›
›

Tài liệu Enzym

ppt 57 trang phuongnguyen 90
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Tài liệu Enzym", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • ppttai_lieu_enzym.ppt

Nội dung text: Tài liệu Enzym

  1. ENZYM • Mục tiêu: 1. Trình bày được định nghĩa, cách gọi tên và phân loại enzym, cho ví dụ mỗi loại. 2. Trình bầy được thành phần cấu tạo của enzym. 3. Trình bầy được cơ chế hoạt động của enzym. 4. Trình bầy các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động của enzym.
  2. ENZYM • Các phản ứng hóa học trong tế bào đòi hỏi các chất xúc tác đặc biệt. • Enzym là những chất xúc tác sinh học, có bản chất là protein, có tác dụng xúc tác hầu hết các phản ứng hóa học xảy ra trong cơ thể sống. • Chất chuyển hóa chịu tác động của enzym được gọi là cơ chất.
  3. CÁC ĐẶC ĐIỂM CHÍNH CỦA ENZYM 1. Enzym là những chất xúc tác mạnh, làm tăng tốc độ phản ứng từ 108 đến 1020 lần. 2. Tương tự như chất xúc tác khác, enzym không mất đi hay sinh ra trong quá trình phản ứng. 3. Tính đặc hiệu: a) Đặc hiệu cơ chất – đặc hiệu tuyệt đối (VD: aspartase) hoặc tương đối b) Đặc hiệu phản ứng 4. Các enzym được điều hòa. 5. Các enzym thường chỉ hoạt động trong một vùng nhiệt độ và pH nhất định
  4. 1.CÁCH GỌI TÊN VÀ PHÂN LOẠI ENZYM 1.1. CÁCH GỌI TÊN ENZYM - Tên cơ chất + ase Ví dụ: urease, proteinase - Tên tác dụng + ase Ví dụ: oxidase, aminotransferase, Decarboxylase - Tên cơ chất, tác dụng + ase Ví dụ: lactat dehydrogenase, tyrosin Decarboxylase - Tên thường gọi: không có đuôi ase Ví dụ: pepsin, trypsin
  5. 1.2.PHÂN LOẠI ENZYM • Hiệp hội enzym quốc tế (EC) đã phân loại enzym theo phản ứng mà chúng xúc tác thành 6 loại (class), theo thứ tự từ 1 đến 6, mỗi loại chia thành các dưới lớp (subclass), mỗi dưới lớp chia thành các nhóm. • Mỗi enzym được ký hiệu bằng 4 chữ số Ví dụ: EC 2.7.1.1 là enzym thuộc loại 2, dưới lớp 7, nhóm 1 và số thứ tự trong nhóm là 1.
  6. 1.2.PHÂN LOẠI ENZYM • Loại 1. Enzym oxy hóa khử (Oxidoreductase) • Xúc tác phản ứng oxy hóa và phản ứng khử: AH2 + B → A + BH2 • Gồm các dưới lớp: - Dehydrogenase: Sử dụng các phân tử không phải oxy là chất nhận e. Ví dụ:Lactat dehydrogenase - Oxidase: Sử dụng oxy là chất nhận e nhưng không tham gia vào thành phần cơ chất. Ví dụ: cytochrom oxidase, xanthin oxidase - Reductase: Đưa H và e vào cơ chất. Ví dụ: -cetoacyl -ACP reductase - Catalase : 2H2O2 → O2 + 2H2O - Peroxidase: H2O2 + AH2 → A + 2H2O - Oxygenase (hydroxylase): gắn một nguyên tử oxy vào cơ chất. Ví dụ: Cytp-450 xúc tác phản ứng: RH + NADPH + H+ + + O2 → ROH + NADP + H2O
