Cao Đăng Nguyên, Hồ Trung Thông 1 Protein và vai trò sinh học của chúng

Phạm Thị Trân Châu, Trần Thị Áng, 1999. Hóa sinh học. NXB Giáo dục, Hà Nội.

Nguyễn Thị Hảo, 2005. Vitamin. Trong: Hóa sinh y học; biên soạn bởi Đỗ Đình Hồ (chủ biên), Đông Thị Hoài An, Nguyễn Thị Hảo, Phạm Thị Mai, Trần Thanh Lan Phương, Đỗ Thị Thanh Thủy, Lê Xuân Trường; trang 35-61. NXB Y học, Tp. Hồ Chí Minh.

Loeffler G., 1998. Lipide. In: Biochemie und Pathobiochemie, 6. Auflage (Loeffler G., Petrides P. E., Hrsg.), pp. 135-147. Springer Verlag, Berlin, Germany.

McDonald P., Edwards R. A., Greenhalgh J. F. D., Morgan C. A., 1995. Animal Nutrition, fifth edition. Longman Scientific & Technical, New York - USA, pp. 9-27.

Nelson D. L., Cox M. M., 2005. Lehninger Principles of Biochemistry, Fourth Edition. Freeman and Company, New York, USA.

6.1 Enzyme - động lực của quá trình sống

Trong các tế bào của cơ thể sống luôn luôn xảy ra quá trình trao đổi chất. Sự trao đổi chất ngừng thì sự sống không còn tồn tại. Quá trình trao đổi của một chất là tập hợp các quy luật của rất nhiều phản ứng hoá học khác nhau. Các phản ứng hoá học phức tạp này có liên quan chặt chẽ với nhau và điều chỉnh lẫn nhau. Enzyme là các hợp chất có bản chất protein xúc tác cho các phản ứng hoá học đó. Chúng có khả năng xúc tác đặc hiệu các phản ứng hóa học nhất định và đảm bảo cho các phản ứng xảy ra theo một chiều hướng nhất định với tốc độ nhịp nhàng trong cơ thể sống.

Chúng có trong tất cả các loại tế bào của cơ thể sống. Enzyme còn được gọi là chất xúc tác sinh học (biocatalysator) nhằm để phân biệt với các chất xúc tác hoá học.

6.1.2 Vài nét về quá trình phát hiện và nghiên cứu enzyme

Enzyme học được coi như cột sống của hoá sinh học cho nên phần lớn các nghiên cứu hoá sinh từ trước đến nay đều liên quan nhiều đến enzyme.

Trước thế kỷ 17 người ta đã biết sử dụng các quá trình enzyme  trong đời sống, tuy nhiên chỉ có tính chất kinh nghiệm thực tế và thông qua hoạt động của vi sinh vật. Sau thế kỷ 17 người ta đã khái quát hiện tượng lên men như là hiện tượng phổ biến trong sự sống và enzyme là yếu tố gây nên sự chuyển hoá các chất trong quá trình lên men. Đầu thế kỷ 19 đã có  những nghiên cứu ghi nhận sự có mặt của enzyme trong quá trình tiêu hoá ở nước bọt, dạ dày và ruột. Từ các khái niệm “enzyme có tổ chức” (enzyme không thể tách khỏi tế bào được) và “enzyme không có tổ chức” (enzyme có thể thực hiện tính xúc tác của chúng ngoài cơ thể) của Pasteur (1856) đến kết quả thực nghiệm của Buchner (1897) là cả một quá trình nhằm chứng minh cho sự tham gia của các enzyme vốn có trong tế bào nấm men trong việc chuyển hoá đường thành rượu. Năm 1926, Sumner kết tinh được enzyme urease lần đầu tiên. Sau đó Northrop (1930) kết tinh được pepsin, Northrop và Kunitz (1931) kết tinh được trypsin đã cho phép xác định được một cách dứt khoát bản chất của enzyme là protein và đặt nền móng cho những nghiên cứu cơ bản về enzyme.

