Enzim

 Enzim (Enzyme - E)

Enzim là chất xúc tác sinh học có hoạt tính cao tác động trong môi trường phù hợp với sự sống. Các chất tham gia trong phản ứng do E xúc tác gọi là cơ chất (ký hiệu S). E có tính đặc hiệu tuyệt đối hoặc tương đối. Trong quá trình chuyển hóa vật chất và năng lượng trong tế bào sản phẩm của phản ứng này sẽ là cơ chất của phản ứng tiếp theo

Ngày nay, người ta đã có thể tổng hợp được một số E bằng phương pháp hoá học, các E này gọi là synzyme. Các kháng thể có hoạt tính xúc tác gọi là abzyme. Axit ribonucleic có hoạt tính xúc tác gọi là ribozyme.666

1. Cấu trúc phân tử Enzim (E)

1.1. Thành phần cấu tạo

Enzim  được cấu trúc từ protein  ngoài ra còn có Coenzim.

E có thành phần là protein gọi là E một thành phần. E có cấu trúc gồm protein (apoenzyme -ApoE) và coenzyme (CoE) gọi là E hai thành phần ( Holoenzyme -HoloE). Coenzyme (CoE) đóng vai trò là trung tâm hoạt động của E và làm bền E. ApoE và quyết định tính đặc hiệu của E và làm tăng hiệu quả xúc tác của CoE. CoE thường là các dẫn xuất của các vitamin hoà tan trong nước. Vì vậy khi thiếu một vitamin nào đó sẽ ảnh hưởng đến hoạt độ của E tương ứng trong tế bào dẫn đến ảnh hưởng quá trình trao đổi chất trong cơ thể gây ra những bệnh lý đặc trưng. Nhiều kim loại cũng có vai trò quan trọng đối với hoạt tính xúc tác của E (Ví dụ: Cu, Zn, Co,…), các kim loại này cũng được gọi là cofactor.

1.2. Các bậc cấu trúc của phân tử E

Bản chất của E là phân tử protein có dạng hình hạt, vì vậy cũng có các bậc cấu trúc như protein là bậc 1, 2, 3, 4.

(i) Cấu trúc bậc 1: Là trình tự sắp xếp các a.a trong phân tử, được giữ vững nhờ liên kết peptit.  Khi thay đổi một vài a.a trong phân tử thì có thể làm thay đổi hoạt tính xúc tác của E.

+) Cấu trúc bậc 2: Là cấu trúc xoắn cục bộ như xoắn a, b, … Cấu trúc bậc 2 được giữ vững chủ yếu nhờ liên kết hydrogen. Tỷ lệ % các kiểu cấu trúc bậc 2 cũng như % của một kiểu cấu trúc trong phân tử của các E khác nhau là không giống nhau. Ví dụ: Tỷ lệ xoắn a trong phân tử lysozyme là 35%, trong ribonucleaza là 17%...

(ii). Cấu trúc bậc 3: Là dạng cuộn lại trong không gian của toàn bộ chuỗi polypeptit có dạng như một khối cầu. Đặc tính cấu trúc cũng như độ bền của cấu trúc bậc 3 chủ yếu nhờ các tương tác yếu như liên kết hydro, tương tác ion giữa các nhóm tích điện trái dấu,… Liên kết hydro được tạo thành giữa hydro của các nhóm NH⁺ hoặc OH^- với oxy của các nhóm OH^- hoặc CO⁺. Các tương tác yếu có thể dễ dàng tạo thành hay cắt đứt nhanh chóng làm cho dạng không gian của phân tử linh động, có tính mềm dẻo, có thể thay đổi theo điều kiện hoặc khi tiếp xúc với cơ chất, đây là đặc tính rất quan trọng đối với hoạt tính xúc tác của E.

(iii). Cấu trúc bậc 4 (E. oligomer): Là những E có hai hay nhiều chuỗi polypeptit (đã có cấu trúc bậc 3) liên kết với nhau. Mỗi chuỗi polypeptit thành viên gọi là phần dưới đơn vị, các phần dưới đơn vị có thể giống nhau hay khác nhau, tuỳ theo số lượng phần dưới đơn vị mà có tên gọi tương ứng là dimer, tetramer, hexamer,… Phần lớn E oligomer có phần dưới đơn vị là số chẵn, chỉ có một số ít E oligomer là số lẻ.

