NĂNG LƯỢNG, ENZIM VÀ QUÁ
TRÌNH CHUYỂN HÓA

Hằng triệu người, kể cả các vận động viên nổi tiếng như
ngôi sao hockey Wayne Gretzky, Hank Aaron vĩ đại của
bóng chày và vô địch Olympic mười môn phối hợp Bruce
Jenner đều bị tàn tật bởi bệnh viêm khớp. Cho tới gần đây,
các bác sĩ vẫn kê đơn Aspirin cho bệnh nhân để làm dịu sự
sưng tấy gây nhức nhối kinh niên ở các khớp viêm. Hàng
nghìn năm nay, các thầy thuốc ở các nền văn hóa khác nhau
đã biết rằng vỏ cây liễu có tính kháng viêm làm giảm đau
và sưng tấy. Vào năm 1829, các nhà hóa học người Đức đã
tách được thành phần có hoạt tính trong vỏ cây liễu, và sau
này trong thế kỷ đó các nhà hóa học khác đã hiệu chỉnh hóa
học nó để tạo ra một dược chất còn hiệu quả hơn-chính là
aspirin. Mặc dù loại thuốc này vẫn có tác dụng, nó có một
số tác dụng phụ không tốt như gây đau rát ở dạ dày và làm
giảm khả năng đông máu.

Chỉ khi các nhà hóa sinh học phát hiện ra cơ chế hoạt động
của aspirin thì các tác dụng có lợi và các tác dụng không
mong muốn của nó mới có thể được giải thích. Họ khám
phá ra rằng aspirin gắn kết với một amino acid đặc thù
(Serine) ở một protein gọi là Cyclooxygenase, hay COX và
gắn vào amino acid này một nhóm Acetyl. Chức năng bình
thường của COX trong cơ thể là hoạt động như một
enzyme: một chất xúc tác để đẩy nhanh sự chuyển biến một
acid béo mạch thẳng thành cấu trúc vòng. Phân tử acid béo
đi vào một đường ống trên đại phân tử enzyme, nơi nó trải
qua một biến đổi hóa học đặc hiệu, sau đó rời khỏi enzyme.
Dạng vòng của acid béo này kích thích hiện tượng viêm ở

khớp, sữa chữa các vết thương ở dạ dày và giúp đông máu.
Khi serine ở COX bị acetyl hóa bởi phản ứng với aspirin,
enzyme không còn đẩy nhanh sự sản xuất cấu trúc vòng
nữa. Không có COX sự tạo thành cấu trúc vòng vẫn xảy ra
nhưng ở tốc độ rất chậm. Vì vậy khi COX bị ức chế bởi
Aspirin, hiện tượng viêm khớp được giảm nhẹ, nhưng kèm
theo là sự hủy hoại dạ dày và sự giảm đông máu.

Quá trình tìm kiếm tiếp tục để tìm ra một loại thuốc chống
viêm "tốt hơn": một loại thuốc chỉ ngăn chặn COX ở khớp.
Trong những năm của thập kỷ 90, các nhà hóa sinh đã tình
cờ thành công. Họ phát hiện ra rằng thực ra có hai loại
enzyme COX, một loại tác động vào dạ dày và các tế bào
máu (COX-1) và một loại khác tác động vào khớp (COX-
2). Khi họ xác định trình tự của hai enzyme này, họ phát
hiện ra rằng chúng chỉ khác nhau ở một amino acid: COX-1
có một Isoleucine to lớn tại vị trí Valine nhỏ hơn của COX-
2. Valine ở COX-2 làm lộ ra một đường ống bên hông đại
phân tử enzyme trong khi đường ống này bị bịt bởi
Isoleucine ở COX-1.
Các nhà sinh hóa sử dụng kiến thức về thành phần protein
và cấu trúc để thiết kế ra các phân tử nhầm mục đích ngăn
chặn một cách đặc hiệu đường ống COX-2 mà không có
ảnh hưởng gì đến COX-1. Những loại thuốc mới (celecoxib
và rofecoxib) làm dịu các triệu chứng viêm khớp mà không
gây tác dụng phụ đến dạ dày và máu. Sự phát triển nhanh
chóng của các loại thuốc trên đại diện cho một nghiên cứu
điển hình trong quá trình thiết kế tân dược: ngăn chặn một
sự chuyển biến hóa học cụ thể trong tế bào bằng cách ngăn
chặn enzyme đặc hiệu xúc tác cho nó.


