Enzym

Bách khoa toàn thư mở Wikipedia
Bước tới: menu, tìm kiếm
Cấu trúc protein của enzym TIM. TIM là một enzym cực kỳ hiệu quả trong quá trình chuyển đổi đường thành năng lượng cho cơ thể.

Enzym hay enzim (tiếng Anh: enzyme) là chất xúc tác sinh học có thành phần cơ bản là protein.

Trong cuộc sống sinh vật xảy ra rất nhiều phản ứng hóa học, với một hiệu suất rất cao, mặc dù ở điều kiện bình thường về nhiệt độ, áp suất, pH. Sở dĩ như vậy vì nó có sự hiện diện của chất xúc tác sinh học được gọi chung là enzym.

Như vậy, enzym là các protein xúc tác các phản ứng hóa học. Trong các phản ứng này, các phân tử lúc bắt đầu của quá trình được gọi là cơ chất (substrate), enzym sẽ biến đổi chúng thành các phân tử khác nhau. Tất cả các quá trình trong tế bào đều cần enzym. Enzym có tính chọn lọc rất cao đối với cơ chất của nó.

Hầu hết phản ứng được xúc tác bởi enzym đều có tốc độ cao hơn nhiều so với khi không được xúc tác. Có trên 4 000 phản ứng sinh hóa được xúc tác bởi enzym.

Hoạt tính của enzym chịu tác động bởi nhiều yếu tố. Chất ức chế là các phân tử làm giảm hoạt tính của enzym, trong khi yếu tố hoạt hóa là những phân tử làm tăng hoạt tính của enzym.

Lịch sử[sửa | sửa mã nguồn]

Ngay từ cuối thể kỷ 17 và đầu thế kỷ 18, sự tiêu hóa thịt bằng các chất tiết ra từ dạ dày[1] và sự chuyển hóa tinh bộ thành đường bởi các chất tiết ra ở thực vật và nước bọt đã được biết đến. Tuy nhiên, cơ chế của các quá trình vẫn chưa được xác định.[2]

Năm 1833, Nhà hóa học Pháp Anselme Payen đã phát hiện ra enzym đầu tiên, diastase. Một vài thập niên sau, khi việc nghiên cứu lên men đường thành rượu bằng nấm men, Louis Pasteur đã đi đến kết luận tằng quá trình lên men được xúc tác bởi một yếu tố quan trọng có trong tế bào nấm men được gọi là "ferments", nó được cho là chỉ có chức năng trong các sinh vật còn sống. Ông đã viết rằng "lên men rượu là một phản ứng có liên quan đến đời sống và tổ chức của các tế bào nấm men chứ không phải là các tế bào chết.[3]

Năm 1877, nhà vật lý học người Đức Wilhelm Kühne đã sử dụng từ enzyme, trong tiếng Hy Lạp là ενζυμον, có nghĩa là "trong men", để miêu tả quá trình này.[4]

Năm 1897, Eduard Buchner đã gởi bài báo đầu tiên về khả năng chiết xuất men từ các tế bào nấm men còn sống để lên men đường. Trong một loại các thí nghiệm tại Đại học Berlin, ông nhận thấy rằng đường được lên men thậm chí không có mặt các tế bào nấm men trong hỗn hợp.[5] Ông đặt tên enzym lên men sucrose đó là "zymase".[6] Năm 1907, ông đã nhận được giải Nobel hóa học "cho nghiên cứu sinh hóa của ông và phát hiện của 6ng về sự lên men không có tế bào". Theo sau ví dụ của Buchner, các enzym thường được đặt tên theo phản ứng mà nó diễn ra. Đặc biệt, để đặt tên cho một enzym, cần phải thêm tiếp vị ngữ -ase vào tên của chất nền (như lactase là enzym phân giải lactose) hay loại phản ứng (như DNA polymerase tạo ra các polymer DNA).[7]

Tính chất của enzym[sửa | sửa mã nguồn]

