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

Enzyme dị lập thể (allosteric enzyme) có tên gọi từ tiếng Hilạp allos có nghĩa là khác và stereos có nghĩa lập thể, không gian. Đó là những enzyme có tác dụng điều chỉnh đặc hiệu trên những vị trí then chốt của mạng lưới chuyển hóa, đặc biệt là những quá trình sinh tổng hợp. Trong phân tử của enzyme dị lập thể, ngoài trung tâm hoạt động làm chức năng xúc tác, còn có một số vị trí khác có thể tương tác với các chất khác gọi là trung tâm allosteric (trung tâm điều hòa, trung tâm dị lập thể, trung tâm dị không gian). Các chất kết hợp vào các trung tâm này gọi là các chất điều hòa allosteric (chất điều hòa dị lập thể). Enzyme dị lập thể thay đổi hoạt độ xúc tác thông qua sự thay đổi cấu hình không gian của phân tử enzyme, của trung tâm hoạt động khi gắn với các chất điều hòa dị lập thể. Nếu làm tăng hoạt độ gọi là chất điều hòa dương; nếu làm giảm hoạt độ gọi là các chất điều hòa âm. Các chất điều hòa này kết hợp với enzyme nhưng không bị chuyển hóa dưới tác dụng của enzyme mà nó kết hợp.

Enzyme dị lập thể thường là những enzyme có cấu trúc bậc bốn, do các đơn vị nhỏ cấu tạo nên; trong phân tử thường có 2 hay một số trung tâm hoạt động, có thể kết hợp với 2 hay một số phân tử cơ chất. Cơ chất có thể thực hiện chức năng của chất điều hòa - điều hòa homotropic (đồng hợp, đồng hướng). Các chất điều hòa có cấu trúc khác cơ chất - điều hòa heterotropic (dị hợp, dị hướng). Tuy nhiên phần lớn các enzyme dị lập thể thuộc kiểu hỗn hợp đồng và dị hợp nghĩa là hoạt động của chúng có thể được điều hòa nhờ cơ chất và các chất trao đổi khác.

6.3.7 Tiền chất của enzyme (proenzyme, zymogen)

Phần lớn các enzyme được tổng hợp trong cơ thể thành những phân tử enzyme có hoạt tính, nhưng có những enzyme như các protease của tuyến tụy, dạ dày cũng như các protease xúc tác cho quá trình đông máu thường được tổng hợp nên qua một dạng trung gian chưa có hoạt tính xúc tác gọi là zymogen hoặc proenzyme. Đó là những tiền chất để tạo thành enzyme, chứ không phải là enzyme thực sự. Những chất này không có hoạt tính, phải trải qua một quá trình biến đổi, sắp xếp lại cấu trúc phân tử mới trở thành enzyme hoạt động được. Quá trình chuyển hóa proenzyme thành enzyme có hoạt tính gọi là quá trình hoạt hóa, được thực hiện nhờ sự tự xúc tác hoặc do các enzyme khác xúc tác. Quá trình hoạt hóa zymogen có một số đặc điểm chung như sau:

- Là quá trình thủy phân có giới hạn protein (limited proteolysis), cắt đứt một số liên kết peptide ở gần đầu N của phân tử zymogen. Đoạn peptid được tạo thành có thể bị loại ra hoặc vẫn gắn với phần còn lại của phân tử nhờ các cầu disulfide.

- Khi liên kết peptid bị cắt đứt thường làm thay đổi cấu hình không gian của phân tử theo hướng có lợi cho hoạt động xúc tác, tạo thành phân tử enzyme.

- Hiệu suất hoạt hóa zymogen phụ thuộc vào điều kiện hoạt hóa, nồng độ zymogen, bản chất và nồng độ của enzyme xúc tác cho quá trình hoạt hóa, nhiệt độ, pH và một số yếu tố khác.