  7. Loại 2. Enzym vận chuyển nhóm (Transferase) •Xúc tác phản ứng vận chuyển các nhóm hóa học (không phải H) từ phân tử này sang phân tử khác hay giữa các phần khác nhau của cùng một phân tử . •Gồm các dưới lớp: -Aminotransferase: vận chuyển -NH2 từ acid amin sang acid alpha cetonic. Ví dụ: AST, ALT -Transcetolase và transaldolase: chuyển đơn vị 2C và 3C -Các acyl-, metyl-, glucosyl-transferase, phosphorylase -Các kinase: chuyển gốc phosphat từ ATP vào cơ chất. Ví dụ: Hexokinase -Các thiolase: chuyển CoA –SH vào cơ chất. Ví dụ: acyl CoA -acetyl transferase -Các polymerase: DNA polymerase, RNA polymerase
  8. 1.2.PHÂN LOẠI ENZYM • Loại 3. Thủy phân (Hydrolase)- dùng nước tách 1 phân tử thành 2 AB + H2O → AH + BOH • Gồm các dưới lớp: - Các esterase: thủy phân liên kết este. Ví dụ: triacylglycerol lipase. - Các glucosidase: thủy phân liên kết glycosid - Các protease: thủy phân liên kết peptid - Các phosphatase: thủy phân liên kết este phosphat - Các phospholipase: thủy phân liên kết este phosphat trong phân tử phospholipid - Các amidase: thủy phân liên kết N-osid. Ví dụ: nucleoside - Các desaminase: thủy phân liên kết C- N, tách nhóm amin ra khỏi cơ chất. Ví dụ: adenosin deaminase - Các nuclease: thủy phân liên kết este phosphat trong DNA hay RNA
  9. Loại 4. Phân cắt (Lyase) Loại bỏ một nhóm hóa học khỏi cơ chất mà không có sự tham gia của phân tử nước AB → A + B Gồm các dưới lớp: -Các decarboxylase: tách CO2 khỏi cơ chất. Ví dụ: glutamat decarboxylase -Các aldolase: tách 1 phân tử aldehyd từ cơ chất. -Các lyase: VD arginosuccinase -Các hydratase: gắn 1 phân tử nước vào cơ chất.VD: fumarase -Các dehydratase: tách 1 phân tử nước từ cơ chất. VD: - hydroxyacyl-ACP dehydratase -Các synthase: gắn 2 phân tử mà không cần có sự tham gia của ATP. Ví dụ: ATP synthase, glycogen synthase, citrat synthase
  10. Loại 5. Đồng phân (Isomerase) •Chuyển đổi các dạng đồng phân bằng cách sắp xếp lại phân tử. •Gồm các dưới lớp: -Các racemase: chuyển dạng đồng phân D và L -Các epimerase: chuyển đồng phân epime. Ví dụ: ribose- 5 phosphat epimerase -Các isomerase: chuyển đồng phân nhóm chức aldehyd và ceton -Các mutase: chuyển nhóm hóa học giữa các nguyên tử trong 1 phân tử
  11. • Loại 6. Tổng hợp (Ligase) • Kết hợp các phân tử thành 1 phân tử lớn hơn, dùng ATP hay nucleosidtriphossphat khác cung cấp năng lượng A + B → AB ATP ADP + Pi • Gồm các dưới lớp: -Synthetase: -Carboxylase: VD pyruvat carboxylase -Ligase: ví dụ DNA ligase
  12. 2.CẤU TRÚC PHÂN TỬ ENZYM 2.1.Thành phần cấu tạo: - Các phân tử protein có kích thước lớn- từ 12kDa - 1000kDa hoặc hơn – phần lớn có kích thước lớn hơn cơ chất. - Enzym thuần:chỉ do acid amin cấu tạo nên - Enzym tạp: Apoenzym + cofactor (chất cộng tác) - Chất cộng tác (Cofactor) Các enzym có ion kim loại là cofactor: Zn2+, Fe2+, Cu2+, kim loại khác Coenzym là các cofactor hữu cơ, thường là vitamin hoặc dẫn xuất của chúng, thường có trong thành phần enzym oxy hóa khử và vận chuyển nhóm Cofactor gắn đồng hóa trị với enzym gọi là nhóm phụ (prosthetic group).