Phần lớn các E đã biết là các E oligomer có khối lượng phân tử lớn. Các E oligomer được điều hoà nhanh, chính xác và đa dạng hơn các E monomer. Hình dạng phân tử của các E thì khá đa dạng.

1.3. Trung tâm hoạt động của E (TTHĐ)

Mặc dù toàn bộ phân tử E có vai trò quan trọng đối với hoạt tính xúc tác của E, tuy nhiên có một phần nhỏ của phân tử E kết hợp với cơ chất, tham gia trực tiếp phản ứng tạo thành hoặc cắt đứt các liên kết của phân tử cơ chất để tạo ra sản phẩn của phản ứng được gọi là TTHĐ của E.

TTHĐ của E có những đặc điểm sau:

+) Chỉ chiếm một thể tích nhỏ trong phân tử nằm trong “túi” (Pocket) hay trong “khe” (Ueft) ở gần hoặc trên bề mặt phân tử.

+) Bao gồm các nhóm chức khác nhau của gốc R của Axit amin, các phân tử H₂O liên kết, các nhóm chức của CoE… Các nhóm chức của a.a thường gặp trong TTHĐ của E như SH, nhóm cacboxyl, nhóm – OH,… Khi các nhóm này bị bao vây thì E mất hoạt tính. Biết được các nhóm chức trong TTHĐ của E thì khi sử dụng E cần tránh các chất có thể phản ứng với chúng.

+) Có cấu hình không xác định, dưới tác dụng của các yếu tố bên ngoài hay khi tương tác với cơ chất hoặc các chất khác.

Trong nhiều trường hợp còn có các ion kim loại, nếu kim loại giữ vai trò xúc tác thì E sẽ mất hoạt tính khi tách bỏ kim loại và hoạt tính được phục hồi (tái hoạt hoá) sau khi thêm ion kim loại vốn có trong E.

Các ion kim loại thường gặp trong TTHĐ của E như Fe, Co, Mn, Zn, Cu,… Các kim loại này có thể liên kết với các a.a hoặc ở trong thành phần của CoE.

+) Cấu hình không gian giữa TTHĐ và cơ chất được hình thành trong quá trình E tiếp xúc với cơ chất.

+) Tương tác giữa E với S là những tương tác yếu dễ dàng bị cắt đứt trong quá trình phản ứng để giải phóng E và sản phẩm phản ứng.

+) TTHĐ của các E có cấu trúc bậc 4 có thể định vị ở một phần dưới đơn vị, hoặc ở trên các phần dưới đơn vị khác nhau, do đó khi phân li thành các phần dưới đơn vị thì hoạt tính của E bị giảm hoặc mất hoạt tính.

2. Phân loại và đặt tên E (Có bản chất Protein)

Từ năm 1961, Hội nghị hoá sinh quốc tế đã thống nhất phân loại các E thành 6 lớp chính dựa vào kiểu phản ứng do E xúc tác như sau:

Bảng 1.2. Bảng phân loại và đặt tên enzim (có bản chất protein)

1.Oxydoneductaza:	Xúc tác cho các phản ứng oxy hoá - khử.
2. Transpheraza:	Xúc tác cho phản ứng chuyển vị từ cơ chất này sang cơ chất khác.
3. Hydrolaza:	Xúc tác cho phản ứng thuỷ phân (bẻ gãy các liên kết)
4. Lyaza:	Xúc tác cho phản ứng cắt đứt liên kết tạo thành 2 phân tử nhưng không cần nước hoặc loại H2O tạo thành nối đôi hoặc kết hợp phân tử H2O vào nối đôi.
5. Isomeraza:	Xúc tác sự tái phân bố các nguyên tử trong cơ chất, làm biến đổi đồng phân này thành đồng phân khác, nghĩa là xúc tác cho phản ứng đồng phân hoá.
6. Lifgaza:	Xúc tác tạo liên kết hoá học mới có sử dụng năng lượng từ ATP. Lifgaza xúc tác sự tổng hợp nên hydratcacbon, protein và các đại phân tử khác.

            Tên gọi của E thường theo phản ứng mà chúng xúc tác hoặc theo cơ chất mà chúng tác động cộng đuôi aza. Ví dụ: Các enzym xúc tác phản ứng thuỷ phân gọi là enzym thuỷ phân và có tên là Hydrolaza, hoặc theo cơ chất tác động (xenlulaza , lipaza , proteaza)… Ngoại lệ, nhiều enzym được gọi bằng tên người phát hiện đầu tiên như enzym pepsin.  