Ở người và nhiều loài động vật có vú, các enzyme thủy phân protein (protease) trong ống tiêu hóa đều được tổng hợp ở dưới dạng tiền chất của enzyme. Ví dụ pepsinogen do những tế bào chính của tuyến dạ dày tổng hợp nên và là tiền chất của pepsin, chymotrysinogen và trypsinogen của tuyến tụy theo thứ tự là tiền chất của chymotrysin và trypsin. Các chất này đều chỉ được hoạt hóa thành dạng enzyme hoạt động sau khi đã tiết vào lòng ống tiêu hóa. Trypsinogen được hoạt hóa thành trypsin dưới tác dụng của chính trypsin hoặc enterokinase, còn chymotrypsinogen được hoạt hóa dưới tác dụng của trypsin và chymotrysin.

Hiện tượng tổng hợp ra các zymogen có một ý nghĩa sinh học quan trọng. Có thể nói rằng, các protease trong ống tiêu hóa được tổng hợp qua giai đoạn trung gian như vậy chính là một cơ chế tự bảo vệ của cơ thể. Vì nếu không như vậy thì chính các tuyến đã tổng hợp nên các loại enzyme này sẽ bị tiêu hủy bởi chính những enzyme do chúng tổng hợp nên.

6.4 Cơ chế xúc tác của enzyme

6.4.1 Cơ chế của phản ứng có xúc tác nói chung

Vận tốc phản ứng hóa học được xác định bởi giá trị năng lượng hoạt hóa tức là mức năng lượng của các chất tham gia phản ứng phải đạt được để cắt đứt liên kết cần thiết và hình thành các liên kết mới. Năng lượng hoạt hóa càng lớn thì vận tốc phản ứng càng chậm và ngược lại. Do làm giảm năng lượng hoạt hóa của phản ứng, các chất xúc tác có tác dụng thúc đẩy vận tốc phản ứng hóa học.

Ví dụ, bột platin là một chất xúc tác hóa học được sử dụng rộng rãi. Vì các chất tham gia phản ứng trên bề mặt platin đều được chuyển sang trạng thái có khả năng phản ứng cao hơn, do vậy năng lượng hoạt hóa sẽ nhỏ hơn và tốc độ phản ứng sẽ cao hơn. Như vậy, trong các phản ứng có xúc tác, chất xúc tác đã làm giảm năng lượng hoạt hóa của phản ứng hóa học, có nghĩa là nó chỉ tham gia vào các phản ứng trung gian mà không đóng vai trò là chất tham gia phản ứng. Sau phản ứng, chất xúc tác lại phục hồi về trạng thái ban đầu để tiếp tục xúc tác.

6.4.2 Cơ chế của sự xúc tác do enzyme

Hầu như tất cả các biến đổi hóa sinh trong tế bào và cơ thể sống đều được xúc tác bởi enzyme ở pH trung tính, nhiệt độ và áp suất bình thường, trong khi đa số các chất xúc tác hóa học khác lại chỉ xúc tác ở nhiệt độ và áp suất cao. Chính nhờ việc tạo được môi trường đặc hiệu (bởi trung tâm hoạt động của enzyme liên kết với cơ chất) có lợi nhất về mật độ năng lượng để thực hiện phản ứng mà enzyme có được những khả năng đặc biệt đã nêu trên.

Trong phản ứng có enzyme xúc tác, nhờ sự tạo thành phức hợp trung gian enzyme-cơ chất mà cơ chất được hoạt hóa. Khi cơ chất kết hợp vào enzyme, do kết quả của sự cực hóa, sự chuyển dịch của các electron và sự biến dạng của các liên kết tham gia trực tiếp vào phản ứng sẽ dẫn tới việc thay đổi động năng cũng như thế năng, kết quả là làm cho phân tử cơ chất trở nên hoạt động hơn, nhờ đó phản ứng được thực hiện dễ dàng hơn.

Năng lượng hoạt hóa khi có sự xúc tác của enzyme không những nhỏ hơn rất nhiều so với trường hợp không có xúc tác mà cũng nhỏ hơn so với cả trường hợp có chất xúc tác thông thường. Ví dụ trong phản ứng phân hủy H­₂O₂ thành H₂O và O₂ nếu không có chất xúc tác thì năng lượng hoạt hóa là 18 Kcal/mol, nếu có chất xúc tác là platin thì năng lượng hoạt hóa là 11,7 Kcal/mol, còn nếu có enzyme catalase xúc tác thì năng lượng hoạt hóa chỉ còn 5,5 Kcal/mol.