Những thành tựu nghiên cứu cơ bản về enzyme là cơ sở để phát triển các nghiên cứu ứng dụng enzyme trong thực tế. Hiện có trên 30 ngành sản xuất khác nhau đã sử dụng tới các chế phẩm của enzyme. Con số này ngày càng tăng và số lượng enzyme ngày càng lớn. So với các chất hóa học, enzyme có những tính chất ưu việt hơn hẳn như: phản ứng xúc tác có thể diễn ra ngay ở những điều kiện bình thường về áp suất, pH và nhiệt độ. Chúng có thể tác động ở nồng độ rất thấp. Phản ứng do enzyme xúc tác là những phản ứng có tính đặc hiệu rất cao, ít sinh ra các sản phẩm phụ. Vì vậy, chúng tạo điều kiện rất thuận lợi cho việc tiến hành các quá trình sản xuất công nghiệp. Tuy nhiên, ta có thể điều chỉnh dễ dàng các chuyển hóa của enzyme. Nó có thể được sử dụng trong nhiều lĩnh vực.

Enzyme thường được sử dụng theo 2 cách:

- Không tách enzyme khỏi nguyên liệu mà chỉ tạo điều kiện cho một số enzyme sẵn có trong nguyên liệu để chúng chuyển hóa các chất có cùng trong nguyên liệu ấy theo hướng mong muốn.

- Tách enzyme khỏi nguyên liệu ở dạng chế phẩm để sử dụng khi cần thiết. Do đó có thể tận dụng các nguồn nguyên liệu giàu enzyme để tách enzyme, dùng chế phẩm enzyme này để chế biến các nguyên liệu khác nhau hoặc sử dụng vào những mục đích khác nhau. Việc sử dụng enzyme theo cách này ngày càng phát triển đã dẫn đễn việc hình thành ngành công nghiệp enzyme ở nhiều nước, hàng năm sản xuất hàng trăm tấn chế phẩm enzyme để phục vụ cho các ngành sản xuất khác nhau và cho y học.

Như vậy, enzyme - một trong những tác nhân sinh học ở mức độ dưới tế bào, đã tham gia một cách tích cực vào các quá trình thuộc lĩnh vực công nghệ sinh học. Từ đó công nghệ enzyme đã trở thành một nhánh quan trọng của công nghệ sinh học.

6.2 Tên gọi và phân loại enzyme

6.2.1 Cách gọi tên enzyme

Trong thời gian đầu khi enzyme học chưa phát triển, người ta thường gọi tên enzyme một cách tùy tiện, tùy theo tác giả. Ví dụ như các tên pepsin, trypsin, chymotrypsin hiện nay vẫn được dùng gọi là tên thường dùng.

Sau đó, người ta thường gọi tên enzyme bằng cách lấy tên cơ chất đặc hiệu của enzyme cộng thêm tiếp vị ngữ “ase”. Ví dụ, urease là enzyme tác dụng lên urea, protease là enzyme tác dụng lên protein, lipase là enzyme tác dụng vào lipid, amylase là enzyme tác dụng lên tinh bột.

Đối với các nhóm enzyme cùng xúc tác một loại phản ứng, người ta lấy tên của phản ứng enzyme thêm tiếp vị ngữ “ase”, ví dụ những enzyme xúc tác sự oxy hoá được gọi là oxydase, những enzyme khử hydrogen được gọi là dehydrogenase, ...

Tên gọi đầy đủ, chính xác theo quy ước quốc tế - tên gọi hệ thống của enzyme được gọi theo tên cơ chất đặc hiệu của chúng cùng với tên của kiểu phản ứng mà chúng xúc tác, cộng thêm tiếp vị ngữ “ase”, ví dụ enzyme xúc tác cho sự thủy phân urea (carbamid) có tên hệ thống là carbamid-amidohydrolase (tên thường dùng là urease).

Mục đích của việc phân loại enzyme là để nhấn mạnh một cách chính xác và tổng quát, mối quan hệ và những điều giống nhau của một loại enzyme.

Tiểu ban về enzyme (Enzyme Commission: EC) được thành lập bởi Hội Hoá sinh quốc tế (International Union of Biochemistry: IUB) đã đưa ra cách phân loại thống nhất dựa trên các loại phản ứng và cơ chế phản ứng. Theo cách phân loại này thì enzyme được chia ra làm sáu lớp lớn đánh số từ 1 đến 6. Các số thứ tự này là cố định cho mỗi lớp.