3.  Hoạt động của E

3.1. Cơ chế hoạt động của E

Mỗi E có thù hình không gian đặc thù (TTHĐ) phù hợp với cấu trúc cơ chất mà nó xúc tác. Hiện tượng xảy ra theo ba bước:

1.       Cơ chất được liên kết với TTHĐ của E bằng liên kết ion yếu tạo nên phức hệ E-S.

2.       Sản phẩm của phản ứng được tạo thành.

3.       E được giải phóng nguyên vẹn và có thể tiếp tục xúc tác lên cơ chất mới.

Đối với một số E, ngoài TTHĐ còn có vùng đặc trưng khác được gọi là trung tâm điều chỉnh thì đòi hỏi phải có nhân tố điều chỉnh, chúng liên kết với trung tâm điều chỉnh và làm cho TTHĐ biến đổi thù hình phù hợp với S.

Trong bất kì phản ứng hoá học nào, các phân tử tham gia phản ứng đều cần nhận được một số năng lượng cần thiết từ xung quanh trước khi phản ứng có thể xảy ra. Năng lượng cần nhận để làm mất ổn định các liên kết hoá học vốn có và khởi động phản ứng được gọi là năng lượng hoạt hoá. Quá trình tác động lên liên kết hoá học để giảm năng lượng hoạt hoá gọi là sự xúc tác. Trong các hệ thống sống tế bào, mô, cơ thể thì E là chất xúc tác sinh học làm giảm năng lượng hoạt hoá bằng cách liên kết với S và làm thay đổi hình dạng của chúng, E làm giảm năng lượng hoạt hoá của phản ứng.

3.2. Điều hoà hoạt động của E

Hoạt động của E được điều hoà bằng nhiều cơ chế:

+) Sự định khu và phân bố hoạt động của E: Mỗi loại E có tác động đặc hiệu lên một loại cơ chất và một loại phản ứng. Ví dụ: Pepsin hoạt động trong dạ dày phân giải protein, nhưng chúng được sinh ra trong tế bào và do đó có thể phá huỷ tế bào. Tuy nhiên tế bào sinh ra chúng lại ở dạng pepsinogen (tiền En zim) không có hoạt tính và chỉ khi được tiết vào dạ dày có pH Axit thì chuyển đổi từ pepsinogen thành pepsin...

+) Điều hoà hoạt động theo mối liên hệ ngược: Những họ E hoạt động phối hợp theo kiểu dây chuyền nối tiếp nhau. Các sản phẩm trung gian hoặc sản phẩm cuối cùng của dây chuyền là nhân tố hoạt hoá hoặc kìm hãm các E của phản ứng trước hay sau dây chuyền.

+) Điều hoà dị hình không gian: Là cơ chế điều chỉnh hình thù TTHĐ của E làm cho nó ở trạng thái hoạt động hoặc bất hoạt. Thường thì TTHĐ được điều chỉnh thay đổi hình thù thông qua trung tâm điều chỉnh bằng cách liên kết với các nhân tố điều chỉnh

3.3. Tính chất và vai trò của E

3.3.1. Tính chất của E

+) Hoạt tính mạnh: Hoạt tính mạnh của E thường được biểu hiện bằng số vòng quay, tức là số phân tử cơ chất được chuyển hoá trong thời gian 1 giây bởi 1 phân tử E. Ví dụ: Số vòng quay của E catalaza (Phân giải H₂O₂ ® H₂O + O₂) là 4x10⁷, của E chymotripxin (Phân giải Protein) là 1x10²,… Đa số E có số vòng quay vào khoảng 1000 -10000 lần.

+) Tính chuyên hoá đặc hiệu: Đa số E có tính chuyên hoá tuyệt đối. Tuy nhiên cũng có những E chuyên hoá tương đối, có thể tác động lên nhiều cơ chất có cấu trúc gần giống nhau.

+) Sự phối hợp hoạt động giữa các E: Trong tế bào các E thường hoạt động theo kiểu dây chuyền, nghĩa là sản phẩm của E trước là cơ chất của E sau. Ví dụ: trong hạt lúa mạch đang nẩy mầm có quá trình:

Tinh bột ————® Maltoza ————® Glucoza

+) Tồn tại của E trong tế bào: Trong tế bào E có thể ở dạng hoà tan trong tế bào chất, ví dụ như các E của quá trình đường phân, hoặc định khu trong các bào quan của tế bào, ví dụ: Các E thuỷ phân trong lizoxom, các E oxy hoá – khử của chu trình crep nằm trong ti thể.