Nhiều dẫn liệu thực nghiệm cho thấy quá trình tạo thành phức hợp enzyme-cơ chất và sự biến đổi phức hợp này thành sản phẩm, giải phóng enzyme tự do thường trải qua ba giai đoạn theo sơ đồ sau:

E + S  ES  P + E

[Trong đó E là enzyme, S là cơ chất (substrate), ES là phức hợp enzyme-cơ chất, P là sản phẩm (product)]

- Giai đoạn thứ nhất: enzyme kết hợp với cơ chất bằng liên kết yếu tạo thành phức hợp enzyme-cơ chất (ES) không bền, phản ứng này xảy ra rất nhanh và đòi hỏi năng lượng hoạt hóa thấp.

- Giai đoạn thứ hai: xảy ra sự biến đổi cơ chất dẫn tới sự kéo căng và phá vỡ các liên kết đồng hóa trị tham gia phản ứng.

- Giai đoạn thứ ba: tạo thành sản phẩm, còn enzyme được giải phóng ra dưới dạng tự do.

Các loại liên kết chủ yếu được tạo thành giữa E và S trong phức hợp ES là: tương tác tĩnh điện, liên kết hydrogen, tương tác Van der Waals. Mỗi loại liên kết đòi hỏi những điều kiện khác nhau và chịu ảnh hưởng khác nhau khi có nước.

Với phương pháp nghiên cứu bằng tia X và phương pháp hóa học người ta đã làm sáng tỏ cách thức gắn cơ chất và cơ chế hoạt động của một số enzyme như lysozyme, chymotrypsin, carboxypeptidase A, ... Sau đây sẽ giới thiệu chi tiết hơn cơ chế phản ứng của carboxypeptidase A.

Carboxypeptidase A (EC 3.4.17.1) thuộc nhóm peptidhydrolase, xúc tác cho sự thủy phân liên kết peptide, phản ứng xảy ra với vận tốc lớn nếu amino acid đầu C là amino acid thơm. Enzyme này cũng thủy phân liên kết ester. Carboxypeptidase A có khối lượng phân tử 34,3. KDa chứa 1 mol Zn/1 mol E. Zn tham gia trong hoạt động xúc tác của enzyme. Khi thay thế Zn bằng các kim loại hóa trị hai khác sẽ làm thay đổi hoạt độ và có thể cả tính đặc hiệu của enzyme. Trong phân tử enzyme, Zn ở gần bề mặt phân tử, tương tác với gốc His - 69, His - 196 và Glu - 72. Các gốc amino acid có vai trò xúc tác trong trung tâm hoạt động của enzyme là: Arg-145, Tyr-248 và Glu-270. Cơ chế phản ứng xúc tác của Carboxypeptidase A được xác định trên cơ sở kết quả nghiên cứu phản ứng của nó với dipeptid glycyltyrosine. Quá trình phân giải liên kết peptid có thể được phân thành các bước sau:

- Tạo thành phức ES: Khi tiếp xúc với cơ chất, các nhóm trong trung tâm hoạt động của enzyme thay đổi vị trí trong không gian. Nhóm guanidin của Arg-145 cũng như nhóm carboxyl của Glu-270 dịch chuyển 2Å, nhóm hydroxyl của Tyr-248 dịch chuyển 12Å từ chỗ gần trên bề mặt phân tử chuyền vào trong đến vùng gần với liên kết peptid của cơ chất.

Tương tác giữa các nhóm chức của trung tâm hoạt động với glycyltyrosine như sau (hình 6.2):

- Nhóm carboxyl tự do của cơ chất kết hợp với nhóm tích điện dương của Arg-145 của enzyme qua liên kết ion.

- Nhóm NH trong liên kết peptide của cơ chất tạo thành liên kết hydrogen với nhóm -OH của Tyr-248.

- Oxy trong nhóm -CO- của liên kết peptide tương tác với Zn, còn carbon trong nhóm -CO- này tương tác với nhóm carboxyl của Glu-270 qua phân tử nước.