Sáu lớp enzyme theo phân loại quốc tế gồm có:

Mỗi lớp lại được chia thành nhiều lớp phụ và phân lớp phụ, rồi sau đó thứ tự của enzyme trong phân lớp phụ.

Như vậy, mỗi enzyme trong hệ thống được phân loại và đặt tên theo mã 4 chữ số biểu thị phản ứng xúc tác: con số đầu chỉ lớp, số thứ hai chỉ lớp phụ, số thứ ba chỉ phân lớp phụ, số thứ tư chỉ rõ số bậc thứ tự của enzyme.

Ví dụ, enzyme xúc tác cho phản ứng:

Ví dụ: Ethanol + NAD⁺  acetaldehyde + NADH + H⁺

có tên gọi là alcohol dehydrogenase (ADH) Có tên quốc tế theo khóa phân loại là:

Alcohol: NAD oxydoreductase, EC 1.1.1.1

Trong đó, mã số 1 đầu tiên biểu thị tên lớp enzyme là oxydoreductase (lớp 1); mã số 1 thứ hai biểu thị lớp phụ 1: tác dụng lên nhóm CH - OH của các chất cho; mã số 1 thứ ba biểu thị phân lớp phụ 1: chất nhận là NAD hay NADP và mã số 1 cuối cùng chỉ số thứ tự của enzyme.

Như vậy, trong cách gọi hệ thống của enzyme ADH trên có tên của cơ chất và của coenzyme cũng như tên của quá trình chuyển hoá hóa học được xúc tác với tận cùng “ase”. Sau tên của enzyme là số của nó theo danh sách các enzyme do tiểu ban về enzyme đề ra.

6.3 Cấu trúc của enzyme

Enzyme có khả năng và hiệu lực xúc tác rất lớn, có tính đặc hiệu rất cao. Để đảm bảo cho chức năng của enzyme là chất xúc tác sinh học, cấu trúc của enzyme phải rất tinh vi và phức tạp.

Từ gần một thế kỷ trước đây, các nhà khoa học đã đổ xô vào việc xác định bản chất hoá học của enzyme. Cho đến nay, có thể nói rằng, ngoài một nhóm nhỏ phân tử RNA có hoạt tính xúc tác, tuyệt đại đa số enzyme có bản chất protein và sự thể hiện hoạt tính xúc tác phụ thuộc vào cấu trúc bậc 1, 2, 3 và 4 của phân tử protein và trạng thái tự nhiên của nó. Thực tế là bản chất hoá học của enzyme chỉ được xác định đúng đắn từ sau khi kết tinh được enzyme. Enzyme đầu tiên nhận được ở dạng tinh thể là urease của đậu tương (Sumner, 1926), tiếp theo là pepsin và trypsin (Northrop và Kunitz, 1930, 1931). Sau đó những tác giả khác cũng đã kết tinh được một số enzyme khác và có đủ bằng chứng xác nhận các tinh thể protein nhận được chính là các enzyme.

Kết quả nghiên cứu tính chất hoá lý của enzyme đã cho thấy enzyme có tất cả các thuộc tính hoá học của các chất protein về hình dạng phân tử: đa số enzyme có dạng hình cầu (dạng hạt). Tỷ lệ giữa trục dài và trục ngắn của phân tử vào khoảng 1 - 2 hoặc 4 - 6.

Về khối lượng phân tử: các enzyme có khối lượng phân tử lớn, thay đổi rất rộng từ 1.2000 dalton đến 1.000.000 dalton hoặc lớn hơn. Ví dụ ribonuclease có khối lượng phân tử là 12.700, glutamate dehydrogenase có khối lượng phân tử là 1.000.000. Đa số enzyme có khối lượng phân tử từ 20.000 đến 90.000 hoặc vài trăm nghìn. Do kích thước phân tử lớn, các enzyme không đi qua được màng bán thấm. Enzyme tan trong nước, khi tan tạo thành dung dịch keo; chúng cũng tan trong dung dịch muối loãng, glycerin và các dung môi hữu cơ phân cực khác. Enzyme không bền và dễ dàng bị biến tính dưới tác dụng của nhiệt độ cao. Enzyme bị biến tính thì mất khả năng xúc tác. Mức độ giảm hooạt tính của enzyme tương ứng với mức độ biến tính của protein trong chế phẩm. Kiềm, acid mạnh, kim loại nặng cũng làm cho enzyme biến tính. Cũng như protein, enzyme cũng có tính chất lưỡng tính.

