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

Mức độ đặc hiệu của các enzyme thuộc nhóm này kém hơn nhóm trên. Enzyme có khả năng tác dụng lên một kiểu liên kết hóa học nhất định trong phân tử cơ chất mà không phụ thuộc vào cấu tạo của các phần tham gia tạo thành mối liên kết đó. Ví dụ lipase có khả năng thủy phân được tất cả các mối liên kết ester. Aminopeptidase có thể xúc tác cho sự thủy phân nhiều peptide.

Hầu như tất cả các enzyme đều có tính đặc hiệu không gian rất chặt chẽ, nghĩa là enzyme chỉ tác dụng với một trong hai dạng đồng phân không gian của cơ chất. Enzyme chỉ tác dụng với một trong hai dạng đồng phân quang học của các chất. Ví dụ, phản ứng khử nước của malic acid để tạo thành fumaric acid dưới tác dụng của fumarate hydratase chỉ xảy ra đối với L-malic acid mà không tác dụng lên D-malic acid.

Enzyme cũng thể hiện tính đặc hiệu lên một dạng đồng phân hình học cis hoặc trans. Ví dụ: enzyme fumarate hydratase chỉ tác dụng lên dạng trans của fumaric acid mà không tác dụng lên dạng cis để tạo thành L-malic acid. Trong tự nhiên cũng có các enzyme xúc tác cho phản ứng chuyển hóa tương hổ giữa các cặp đồng phân không gian tương ứng. Ví dụ, lactate racemase của vi khuẩn xúc tác cho phản ứng chuyển hóa lẫn nhau giữa D- và L-lactic acid, aldo-1-epimerase xúc tác cho phản ứng đồng phân hóa -D-glucose thành -D-glucose, maleinate cis-trans isomerase của vi khuẩn xúc tác cho phản ứng đồng phân hóa giữa maleic acid (dạng cis) và fumaric acid (dạng trans), ... Các enzyme này có vai trò quan trọng khi sản xuất các chất dinh dưỡng bằng phương pháp hóa học, vì chúng có thể chuyển các chất từ dạng cơ thể không thể sử dụng được thành dạng có thể hấp thu.

Enzyme còn có khả năng phân biệt được 2 gốc đối xứng trong phân tử giống nhau hoàn toàn về mặt hóa học. Ví dụ, hai nhóm -CH₂OH trong phân tử glycerol, glycerophosphate kinase xúc tác cho phản ứng chuyển vị gốc phosphate từ ATP đến C₃ của glycerol (chứ không phải C₁).

Phản ứng do enzyme xúc tác phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: nồng độ enzyme, bản chất và nồng độ các chất phản ứng (cơ chất), nhiệt độ, pH của môi trường, các ion kim loại, các chất vô cơ và hữu cơ khác, ... Điều đáng lưu ý là các yếu tố hóa lý không chỉ ảnh hưởng đến phản ứng enzyme theo kiểu giống như các phản ứng hóa học thông thường mà còn ảnh hưởng đến vận tốc phản ứng thông qua tác dụng của chúng đối với cấu trúc phân tử enzyme.

Nói chung trong điều kiện thừa cơ chất, vận tốc phản ứng phụ thuộc tuyến tính vào nồng độ enzyme, v = k[E]

Trong đó: v là vận tốc phản ứng; [E] là nồng độ enzyme.

Cũng có trường hợp khi nồng độ enzyme quá lớn, vận tốc phản ứng tăng chậm.

Năm 1913, L. Michaelis và M. Menten đã đưa ra mô hình để giải thích tính chất động học của phản ứng enzyme và đã lập được phương trình biểu diễn mối quan hệ vận tốc phản ứng (v) với nồng độ cơ chất của enzyme.

Đặc điểm quan trọng nhất của mô hình này là: mở đầu phản ứng cần thiết phải tạo thành phức trung gian enzyme - cơ chất (ES). Sau đó phức ES chuyển hóa tiếp tạo thành sản phẩm cuối cùng của phản ứng và enzyme tự do, enzyme lại kết hợp với phân tử cơ chất khác bắt đầu vòng xúc tác mới.