Hàng ngàn các phản ứng có xúc tác enzyme xảy ra mọi lúc
ở mọi cơ thể sinh vật, mỗi phản ứng được xúc tác bởi một
protein đặc hiệu có cấu trúc ba chiều đặc thù. Cùng với
nhau các phản ứng này tạo nên quá trình chuyển hóa, chính
là toàn bộ các hoạt động hóa học của một cơ thể sống; ở bất
kỳ thời điểm nào quá trình chuyển hóa đều gồm có hàng
nghìn các phản ứng hóa học riêng rẽ. Nhiều phản ứng
chuyển hóa có thể được phân loại là phản ứng xây đắp sự
phức tạp trong tế bào, sử dụng năng lượng để làm điều đó,
hoặc phân hủy các chất phức tạp thành các chất đơn giản
hơn và giải phóng năng lượng trong quá trình đó.

Chương này quan tâm đến năng lượng và các enzyme. Nếu
không có chúng, cả chúng ta lẫn các sinh vật khác sẽ không
có khả năng thực hiện các chức năng. Trước khi tìm hiểu
enzyme thực hiện ma thuật phân tử như thế nào chúng ta sẽ
xem xét các nguyên lý chung về năng lượng trong các hệ
sinh học.

Năng lượng và sự chuyển đổi năng lượng

Các nhà vật lý định nghĩa năng lượng là khả năng sinh
công, xảy ra khi một lực tác động vào một vật trên một
khoảng cách nào đó. Trong hóa sinh sẽ thuận lợi hơn nếu ta
xem năng lượng là khả năng thay đổi. Không có tế bào nào
tạo ra năng lượng cả-mọi sinh vật sống phải thu lấy năng
lượng từ môi trường. Thực ra một trong những định luật cơ
bản của vật lý là năng lượng không thể được tạo ra hay bị
phá hủy. Tuy nhiên năng lượng có thể chuyển đổi từ dạng

này sang dạng khác và các tế bào sống thực hiện rất nhiều
những chuyển đổi năng lượng như vậy. Các quá trình
chuyển đổi năng lượng được liên kết với các chuyển đổi
hóa học xảy ra trong tế bào-như sự phá vỡ các liên kết hóa
học, sự chuyển động của các chất qua màng v.v.

Biến đổi năng lượng liên quan đến biến đổi vật chất

Năng lượng tồn tại dưới nhiều dạng: hoá năng, quang năng
và cơ năng, nhưng tất cả các dạng này có thể được xếp
thành 2 dạng cơ bản :

- Động năng gắn với sự chuyển rời vị trí các vật. Động
năng phụ thuộc vào sự thay đổi vị trí và trạng thái của vật
.Nó có thể tồn tại ở dạng năng lượng nhiệt, điện năng, cơ
năng, quang năng, hay các dạng năng lượng khác.

- Thế năng gắn với trạng thái và vị trí của vật mang năng
lượng . Nó có thể tồn tại trong các liên kết hoá học, như sự
chênh lệch nồng độ hay điện thế, hay những dạng khác.

Nước bị ngăn trong các đập có thế năng. Khi nước được xả
ra từ các đập phần thế năng của chúng chuyển thành dạng
động năng, phần năng lượng này được khai thác để sản
xuất điện năng phục vụ sản xuất và đời sống.(hình 6.1).
Tương tự như vậy axit béo chứa năng lượng hoá học trong
trong các liên kết C – H và liên kết C – C của chúng. Năng
lượng này có thể được giải phóng để thực hiện công hoá
sinh.