  13. 2.2. Trung tâm hoạt động của enzym (active site) - Vùng đặc biệt trên phân tử enzym, gắn với với cơ chất của nó. -Enzym có thể có 1 hoặc vài trung tâm hoạt động -Gồm các nhóm hóa học hoặc các liên kết tiếp xúc với cơ chất hoặc không tiếp xúc trực tiếp cơ chất nhưng có chức năng trực tiếp trong quá trình xúc tác -Quan hệ giữa TTHĐ và cơ chất: + Thuyết ổ khóa và chìa khóa của Fisher + Thuyết mô hình cảm ứng không gian của Koshland
  14. Thuyết ổ khóa và chìa khóa Cơ chất vừa khít với trung tâm hoạt động
  15. Thuyết cảm ứng không gian • Thuyết cảm ứng- enzym thay đổi cấu hình để tiếp nhận trạng thái chuyển tiếp của cơ chất. • Sự thay đổi cấu hình của enzym làm căng giãn cơ chất, đẩy cơ chất vào trạng thái chuyển tiếp
  16. 2.3. Các dạng cấu trúc của phân tử enzym • Enzym đơn chuỗi và đa chuỗi: - Đơn chuỗi (monomer): chỉ có 1 chuỗi polypeptid, ví dụ ribonuclease, lipase, pepsin - Đa chuỗi (polymer): AST 2 chuỗi, CK 2 chuỗi, LDH 4 chuỗi, RNA polymerase 5 chuỗi, GLDH 40 chuỗi • Enzym dị lập thể (allosteric enzyme): ngoài TTHĐ còn có trung tâm dị lập thể. - TT dị lập thể dương: gắn chất hoạt hóa, làm tăng hoạt tính enzym - TT dị lập thể âm: gắn chất ức chế, làm giảm hoạt tính enzym
  17. 2.3. Các dạng cấu trúc của phân tử enzym • Các dạng phân tử của enzym (isoenzym hay isozym): - Cùng xúc tác một phản ứng hóa học nhưng tồn tại dưới các dạng phân tử khác nhau, có tính chất vật lý và hóa học khác nhau. - Ví dụ: LDH có 4 tiểu đơn vị LDH1: HHHH LDH2: HHHM LDH3: HHMM LDH4: HMMM LDH5: MMMM • Các tiền chất của enzym: - Dạng chưa hoạt động (proenzym hay zymogen) - Khi bị cắt đi 1 đoạn peptid che lấp TTHĐ thì trở nên có hoạt tính - Có tiếp vĩ ngữ -ogen hoặc tiếp đầu ngữ pro-. Ví dụ: pepsinogen, prothrombin
  18. 2.3. Các dạng cấu trúc của phân tử enzym • Phức hợp đa enzym - Gồm nhiều enzym khác nhau nhưng có liên quan trong 1 quá trình chuyển hóa, kết lại thành 1 khối. - Tách riêng các enzym mất hoạt tính - Tăng hiệu lực và hiệu quả xúc tác - Ví dụ: Phức hợp pyruvat dehydrogenase gồm: pyruvat dehydrogenase, dihydrolipoyl transacetylase, dihydrolipoyl dehydrogenase
  19. 3.CẤU TRÚC VÀ CHỨC NĂNG CỦA CÁC COENZYM -Một số coenzym gắn lỏng lẻo hoặc tạm thời với enzym, hoạt động như cơ chất thứ hai. -Một số coenzym gắn chặt với protein enzym được gọi là nhóm ngoại, có chức năng hoặc gần như vị trí hoạt động trong quá trình xúc tác.