Trường hợp đơn giản nhất, phản ứng chỉ có một cơ chất S, enzyme (E) xúc tác cho sự chuyển hóa nó chỉ tạo thành một sản phẩm P, phản ứng xảy ra như sau:

Trong đó: k₁, k₂, k₃ là các hằng số vận tốc các phản ứng tương ứng v₁, v₂, v₃. Vận tốc phản ứng chuyển hóa phức ES tạo thành sản phẩm và enzyme quyết định vận tốc xúc tác phản ứng chuyển S  P. Vận tốc phản ứng tỷ lệ với nồng độ của phức ES, nồng độ ES càng cao, vận tốc phản ứng càng lớn.

Ký hiệu [E₀] là nồng độ enzyme ban đầu, [ES] nồng độ phức trung gian enzyme-cơ chất và [E] là nồng độ enzyme tự do khi phản ứng đạt đến cân bằng. Do đó [E] = [ ] - [ES] . [S] là nồng độ cơ chất ban đầu và cũng được xem là nồng độ cơ chất lúc phản ứng đạt đến cân bằng vì nồng độ cơ chất trong phản ứng luôn lớn gấp nhiều lần nồng độ enzyme do đó có thể bỏ qua lượng [S] ở trong phức ES. Hơn nữa, khi nghiên cứu động học phản ứng enzyme thường xác định vận tốc ban đầu, lượng cơ chất bị chuyển hóa chưa đáng kể so với nồng độ ban đầu của nó.

Từ phương trình phản ứng (1) có thể thiết lập các phương trình vận tốc phản ứng như sau:

- Vận tốc phản ứng tạo thành ES là:

k₁ ([E₀] - [ES]) [S]  (2)

- Vận tốc phân li phức ES là tổng vận tốc của 2 phản ứng:

+ Phản ứng phân li để tạo thành E và S (ngược với phản ứng kết hợp)

+ Phản ứng biến đổi thành P và E

Do đó vận tốc phân li phức ES là bằng: (k₂ + k₃)[ES] (3). Khi hệ thống phản ứng đạt đến cân bằng, vận tốc tạo thành ES bằng vận tốc phân li ES:

­k₁ ([E₀] - [ES]). [S] = (k₂ + k₃) [ES]  (4)

Để đơn giản hơn, dùng hằng số 

và sắp xếp lại các số hạng trong phương trình (4) sẽ có:

Như trên đã nói, ES càng lớn vận tốc phản ứng càng lớn. Khi nồng độ cơ chất đủ lớn, tất cả các phân tử enzyme có trong phản ứng đều tham gia trong phức ES, vận tốc phản ứng sẽ đạt đến cực đại (V). Do đó có thể thiết lập tỉ lệ sau:

Tính  từ phương trình (5) và thay vào (6) sẽ có:

Đây là phương trình Michaelis-Menten đã được Holden và Briggx hoàn thiện. Km được gọi là hằng số Michaelis. Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng nồng độ cơ chất đến vận tốc phản ứng (theo phương trình (7)), trong đó v là hàm số của [S] có dạng của nhánh hyperbol vuông góc.

Đối với các enzyme allosteric, đường biểu diễn sự phụ thuộc của v vào [S] không có dạng hyperbol. Trong nhiều trường hợp, đường biểu diễn quan hệ giữa vận tốc ban đầu của phản ứng với nồng độ cơ chất có dạng gần như chữ “S” (dạng sigmoid). Điều đó có nghĩa là khi phân tử cơ chất đầu tiên kết hợp vào một trung tâm hoạt động của enzyme đã làm tăng nhanh việc kết hợp các phân tử cơ chất tiếp theo vào các trung tâm hoạt động khác trong phân tử enzyme. Điều này cũng giống như khi một phân tử O₂ kết hợp vào Hb đã làm tăng nhanh sự tương tác của các phân tử O₂ tiếp theo. Đường biểu diễn có dạng chữ “S” cũng cho thấy chỉ cần nồng độ cơ chất tăng lên rất nhỏ cũng có thể làm tăng vận tốc xúc tác nhiều lần lớn hơn so với các enzyme tuân theo phương trình Michaelis - Menten.