  1. enzym có bản chất là protein nên có tất cả thuộc tính lý hóa của protein. Đa số enzym có dạng hình cầu và không đi qua màng bán thấm do có kích thước lớn.
  2. tan trong nước và các dung môi hữu cơ phân cực khác, không tan trong ete và các dung môi không phân cực.
  3. không bền dưới tác dụng của nhiệt độ, nhiệt độ cao thì enzym bị biến tính. Môi trường axít hay bazơ cũng làm enzym mất khả năng hoạt động.
  4. enzym có tính lưỡng tính: tùy pH của môi trường mà tồn tại ở các dạng: cation, anion hay trung hòa điện.
  5. enzym chia làm hai nhóm: enzym một cấu tử (chỉ chứa protein) như pepsin, amylase... và các enzym hai cấu tử (trong phân tử còn có nhóm không phải protein)

Trong phân tử enzym hai cấu tử có hai phần

  • apoenzym: phần protein (nâng cao lực xúc tác của enzym, quyết định tính đặc hiệu)
  • coenzym: phần không phải protein (trực tiếp tham gia vào phản ứng enzym), bản chất là những hợp chất hữu cơ phức tạp.

Trung tâm hoạt động của enzym[sửa | sửa mã nguồn]

  1. Trong quá trình xúc tác của enzym vùng cấu trúc không gian đặc biệt tham gia trực tiếp vào phản ứng để kết hợp với cơ chất gọi là "trung tâm hoạt động".
  2. Cấu tạo đặc biệt của trung tâm hoạt động quyết định tính đặc hiệu và hoạt tính xúc tác của enzym.
  3. Trong "enzym 1 cấu tử", các acid amin thường phân bố trên những phần khác nhau của mạch polypeptid nhưng nằm kề nhau trong không gian tạo thành trung tâm hoạt động. Sự kết hợp của các nhóm chức của các acid amin, thường gặp là -SH của cysteine, -OH của serine, vòng imidazol của histidine, w-COOH của aspartie và acid glutamic, -COOH của các acid amin cuối mạch...
  4. Trong "enzym hai cấu tử" ngoài mạch polypeptid mà các nhóm chức kết hợp để tạo trung tâm hoạt động, còn có các nhóm chức coenzym và các nhóm ngoại khác kết hợp tạo thành trung tâm hoạt động
  5. Ở enzym chứa kim loại, các ion kim loại cũng tham gia vào việc tạo trung tâm hoạt động
  6. Trong các nhóm chức tham gia tạo trung tâm hoạt động cần phân biệt hai nhóm: "tâm xúc tác" (tham gia trực tiếp vào hoạt động xúc tác của enzym) và "nền tiếp xúc" (giúp enzym kết hợp đặc hiệu với cơ chất)
  7. Một enzym có thể có 2 hoặc nhiều trung tâm hoạt động, tác dụng của các trung tâm hoạt động không phụ thuộc vào nhau.

Các cơ chất kết hợp với trung tâm hoạt động tạo phức hợp enzym-cơ chất (ES)

E + S → ES->ES++ → E + P
S:cơ chất
P:sản phẩm
  • Yêu cầu: E và S phải bổ sung về mặt không gian và hợp nhau về mặt hóa học, có khả năng hình thành nhiều liên kết yếu với nhau. Chúng liên kết sao cho có thể tạo ra và cắt đứt sự dính nhau được gây nên do biến động nhiệt ngẫu nhiên ở nhiệt độ thường.
  • Trong một số enzym còn có "trung tâm dị không gian" - những phần enzym khi kết hợp với các chất có phân tử nhỏ nào đó sẽ làm biến đổi cấu trúc bậc ba của toàn bộ phân tử enzym làm cấu trúc trung tâm hoạt động thay đổi → biển đổi hoạt tính của enzym.