  20. 3.1. Các coenzym oxy hóa khử 3.1.1. Các coenzym niacin: nicotinamid-adenin dinucleotid (NAD+), nicotinamid-adenin dinucleotid phosphat (NADP+) -Phản ứng oxy hóa khử có vận chuyển H (xúc tác bởi dehydrogenase) -vitamin =niacin hay B3 = nicotinamid& nicotinic acid -Thiếu hụt B3: P pellagra, các tổn thương da, sưng lưỡi, các rối loạn thần kinh, tinh thần
  21. riboflavin 3.1.2. Các coen zym flavin: flavin mononucleotide(FMN), flavin adenine dinucleotide (FAD) - Cả 2 hoạt động như nhóm ngoại - Phản ứng oxy hóa khử trao đổi 2 e và 2 H+ -vitamin riboflavin hay B2: dị vòng isoalloxazin nối với ribitol qua N10
  22. 3.1.3. Các porphyrin Fe2+ (coenzym hem) • Là coenzym của hệ thống cytochrom, catalase, peroxidase, monooxygenase và dioxygenase • 2CytbFe2+ + 2Cytc Fe3+ → 2CytbFe3+ + 2Cytc Fe2+ • 2H2O2 → 2H2O + O2 • 2H2O2 + AH2 → 2H2O + A + + • RH + NADPH + H + O2 → ROH + NADP + H2O • RH + O2 → R-O-OH
  23. 3.1.4.Coenzym acid lipoic (6,8-dithio octanoic acid) - Phức hợp enzym pyruvat dehydrogenase và -cetoglutarat dehydrogenase - Phản ứng oxy hóa khử -vitamin = acid lipoic (người có khả năng tổng hợp đủ nên đôi khi không xem nhưvitamin) Dạng oxy hóa Dạng khử
  24. 3.2. Các coenzym vận chuyển nhóm 3.2.1. Thiamine pyrophosphate (TPP) Phản ứng khử carboxyl (decarboxylation) và transcetolase Thiamine hay vitamin B1, chứa pyrimidin và thiazol. Thiếu hụt gây: bệnh beri-beri, tổn thương thần kinh ngoại biên, chuột rút
  25. 3.2.2.Coenzym A (CoA SH) -Gồm acid panthotenic nối với thioethanolamin -Hoạt hóa nhóm carbonyl và vận chuyển acyl (acetyl- CoA), tổng hợp chất béo và steroid - pantothenic acid (vitamin B5) -Thiếu hụt B5: rối loạn tiêu hóa, cảm xúc không ổn định, cảm giác rát bỏng đầu chi acetyl Acetyl CoA
  26. 3.2.4.Folat hay tetrahydrofolat (dạng khử) -vận chuyển 1carbon hay format -vitamin = folic acid -Thiếu hụt: thiếu máu nguyên hồng cầu khổng lồ
  27. 3.2.5.Biotin - Nhóm ngoại của enzym carboxylase - Phản ứng carboxyl hóa -vitamin = biotin
  28. 3.2.6. Pyrodoxal phosphat -Phản ứng decarboxyl, transaminationvà racemase -vitamin pyridoxin hay vitamin B6
  29. 4. Cơ chế xúc tác của enzym: 4.1. Sự biến thiên năng lượng tự do: - Năng lượng tự do (G) của một hệ thống phản ứng là năng lượng có thể tạo công có ích. - Phản ứng hóa học chỉ có thể xảy ra theo chiều năng lượng tự do giảm: biến thiên năng lượng phải âm (ΔG<0) - Tuy nhiên vật chất có sức ì về hóa học, nên dù phản ứng có ΔG<0 vẫn chưa tự xảy ra được
  30. 4. Cơ chế xúc tác của enzym: 4.2. Sức ì về mặt hóa học của vật chất: • Do các yếu tố: - Entropy (sự chuyển động hỗn loạn của các phân tử vật chất) - Lớp áo nước cản trở cơ chất - Hình thể không gian cồng kềnh của cơ chất - Sự sắp xếp chưa định hướng các nhóm chức năng trên phân tử enzym Muốn phản ứng hóa học xảy ra phải cung cấp năng lượng để thắng sức ỳ của vật chất, năng lượng ấy gọi là năng lượng hoạt hóa.
  31. 4.3. Năng lượng hoạt hóa Để tham gia phản ứng, các phân tử căng giãn ra và sắp xếp điện tử. Các phân tử đi vào trạng thái năng lượng cao. Trạng thái năng lượng cao được gọi là trạng thái chuyển tiếp Năng lượng cần thiết để tạo ra trạng thái này được gọi là năng lượng hoạt hóa của phản ứng. Sự thay đổi năng lượng tự do cho sự vượt qua hàng rào chuyển tiếp càng cao,tốc độ phản ứng càng chậm.
  32. 4.4. Cơ chế tác dụng của enzym -Enzym làm giảm hàng rào năng lượng bằng cách Enzyme chuyển các phân tử tham gia phản ứng qua trạng thái chuyển tiếp khác. -Trạng thái này liên quan đến sự tương tác với enzym. E + S → ES → E +P
  33. 5. ĐỘNG HỌC ENZYM Tại sao phải nghiên cứu động học enzym? - Trình tự chính xác của các phản ứng trong tế bào là quan trọng và sự hiểu biết của chúng ta về các hoạt động của tế bào - Cơ chế hoạt động của enzym, tức là số lượng các bước phản ứng và cấu tạo hóa học chi tiết cần được làm sáng tỏ (Enzym học- enzymology). - Hiểu biết chức năng enzym làm hiểu biết hơn về thuốc.