- Cắt đứt liên kết và giải phóng sản phẩm.

Nguyên tử Zn phân cực liên kết -CO, tăng tính ái điện tử của nguyên tử carbon, do đó làm tăng tương tác của nó với nước hoặc với nhóm ái nhân của phân tử protein enzyme.

Gốc Glu-270 hoạt hóa phân tử nước, nhóm -OH được tạo thành tấn công trực tiếp vào nguyên tử cacbon của -CO- (trong liên kết peptide của cơ chất), liên kết peptide bị kéo căng ra và bị đứt. Gốc Tyr-248 nhường hydrogen cho nhóm -NH trong liên kết peptide cho cơ chất, giải phóng sản phẩm đầu tiên là tyrosine của cơ chất và acyl-enzyme (hình 6.3). Sau khi liên kết peptide bị cắt đứt, trạng thái ion hóa của các nhóm acid và base bị biến đổi tương ứng với pH môi trường, Tyr-248 kết hợp với proton, trở về trạng thái ban đầu.

6.5 Tính đặc hiệu của enzyme

6.5.1 Khái niệm chung

Do cấu trúc lý hóa đặc biệt của phân tử enzyme và đặc biệt là của trung tâm hoạt động mà enzyme có tính đặc hiệu rất cao so với những chất xúc tác thông thường khác. Mỗi enzyme chỉ có khả năng xúc tác cho sự chuyển hóa một hay một số chất nhất định theo một kiểu phản ứng nhất định. Đặc tính tác dụng lựa chọn cao này gọi là tính đặc hiệu hoặc tính chuyên hóa của enzyme. Tính đặc hiệu là một trong những đặc tính cơ bản quan trọng nhất của enzyme.

Có thể phân biệt hai kiểu đặc hiệu: kiểu phản ứng và cơ chất.

Trong đa số trường hợp, mỗi enzyme đều có tính đặc hiệu với một loại phản ứng nhất định. Những chất có khả năng xảy ra nhiều loại phản ứng hóa học thì mỗi loại phản ứng ấy phải do một enzyme đặc hiệu xúc tác. Ví dụ, amino acid có khả năng xảy ra phản ứng khử carboxyl hóa (decarboxylation), phản ứng khử amin hóa bằng cách oxy hóa và phản ứng vận chuyển nhóm amin, vì vậy mỗi phản ứng này cần có một enzyme đặc hiệu tương ứng xúc tác theo thứ tự là decarboxylase, amino acid oxydase và aminotransferase.

Mỗi enzyme chỉ xúc tác cho sự chuyển hóa một hoặc một số chất nhất định. Mức độ đặc hiệu cơ chất của các enzyme khác nhau không giống nhau, người ta thường phân biệt thành các mức như sau:

Một số enzyme hầu như chỉ xúc tác cho phản ứng chuyển hóa một cơ chất xác định và chỉ xúc tác cho phản ứng ấy mà thôi.

Ví dụ: urease, arginase, glucoseoxydase, ... Đối với các enzyme này, ngoài các cơ chất đặc hiệu của chúng là urea, arginine, -D-glucose (theo thứ tự tương ứng) chúng cũng có thể phân giải một vài chất khác nhưng với vận tốc thấp hơn nhiều. Chẳng hạn như urease, ngoài urea nó còn có thể phân giải hydroxyurea nhưng với tốc độ thấp hơn 120 lần. Những enzyme có tính đặc hiệu tuyệt đối thường được dùng để định lượng chính xác cơ chất của nó.

- Đặc hiệu nhóm tuyệt đối

Các enzyme này chỉ tác dụng lên những chất có cùng một kiểu cấu trúc phân tử, một kiểu liên kết và có những yêu cầu xác định đối với nhóm nguyên tử ở phần liên kết chịu tác dụng. Ví dụ: maltase thuộc nhóm -glucosidase chỉ xúc tác cho phản ứng thủy phân liên kết glucoside được tạo thành từ nhóm -OH glucoside của -glucose với nhóm -OH của một monose khác.