Cũng như protein, enzyme có thể là protein đơn giản hoặc protein phức tạp. Trên cơ sở đó, người ta thường phân enzyme thành hai nhóm: enzyme một thành phần (enzyme một cấu tử) và enzyme hai thành phần (enzyme hai cấu tử). Trường hợp enzyme là một protein đơn giản được gọi là enzyme một thành phần. Trường hợp enzyme là một protein phức tạp nghĩa là ngoài protein đơn giản còn có một nhóm ngoại nào đó không phải protein được gọi là enzyme hai thành phần.

Phần protein của enzyme hai thành phần được gọi là apoprotein hay apoenzyme, còn phần không phải protein được gọi là nhóm ngoại hoặc coenzyme. Phần không phải protein thường là những chất hữu cơ đặc hiệu có thể gắn chặt vào phần protein hoặc chỉ liên kết lỏng lẻo với protein và có thể tách khỏi phần protein khi cho thẩm tích qua màng. Coenzyme là phần không phải protein của enzyme trong trường hợp khi chúng dễ tách khỏi phần apoenzyme khi cho thẩm tích qua màng bán thấm và có thể tồn tại độc lập. Phần không phải protein của enzyme được gọi là nhóm ngoại hay nhóm prosthetic, khi nó liên kết chặt chẽ với phần protein của enzyme bằng liên kết đồng hoá trị. Một phức hợp hoàn chỉnh gồm cả apoenzyme và coenzyme được gọi là holoenzyme. Một coenzyme khi kết hợp với các apoenzyme tạo thành các holoenzyme khác nhau xúc tác cho quá trình chuyển hoá các chất khác nhau nhưng giống nhau về kiểu phản ứng. Coenzyme trực tiếp tham gia phản ứng xúc tác, giữ vai trò quyết định kiểu phản ứng mà enzyme xúc tác và làm tăng độ bền của apoenzyme đối với các yếu tố gây biến tính. Còn apoenzyme có tác dụng nâng cao hoạt tính xúc tác của coenzyme và quyết định tính đặc hiệu của enzyme. Các coenzyme thường là các dẫn xuất của các vitamin hòa tan trong nước. Cần chú ý là sự phân biệt coenzyme và nhóm ngoại chỉ là tương đối, vì khó có thể có một tiêu chuẩn thật rành mạch để phân biệt “liên kết chặt chẽ” và “liên kết không chặt chẽ”, nhất là trong những năm gần đây, người ta đã chứng minh được rằng, nhiều coenzyme cũng kết hợp vào apoenzyme của chúng bằng liên kết đồng hóa trị. Do đó, ngày nay người ta ít chú ý đến sự phân biệt coenzyme và nhóm ngoại. Ngoài ra, trong thành phần cấu tạo, rất nhiều enzyme có chứa kim loại. Thuộc loại enzyme hai thành phần gồm có hầu hết các enzyme của các lớp 1, 2, 4, 5, 6. Các enzyme thủy phân (lớp 3) thường là enzyme một thành phần có chứa ion kim loại hoặc đòi hỏi ion kim loại làm cofactor.

6.3.3 Trung tâm hoạt động của enzyme

Toàn bộ cấu trúc không gian của phân tử enzyme có vai trò quan trọng đối với hoạt tính xúc tác của enzyme. Tuy nhiên, hoạt động của enzyme liên hệ trực tiếp với một phần xác định trong phân tử enzyme. Trung tâm hoạt động của enzyme là phần của phân tử enzyme trực tiếp kết hợp với cơ chất, tham gia trực tiếp trong việc tạo thành và chuyển hóa phức chất trung gian giữa enzyme và cơ chất để tạo thành sản phẩm phản ứng. Trung tâm hoạt động bao gồm nhiều nhóm chức năng khác nhau của amino acid, phân tử nước liên kết và nhiều khi có cả cofactor (coenzyme) hữu cơ và vô cơ.