Tính đặc hiệu của enzym[sửa | sửa mã nguồn]

Enzym chỉ tác dụng lên một số cơ chất và một số kiểu nối hóa học nhất định trong phản ứng→tính đặc hiệu

  1. Đặc hiệu lập thể: chỉ tác dụng lên một dạng đồng phân quang học. Enzym cũng thể hiện tính đặc hiệu với các đồng phân hình học: chỉ tác dụng lên một dạng đồng phân cis hoặc trans
  2. Đặc hiệu tuyệt đối: Enzym chỉ có khả năng tác dụng lên một cơ chất nhất định. Cấu trúc trung tâm hoạt động của enzym phải kết hợp chặt chẽ với cấu trúc của cơ chất, một khác biệt nhỏ về cấu trúc của cơ chất cũng làm enzym không xúc tác được.
  3. Đặc hiệu tương đối: enzym có tác dụng lên một kiểu nối hóa học nhất định trong phân tử cơ chất mà không phụ thuộc vào bản chất hóa học của các cấu tử tham gia tạo thành liên kết đó
  4. Đặc hiệu nhóm: Enzym có khả năng tác dụng lên một kiểu liên kết nhất định khi một hay hai cấu tử tham gia tạo thành liên kết này có cấu tạo nhất định.

Hoạt độ enzym[sửa | sửa mã nguồn]

Hoạt độ của enzym là đơn vị dùng để đo khả năng xúc tác của enzym. Đơn vị hoạt độ là lượng cơ chất mà emzym xúc tác chuyển hóa hoặc lượng sản phẩm được tạo thành trong một thời gian và các điều kiện như nhiệt độ, pH,... xác định.

Chú thích[sửa | sửa mã nguồn]

  1. ^ de Réaumur, RAF (1752). “Observations sur la digestion des oiseaux”. Histoire de l'academie royale des sciences 1752: 266, 461. 
  2. ^ Williams, H. S. (1904) A History of Science: in Five Volumes. Volume IV: Modern Development of the Chemical and Biological Sciences Harper and Brothers (New York) Accessed 4 April 2007
  3. ^ Dubos J. (1951). “Louis Pasteur: Free Lance of Science, Gollancz. Quoted in Manchester K. L. (1995) Louis Pasteur (1822–1895)—chance and the prepared mind”. Trends Biotechnol 13 (12): 511–5. doi:10.1016/S0167-7799(00)89014-9. PMID 8595136. 
  4. ^ Kühne coined the word "enzyme" in: W. Kühne (1877) "Über das Verhalten verschiedener organisirter und sog. ungeformter Fermente" (On the behavior of various organized and so-called unformed ferments), Verhandlungen des naturhistorisch-medicinischen Vereins zu Heidelberg, new series, vol. 1, no. 3, pages 190–193. The relevant passage occurs on page 190: "Um Missverständnissen vorzubeugen und lästige Umschreibungen zu vermeiden schlägt Vortragender vor, die ungeformten oder nicht organisirten Fermente, deren Wirkung ohne Anwesenheit von Organismen und ausserhalb derselben erfolgen kann, als Enzyme zu bezeichnen." (Translation: In order to obviate misunderstandings and avoid cumbersome periphrases, [the author, a university lecturer] suggests designating as "enzymes" the unformed or not organized ferments, whose action can occur without the presence of organisms and outside of the same.)
  5. ^ Nobel Laureate Biography of Eduard Buchner at http://nobelprize.org. Retrieved 4 April 2007.
  6. ^ Text of Eduard Buchner's 1907 Nobel lecture at http://nobelprize.org. Retrieved 4 April 2007.
  7. ^ The naming of enzymes by adding the suffix "-ase" to the substrate on which the enzyme acts, has been traced to French scientist Émile Duclaux (1840–1904), who intended to honor the discoverers of diastase – the first enzyme to be isolated – by introducing this practice in his book Traité de Microbiologie, vol. 2 (Paris, France: Masson and Co., 1899). See Chapter 1, especially page 9.