạn của các lộ trình chuyển hóa hoặc có chức năng chính trong các quá trình của tế bào luôn được điều hòa để duy trì hằng định nội môi của tế bào và cả cơ thể sống.

Điều hòa dị lập thể là sự gắn một phân tử vào một vị trí khác vị trí hoạt động của enzyme và gây ra sự biến đổi về hình dạng, do vậy tăng hay giảm hoạt tính của enzyme đó.

Rất nhiều enzyme dị lập thể có đa tiểu đơn vị (multiple subunits) và toàn thể các tiểu đơn vị này tương tác với nhau để tạo ra các thuộc tính động học của chúng:

-          Enzyme là chủ thể của sự điều hòa dị lập bởi các chất tác hiệu (effectors) dương hay âm hoặc hiệp đồng do có nhiều vị trí gắn (cooperativity).

-          Trong phản ứng dương, biểu đồ sẽ có dạng chữ S. Ví dụ:

o   Tăng ái lực của enzyme với cơ chất do vậy tăng chức năng tải cơ chất của enzyme đó.

o   Trong phản ứng gắn O2 của hemoglobin, O2 được tải tới một tiểu đơn vị gắn kết sẽ tăng hoạt tính của Hb với O2 tiếp theo.

Hình 10.11: Minh họa biểu đồ tốc độ phản ứng của các trường hợp có chất tác hiệu và không.

Ức chế sự tác hồi xảy ra khi nồng độ sản phẩm cuối của lộ trình chuyển hóa tăng lên, gắn vào và bất hoạt một enzyme ngược dòng trong lộ trình, đóng vai trò như một chất ức chế cạnh tranh hoặc một chất tác hiệu dị lập thể.

Hình 10.12: Mô phỏng các quá trình hoạt hóa hay ức chế phản ứng trên enzyme.

Enzymes và thụ thể cũng như kênh ion đều là protein do vậy có nhiều đặc tính giống nhau, mặt khác rất nhiều thụ thể có tính enzymes nội tại hoặc kết hợp với enzyme bào tương hay cả những protein của chất nền ngoại bào (extracellular matrix) có chức năng xúc tác một số phản ứng hạn hẹp. Vì là protein nên có cấu hình lập thể, một enzymes có thể bị can thiệp vào chức năng do sự gắn kết của nhiều chất với những vị trí khác nhau được mô tả bằng một số thuật ngữ như ta thấy trong hình minh họa trên. Vị trí được gọi là active site (vị trí hoạt động) thực chất là một vị trí mà khi gắn kết cơ chất bị biến đổi thí dụ như men cholinesterase thủy phân acetylcholine, active site của men này là vùng hội tụ của 3 aminoacid Tryptophan ở vị trí 84; phenyl-alanine ở vị trí 330 và glutamate ở vị trí 199 tại vùng này acetylcholine được thủy phân thành acetic acid và choline.

Hình 10.13: men cholinesterase.

Khi có sự xâm nhập của phosphor hữu cơ vị trí này bị chiếm giữ lâu dài do phosphor hữu cơ có ái lực lớn hơn Ach như vậy Ach là agonist và phosphor hữu cơ là competitive inhibitor (đối kháng cạnh tranh). Pralidoxim có khả năng đuổi phosphor hữu cơ ra khỏi vị trí này nhưng không chiếm giữ vị trí này do đó phục hoạt chức năng của cholinesterase.

Có thể thấy ví dụ khác về cấu trúc của protein như thụ thể GABAA chất đồng vận của thụ thể này là GABA, khi chất này gắn vào vị trí sẽ làm mở kênh Chloride tạo tình trạng hyperpolarization rượu, barbiturates và benzodiazepines (diazepam ect) cũng như một số steroids nội sinh chuyển hóa từ hormone sinh dục khi gắn vào vị trí của chúng làm kênh chloride này mở rộng hơn, trong khi picrotoxin làm đóng kênh chloride. Tất cả vị trí gắn kết đều không phải là vị trí gắn GABA. Vì vậy trên thụ thể GABAA GABA là agonist; alcohol, barbiturates, benzodiazepines và steroids nội sinh là allosteric activator (chất hoạt hóa ở vị trí khác-allo:khác; steric: cấu hình lập thể), picrotoxin là allosteric inhibitor (chất ức chế ở vị trí khác)

Hình 10.14: thụ thể GABAA và các vị trí gắn kết.

Quan niệm trên hiện nay là nền tảng của sự giải thích cơ chế tác động của các thuốc có phân tử nhỏ (small molecule drugs) trên thụ thể cũng như các loại protein khác kể cả enzymes.

Sửa lần cuối ngày 31/1/2013 - www.docsachysinh.com  

 Hãy cùng nhau chung tay xây dựng cộng đồng Y sinh học của Việt Nam bằng tri thức khoa học!

 Diễn đàn Đọc sách Y Sinh