  34. 5.1.Tốc độ phản ứng enzym 5.1.1.Định nghĩa tốc độ phản ứng -Với một enzym tác động trên cơ chất của nó, như các phản ứng hóa học thông thường, tốc độ phản ứng phụ thuộc vào nồng độ cơ chất (S). - Sơ đồ phản ứng: S P - Tốc độ = sự thay đổi [P]/ thời gian phản ứng hoặc v = Δ[P]/Δt - Tốc độ phản ứng enzym là sự thay đổi nồng độ S hay P trong 1 phút ở 25 0C trong các điều kiện chuẩn hóa.
  35. Với phản ứng hóa học (khi so sánh với phản ứng xúc tác enzym), tốc độ phản ứng tỷ lệ thuận với nồng độ chất phản ứng [S]. Hằng số tốc độ, k, có thể được Tốc độ định nghĩa: Tốc độ = v = Δ[P]/Δt [S] = k [S]
  36. - Ngược lại, tốc độ phản ứng enzym: phụ thuộc [S] nhưng đường cong hyperbon &cao nguyên còn phụ thuộc vào nồng độ enzym Tốc độ [S]
  37. 5.1.Tốc độ phản ứng enzym 5.1.2. Đơn vị đo tốc độ phản ứng enzym: Đơn vị đo hoạt độ enzym là IU (International units), là lượng enzym làm biến đổi 1 mol cơ chất thành sản phẩm trong 1 phút ở 250C dưới các điều kiện được chuẩn hóa. 5.1.3. Tốc độ ban đầu (v): Là tốc độ phản ứng ở thời gian đầu tại một nồng độ E, S, nhiệt độ và pH nhất định; chưa bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi nhiệt độ, pH, nồng độ sản phẩm phản ứng. 5.1.4. Tốc độ cực đại (Vmax): Với 1 nồng độ E nhất định, nhiệt độ và pH nhất định, khi tăng S thì tốc độ phản ứng tăng. Khi tất cả các E bão hòa S thì tốc độ phản ứng đạt tối đa.
  38. 5.2. Thuyết Michaelis-Menten K-1 K2 E + S E●S → E + P K1 Trong đó E●S là phức hợp enzym- cơ chất, tức là phức hợp trung gian. Tốc độ phản ứng ngừng tăng hay hình cao nguyên vì phức hợp E●S trở nên nhiều khi [S] cao
  39. Các hằng số tốc độ được ký hiệu như sau: k-1 k2 E + S E●S → E+ P k1 Từ sơ đồ động học này, mối tương quan để tính tốc độ phản ứng: Phương trình Michaelis-Menten V [S] V = max [S] + Km V là tốc độ phản ứng Vmax, tốc độ tối đa là k2 x [tổng lượng enzym] Km là hằng số Michaelis của enzym với cơ chất Km =(k1 +k2)/k-1 [S] nồng độ cơ chất
  40. Đồ thi Michaelis- Menten về sự phụ thuộc của tốc độ phản ứng vào nồng độ cơ chất -Khi [S] thấp hơn Km nhiều, phương trình trở thành dang v= Vm[S]/Km, Tốc độ phản ứng chỉ phụ thuộc vào [S]. Phản ứng động học bậc 1. - Khi [S]=Km thì v=Vmax/2 -Khi [S] >>> Km thì v= Vmax. Phản ứng động học bậc không. Vmax V V /2 hay max tốc độ Km 0 [S]
  41. - Km = [S], khi v = Vmax /2, - Km : đơn vị của nồng độ - Km đánh giá ái lực của E với S - Muốn đạt Vmax [S] >100 lần Km Vmax V /2 max v Km [S]
  42. Đồ thị của v = Vmax[S] [S] + Km Không đủ chính xác để đánh giá mối quan hệ Km & Vmax. Phương trình nghịch đảo Đồ thị nghịch đảo hay đồ thị Lineweaver-Burk là đường thẳng.