Hoạt độ của enzyme có thể bị thay đổi dưới tác dụng của một số chất có bản chất hóa học khác nhau. Các chất làm giảm hoạt độ enzyme gọi là các chất kìm hãm hoặc các chất ức chế (inhibitor), thường kí hiệu là I. Các chất này có thể là những ion, các phân tử vô vơ, hữu cơ kể cả các protein. Các chất ức chế tham gia trong sự điều hòa, kiểm tra các quá trình trao đổi chất trong hệ thống sống.

Các chất gây biến tính protein đều là những chất kìm hãm không đặc hiệu enzyme. Nhiều chất khác không làm biến tính protein nhưng vẫn làm giảm hoạt độ xúc tác của nó theo cơ chế khác. Các chất này có thể kìm hãm thuận nghịch hoặc không thuận nghịch enzyme. Nếu là kìm hãm thuận nghịch, phản ứng kết hợp giữa enzyme và chất kìm hãm (I) nhanh chóng đạt đến cân bằng. Trong trường hợp kìm hãm không thuận nghịch, K_-i rất bé, có thể xem như bằng 0. I kết hợp với E bằng liên kết đồng hóa trị hoặc kết hợp rất chặt đến mức khó lòng tách khỏi E, sự phân li phức EI rất chậm.

Các chất kìm hãm cạnh tranh là những chất kìm hãm thuận nghịch enzyme, có cấu trúc tương tự với cấu trúc của cơ chất, do đó có khả năng kết hợp vào trung tâm hoạt động của E chiếm chỗ kết hợp của cơ chất. Sự kết hợp của I và S vào trung tâm hoạt động của enzyme có tính chất loại trừ lẫn nhau. Như vậy, I cạnh tranh làm giảm vận tốc phản ứng xúc tác là do làm giảm số lượng phân tử enzyme có khả năng kết hợp với cơ chất. Ví dụ, chất kìm hãm cạnh tranh của succinate dehydrogenase là malonic acid (HOOC-CH₂-COOH), có cấu tạo khá giống với cơ chất của enzyme là succinic acid (HOOC-CH₂-CH₂-COOH). Do chỗ I và S có khuynh hướng đầy nhau ra khỏi phức với enzyme cho nên nếu nồng độ cơ chất rất lớn so với nồng độ chất kìm hãm, có thể loại trừ hoàn toàn tác dụng kìm hãm của nó.

Trong trường hợp đơn giản nhất (phương trình phản ứng (1)), khi có chất kìm hãm cạnh tranh, có các phản ứng xảy ra như sau:

E + S      ES  E + P

E + I       EI

Như trên đã nói, chất kìm hãm cạnh tranh cũng kết hợp vào trung tâm hoạt động của enzyme, nhưng khác với cơ chất ở chỗ bản thân chất kìm hãm không bị chuyển hóa dưới tác dụng của enzyme.

E + S    ES  E + P

E + I   EI

EI + S   EIS

Khi có chất kìm hãm không cạnh tranh vận tốc cực đại bị giảm dần trong khi đó Km không thay đổi, vận tốc phản ứng bị giảm tương ứng. Dưới tác dụng của chất kìm hãm không cạnh tranh, mức độ kìm hãm không phụ thuộc vào tương quan nồng độ giữa S và I, nồng độ cơ chất lớn cũng không loại trừ được tác dụng kìm hãm. Trong một số trường hợp sản phẩm phản ứng có thể tác dụng như chất kìm hãm không cạnh tranh của enzyme. Ngoài ra cũng có trường hợp chất kìm hãm chỉ kết hợp với ES mà không kết hợp với E tự do, trong trường hợp này cả V và Km đều bị giảm dần, do đó độ dốc của đường biểu diễn không đổi.

Các chất kìm hãm, nhất là các chất kìm hãm có tính đặc hiệu cao có ý nghĩa lớn trong nghiên cứu khoa học cũng như trong thực tế. Ví dụ: disopropilphosphofluoridate (DIPF hoặc DFP), iodoacetamid,