Ở các enzyme một thành phần, trung tâm hoạt động thường bao gồm một tổ hợp các nhóm chức năng của amino acid không tham gia tạo thành trục chính của sợi polypeptide. Ví dụ nhóm - SH của cysteine, - OH của serine, threonine và tyrosine,  - NH₂ của lysine, -COOH của glutamic acid, aspartic acid, vòng imidazol của histidine, indol của tryptophan, nhóm guanidin của arginine. Các nhóm này có thể ở xa nhau trong mạch polypeptide nhưng lại gần nhau trong không gian, được định hướng xác định trong không gian cách nhau những khoảng cách nhất định sao cho chúng có thể tương tác với nhau trong quá trình xúc tác. Ví dụ: trung tâm hoạt động của -chymotrypsin bao gồm nhóm hydroxyl của Ser - 195, imidazol của His-57 và nhóm carboxyl của Asp-102. Các gốc này ở khá xa nhau trong chuỗi polypetid nhưng giữa các nhóm chức năng của chúng chỉ cách nhau từ 2,8 - 3,0Å.

Trung tâm hoạt động của các enzyme hai thành phần thường bao gồm nhóm ngoại (vitamin, ion kim loại, ...) và các nhóm chức năng của các amino acid ở phần apoenzyme. Sự tương ứng về cấu hình không gian giữa trung tâm hoạt động và cơ chất được hình thành trong quá trình enzyme tiếp xúc với cơ chất.

Giả thuyết này tuy cũng giải thích được một số hiện tượng nhưng không giải thích thỏa đáng được nhiều kết quả thu được trong thực nghiệm. Vì vậy, Koshland đã đưa ra một giả thuyết khác hấp dẫn và tế nhị hơn. Theo thuyết này thì đặc điểm của vùng trung tâm hoạt động là rất mềm dẻo và linh hoạt, các nhóm chức năng của trung tâm hoạt động của enzyme tự do chưa ở tư thế sẵn sàng hoạt động, khi tiếp xúc với cơ chất, các nhóm chức năng ở trong phần trung tâm hoạt động của phân tử enzyme thay đổi vị trí trong không gian, tạo thành hình thể khớp với hình thể của cơ chất (hình 6.1.b). Cũng vì vậy, người ta gọi mô hình này là mô hình “tiếp xúc cảm ứng” hoặc “khớp cảm ứng”.

Giữa cơ chất và trung tâm hoạt động tạo thành nhiều tương tác yếu, do đó có thể dễ dàng bị cắt đứt trong quá trình phản ứng để giải phóng enzyme và sản phẩm phản ứng. Trung tâm hoạt động của các enzyme có cấu trúc bậc 4 có thể nằm trên một phần dưới đơn vị (subunit) hoặc bao gồm các nhóm chức năng thuộc các phần dưới đơn vị khác nhau.