  43. Phương trình Lineweaver-Burk : 1/v = Km/Vmax●1/[S] + 1/Vmax Trông giống như phương trình y = m●x + b m = độ dốc b = điểm cắt trục y 1/v = Km/Vmax●1/[S] + 1/Vmax “x” Điểm cắt với “x” là -1/Km
  44. 1/v Độ dốc= Giao điểm Km/Vmax = 1/Vmax -1/Km 1/[S] Ý nghĩa của đồ thị Lineweaver- Burk: -Tuyến tính nên có thể tìm Km và Vmax dễ dang - Công cụ xác định pH và nhiệt độ tối ưu - Công cụ xác định loại chất ức chế
  45. 6. CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN HOẠT ĐỘNG ENZYM 1.Nồng độ cơ chất 2.Nồng độ enzym: Đối với cùng một lượng cơ chất, tốc độ phản ứng enzym tăng khi nồng độ enzym tăng và ngược lại. 3. Nhiệt độ: 4.pH môi trường: 5.Các chất hoạt hóa 6.Các chất ức chế
  46. Ức chế cạnh tranh Cơ chất (Competitive Inhibition) Mô hình: E + S E●S → E + P + I Chất ức chế  E●I I có cấu trúc giống S I gắn thuận nghịch vào trung tâm hoạt động E●I không gắn S nên không phản ứng
  47. ức chế cạnh tranh Vmax No I +I +more I Km Trong ức chế cạnh tranh, có thể tăng [S] để vượt qua hiện tượng ức chế.  Vmax không đổi
  48. Ức chế cạnh tranh 1/v Double reciprocal plot + nhiều I +I Cùng có giao điểm 1/v, cùng Vmax 1/Vmax No I Độ dốc khác nhau, Km khác nhau 1/[S] Lưu ý: đường thẳng ức chế luôn ở trên đường thẳng không ức chế
  49. Cơ chế phân tử của ức chế cạnh tranh chất ức chế cạnh tranh gắn với cùng vị trí gắn cơ chất (cạnh tranh) Cấu trúc của chất ức chế tương tự cơ chất Khi chất ức chế gắn vào, enzym không thể gắn với cơ chất và phản ứng không xảy ra Nhiều thuốc là các chất ức chế cạnh tranh nên rất độc
  50. Ví dụ: captopril Blood pressure is regulated in kidney by renin, a specific proteolytic enzyme, which acts on angiotensinogen, the precursor for the active regulator. renin angiotensinogen→ angiotensin I asp-arg-val-tyr-ile-his-pro-phe-his-leu converting enzyme angiotensin II the active factor O peptide captopril HS-CH2-CH-C-N COOH captopril is ACE inhibitor CH3 pro-like here (angiotensin converting enzyme}
  51. Ức chế không cạnh tranh Cơ chất E + S E●S→ E + P + + I I   E●I E●S●l Chất ức chế E●I và E●S●I không tạo sản phẩm, làm cạn kiệt E và E●S
  52. Ức chế + I 1/v không cạnh tranh không I 1/[S] Độ dốc khác nhau, giao điểm 1/v khác nhau.
  53. Cơ chế phân tử: Chất ức chế gắn với enzym ở vị trí khác với vị trí gắn cơ chất. Chất ức chế thay đổi cấu hình enzym ở vị trí hoạt động, phản ứng không xảy ra E●I và E●S●I không sinh sản phẩm
  54. ức chê không thuận nghịch các chất có tính phản ứng gắn đồng hóa trị với enzym làm bất hoạt enzym Hầu như tất cả đều rất độc gắn với các nhóm chức năng tại vị trí hoạt động của enzym và khóa trung tâm hoạt động
  55. Example 1: diisopropyl fluorophosphate (DFP) binds covalently to serine in serine proteases & acetylcholinesterase - tool for biochemists sarin is a deadly nerve gas  Paralysis O Isopropyl-O-P-O-CH2- AChE CH3
  56. Example 2: penicillin and related antibiotics bind covalently to a peptidase involved in cell wall synthesis in bacteria Staphylococci, Streptococci sp. and others