+) E được tổng hợp tại các ribôxôm và được sử dụng trong tế bào được gọi là E nội bào hoặc E được tiết ra khỏi tế bào môi trường và thực hiện xúc tác trong môi trường được gọi là E ngoại bào. Ví dụ: Vi khuẩn và nấm tiết ra E ngoại bào để phân giải các chất, ở động vật các E ngoại bào như amilaza, pepsin,… đổ vào ống tiêu hoá để tiêu hoá thức ăn.

3.3.2. Vai trò của E

Có thể khái quát vai trò của E gồm 2 điểm cơ bản:

+) Xúc tác các phản ứng hoá học: Nhờ xúc tác của E mà sự đồng hoá và dị hoá diễn ra một cách nhanh chóng trong điều kiện bình thường của cơ thể sống.

+) Kiểm soát các phản ứng hoá học đặc biệt. Nhờ có tính đặc thù cao nên E kiểm soát được các phản ứng hoá học đặc biệt và điều chỉnh tốc độ phản ứng tương ứng với điều kiện trao đổi chất của cơ thể.

3.3.3. Những yếu tố ảnh hưởng đến hoạt tính của E.

+) Nhiệt độ: Đa số E hoạt động ở nhiệt độ tối ưu là 40 -50⁰C. Vận tốc phản ứng do E xúc tác chỉ tăng lên khi tăng nhiệt độ trong một giới hạn nhất định, chưa ảnh hưởng đến cấu trúc của E.  Đại lượng đặc trưng cho ảnh hưởng của nhiệt độ đến vận tốc phản ứng là hệ số Q₁₀ là tỷ lệ của vận tốc phản ứng ở một nhiệt độ nào đó so với vận tốc phản ứng ở nhiệt độ thấp hơn 10⁰C

Phần lớn phản ứng E có hệ số Q₁₀ là 2, tức là vận tốc phản ứng của E tăng cao 2 lần khi nhiệt độ tăng lên 10⁰C cho đến khi đạt tới nhiệt độ tối ưu (điểm K). Ở nhiệt độ tối ưu hoạt tính của E đạt tối đa. Sau điểm K hoạt tính của E giảm dần cho tới điểm D thì E mất hoạt tính hoàn toàn. Đối với đa số E, nhiệt độ điểm D là 60⁰C, vì ở nhiệt độ này E đã bị biến tính (không còn duy trì cấu hình không gian bình thường). Mỗi loại E có nhiệt độ tối ưu riêng. Ở động vật đó là nhiệt độ của cơ thể. Ở một số thực vật và vi khuẩn E có nhiệt độ tối ưu cao, ví dụ ở cây đu đủ E papaza có nhiệt độ tối ưu tới 65⁰C, ở vi khuẩn cổ nhiệt độ tối ưu là 90 - 100⁰C.

+) Độ pH: Mỗi loại E chỉ hoạt động trong một giới hạn độ pH nhất định, ví dụ: E amilaza có hoạt tính tối đa ở pH = 7, nếu dung dịch trở nên Axit (dưới 7 đến 4) hoặc trở nên kiềm (từ 7 đến 9) hoạt tính của E bị giảm. Ở độ pH 4 và 9 E mất hoạt tính. Có những loại E hoạt động tốt trong điều kiện Axit mạnh (ví dụ E pepsin trong dạ dày) hoặc kiềm mạnh (các E trong ruột non). Nếu độ pH tối ưu bị thay đổi sẽ dẫn đến kìm hãm hoặc phá huỷ E.

+) Nồng độ cơ chất: Khi nồng độ cơ chế tăng thì hoạt tính của E tăng theo nhưng chỉ tăng đến một giới hạn nào đó và về sau khi nồng độ cơ chất vẫn tăng thì hoạt tính của E không tăng lên nữa. Nếu nồng độ E tăng cao thì hiệu suất hoạt động của E lại tăng lên.

+) Nồng độ E: Nói chung, trong điều kiện thừa cơ chất, tốc độ phản ứng phụ thuộc tuyến tính vào nồng độ E:

V = k[E]    (V: vận tốc phản ứng; [E]: nồng độ E)

Cũng có những trường hợp khi nồng độ E quá lớn thì tốc độ phản ứng của E tăng chậm. Vì thế người ta thường tiến hành lựa chọn nồng độ E trước khi xác định hoạt độ E hoặc nghiên cứu động học phản ứng E.