6.3.4 Các dạng phân tử của enzyme

Trong cấu trúc phân tử của enzyme, tính chất tinh vi và phức tạp không chỉ giới hạn ở phạm vi từng phân tử, từ thành phần cấu tạo và các bậc cấu trúc cho đến cấu tạo của trung tâm hoạt động cùng với vai trò của các nhóm chức năng mà còn thể hiện ở tính đa dạng của các phân tử enzyme. Tính đa dạng của nhiều enzyme khác nhau đã được phát hiện ở các cơ thể sống khác nhau từ người, động vật, thực vật đến vi sinh vật. Người ta thấy rằng có những enzyme xúc tác cùng một phản ứng hóa học và có cùng tính đặc hiệu cơ chất nhưng có nguồn gốc khác nhau cho nên thể hiện nhiều tính chất khác nhau. Aldolase có nguồn gốc từ nấm men có nhiều tính chất khác với aldolase của mô động vật; pepsin, trypsin, chymotrypsin, xanthin - oxydase và lysozyme cũng có những dạng phân tử khác nhau. Nhiều enzyme tương tự nhau thu được từ cùng một loại mô nhưng của những loài khác nhau cũng có những tính chất khác biệt nhau: -amylase của dịch nước bọt và dịch tụy của người thì giống nhau, nhưng chúng khác với -amylase thu được từ tụy lợn về độ hòa tan, về pH thích hợp và một số tính chất khác. Những enzyme có nguồn gốc từ những mô khác nhau của cùng một loài, tuy xúc tác cùng một loại phản ứng hóa học, nhưng khác nhau rất rõ rệt về tính đặc hiệu cơ chất như trường hợp của những cholinesterase. Những enzyme xúc tác những phản ứng chuyển hóa giống nhau trong các tế bào của nhiều mô khác nhau có tính chất đặc hiệu cơ quan, ví dụ lactate dehydrogenase của cơ tim và cơ xương khác nhau rõ rệt về tốc độ di chuyển điện di và nhiều tính chất khác. Ngay trong một mô hay một cơ quan, cũng tồn tại những dạng phân tử khác nhau: trong cơ tim ít nhất cũng có hai dạng phân tử của lactate dehydrogenase có tốc độ di chuyển điện di khác nhau, từ nấm men có thể tách ra được bốn dạng phân tử của phosphoglyceraldehyde dehydrogenase. Trong một tế bào, một enzyme nào đó cũng có thể có những dạng phân tử khác nhau tồn tại trong các bộ phần khác nhau của tế bào, ví dụ aspartate aminotransferase có dạng phân tử trong ti thể khác với dạng phân tử của enzyme này ở bào tương.

Như vậy, tính đa dạng của các phân tử enzyme có thể thể hiện ở nhiều mức độ, từ các loài khác nhau đến các mô hay cơ quan khác nhau của cùng một cơ thể và ngay cả các bộ phận khác nhau của cùng một tế bào. Các dạng phân tử khác nhau của cùng một enzyme, tuy cùng có chức năng xúc tác một phản ứng hóa học giống nhau nhưng vì cấu trúc phân tử của chúng đều ít nhiều có khác nhau do đó chúng có những tính chất khác nhau về hóa học, vật lý, miễn dịch, ... thậm chí ngay cả động học và tính đặc hiệu của phản ứng enzyme.

Theo kiến nghị chính thức của Ủy ban thường trực về enzyme của Hội Hóa sinh Quốc tế, danh từ isoenzyme được dùng để chỉ những dạng phân tử khác nhau của một enzyme tồn tại trong một loài; ngoài danh từ này, danh từ isozyme cũng được quen dùng.

Theo một số tác giả, khi phân loại các dạng phân tử khác nhau của enzyme, phải phân biệt giữa isoenzyme và heteroenzyme. Danh từ isoenzyme chỉ dành cho những dạng phân tử của một enzyme có nguồn gốc từ cùng một cơ quan và mô cũng như phải có cùng hoạt động xúc tác như nhau; danh từ heteroenzyme dành cho những dạng phân tử cùng có hoạt động xúc tác giống nhau nhưng có thể có nguồn gốc từ các cơ quan hoặc loài khác nhau.

Trong các isoenzyme đã trình bày, các isoenzyme lactate dehydrogenase được nghiên cứu đặc điệt kỹ do chúng có ý nghĩa về mặt chẩn đoán bệnh. Chúng có 5 dạng phân tử tetrame có thể phân chia được riêng rẽ bằng điện di thành các cấu tử rất khác nhau.

Trong cơ thể sống, ngoài các enzyme polymer - những enzyme có cấu trúc bậc bốn, do nhiều đơn vị nhỏ cấu tạo nên; còn tồn tại hệ thống nhiều enzyme hay còn gọi là hệ thống multienzyme. Đó là những hệ thống gồm các enzyme có liên quan với nhau, xúc tác cho dây chuyền phản ứng của một quá trình trao đổi chất xác định, trong đó sản phẩm của phản ứng do enzyme trước xúc tác là cơ chất của enzyme xúc tác cho phản ứng tiếp theo.

E₁

E₂

E₃

Có thể minh họa hệ thống gồm 3 enzyme E₁, E₂, E₃ xúc tác cho dây chuyền phản ứng như sau:

  A   B    C  D