+) Các chất ức chế E: Hoạt tính của E có thể bị ức chế bởi một số chất khác nhau, thường được phân thành hai loại chất ức chết là ức chế cạnh tranh và ức chế không cạnh tranh.

+) Các chất ức chế cạnh tranh:

Các chất này thường có cấu tạo hoá học và hình thù khá giống với cơ chất. Khi có mặt cả cơ chất và chất ức chế thì sẽ xẩy ra sự cạnh tranh về TTHĐ dẫn đến sự kìm hãm hoạt động của E. Ví dụ cơ chất của E sucxinatdehydrogenaza là Axit sucxinic và sản phẩm là Axit Fumaric, nhưng khi có mặt của Axit malonic thì hoạt tính của E này bị kìm hãm, vì Axit malonic có cấu tạo giống với Axit sucxinic nên tạm thời chiếm lĩnh TTHĐ của E tạo thành phức hệ E. Chất ức chế bền vững không còn TTHĐ cho cơ chất. Một lượng nhỏ chất ức chế cũng đủ làm giảm mạnh tốc độ phản ứng.

+) Các chất ức chế không cạnh tranh:

Là các chất ức chế không kết hợp với TTHĐ của E và không chịu ảnh hưởng của nồng độ cơ chất. Các chất ức chế không cạnh tranh thường là các ion kim loại nặng như ion thuỷ ngân, bạc,… Các chất này kết hợp với phân tử E gây nên những biến đổi gián tiếp hình thành TTHĐ làm cho nó không còn phù hợp với cấu hình của cơ chất. Nhiều chất độc như các muối Arsen, Xyanic,… cũng có tác động như thế.

3.4. Một số ứng dụng của E trong sản xuất và đời sống

3.4.1. Ứng dụng của E

E có những đặc tính ưu việt so với các chất xúc tác khác:

+) Có hiệu quả xúc tác cao, có thể làm tăng vận tốc phản ứng lên tới 10⁵ – 10¹² lần so với khi không có xúc tác.

+) Có thể hoạt động ở điều kiện nhiệt độ, áp suất bình thường (nhiệt độ 20 - 40⁰C, pH từ 5 - 8).

+) Có tính đặc hiệu cao.

Nhiều loại E không bị mất hoạt tính trong dung môi hữu cơ. Do đó sử dụng E sẽ đem lại hiệu quả kinh tế cao, không gây ảnh hưởng xấu đến môi trường.

Có thể sử dụng E theo hai cách:

Cách 1: Không tách E khỏi nguyên liệu, điều chỉnh các yếu tố vật lý, hoá học thích hợp cho hoạt động của E sẵn có để chuyển hoá cơ chất sẵn có trong nguyên liệu.

Cách này đã được sử dụng từ lâu, dễ thực hiện, nhưng phạm vi ứng dụng có giới hạn.

Cách 2: Tách E khỏi nguyên liệu, sản xuất các chế phẩm E có độ sạch khác nhau để sử dụng trên nhiều đối tượng khác nhau, vào nhiều lĩnh vực khác nhau.

Theo cách này, E được sử dụng rộng rãi hơn, nhưng cần phát triển công nghệ E, tìm biện pháp để làm giảm giá thành chế phẩm E.

E đã và đang được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như:

- Nghiên cứu khoa học, nghiên cứu cấu trúc phân tử.

- Phân tích các chất, xác định chính xác hàm lượng các chất.

- Ứng dụng trong công nghiệp thực phẩm và các ngành công nghiệp khác.

- Ứng dụng trong y, dược.

3.4.2. Sản xuất E

Ngày nay E đã được sản xuất trên quy mô công nghiệp bằng quá trình nuôi cấy vi sinh vật trên dây chuyền tự động trong các lò phản ứng sinh học. Người ta đã sử dụng công nghệ gen để tạo ra nhiều giống vi sinh vật chuyển gen nhằm tạo ra nhiều chế phẩm E đáp ứng nhu cầu sử dụng trong sản xuất và đời sống. Nhiều loại E được sản xuất với khối lượng lớn, như proteaza từ vi khuẩn khoảng 500tấn/năm, glucoamilaza khoảng 300 tấn/năm, α-amilaza khoảng 300 tấn/năm, glucoisomeaza khoảng 50 tấn/năm,…