Trong tất cả các tế bào sinh vật xuất hiện 2 loại phản ứng
chuyển hoá:

- Quá trình đồng hoá (sự đồng hoá ) liên kết các phân tử
đơn giản hình thành các các phân tử phức tạp hơn. Quá
trình tổng hợp Protein từ các axitamin là 1quá trình đồng
hoá. Quá trình đồng hoá là quá trình tích luỹ năng lượng từ
các các liên kết hoá học đã hình thành.

- Quá trình dị hoá (sự dị hoá) phá vỡ các đại phân tử phức
tạp thành các phân tử đơn giản và giải phóng năng lượng.
tích luỹ trong các liên kết hoá học. Đông hoá và dị hoá
thường diễn ra song song với nhau. Năng lượng được giải
phóng trong quá trình dị hoá đựoc sử dụng để đồng hoá tức
là thực hiện công sinh học. Các hoạt động của tế bào : phát
triển, di chuyển và vận chuyển các ion qua màng… đều cần
đến năng lượng, không có quá trình nào được thực hiện mà
không cần được cung cấp năng lượng . Trong phần tiếp
theo chúng ta sẽ xem xét các định luật chi phối quá trình
chuyển hoá năng lượng, tìm ra năng lượng sẵn có cho quá
trình thực hiện công sinh học và xem xét chiều truyền năng
lượng.

ĐỊNH LUẬT THỨ NHẤT: NĂNG LƯỢNG KHÔNG
TỰ NHIÊN SINH RA CŨNG KHÔNG TỰ NHIÊN
MẤT ĐI

Năng lượng có thể được chuyển từ dạng này sang dạng
khác. Ví dụ bằng cách đánh que diêm ta đã biến hóa thế
năng thành ánh sáng và nhiệt. Định luật thứ nhất của

nhiệt động học nói rằng trong bất kỳ biến đổi năng lượng
nào như vậy, năng lượng không sinh ra cũng không bị phá
huỷ.

Định luật một cho chúng ta biết rằng trong bất kỳ biến đổi
năng lượng từ dạng này sang dạng khác, tổng năng lượng
trước và sau biến đổi là như nhau (hình 6.2a). Như ta sẽ
thấy ở hai chương tiếp theo, hóa thế năng trong các liên kết
hóa học của các carbohydrate và lipid có thể được chuyển
thành thế năng ở dạng ATP. Năng lượng này sau đó có thể
được sử dụng để tạo thế năng ở dạng gradient nồng độ thiết
lập bởi vận chuyển chủ động, và có thể được chuyển thành
động năng để thực hiện công cơ học, ví dụ co cơ.

Không phải tất cả các năng lượng có thể sử dụng và hỗn
loạn có xu thế tăng

Định luật hai của nhiệt động học nói rằng mặc dù năng
lượng không thể được tạo ra hay phá huỷ, khi năng lượng
được chuyển từ dạng này sang dạng khác thì một số năng
lượng trở thành dạng không có khả năng sinh công (Hình
6.2b). Nói cách khác, không có quá trình vật lý hay hóa học
nào là hiệu suất 100% cả và không phải tất cả năng lượng
giải phóng đều có thể chuyển thành công. Một số năng
lượng bị lấy đi vào dạng liên quan đến sự hỗn loạn. Định
luật hai đúng cho tất cả các biến đổi năng lượng nhưng ở
đây chúng ta sẽ tập trung vào các phản ứng hóa học trong
tế bào sống.

KHÔNG PHẢI TẤT CẢ NĂNG LƯỢNG ĐỀU DÙNG

ĐƯỢC

Trong bất kỳ hệ nào, tổng năng lượng bao gồm năng lượng
sử dụng được có thể sinh công và năng lượng không sử
dụng được mất đi vào sự hỗn loạn:

tổng năng lượng = năng lượng dùng được + năng lượng
không dùng đượcTrong các hệ sinh học, tổng năng lượng
được gọi là enthalpy (H). Năng lượng sử dụng được có khả
năng sinh công gọi là năng lượng tự do (G). Năng lượng tự
do là những gì tế bào đòi hỏi cho mọi phản ứng hóa học
trong sinh trưởng tế bào, phân bào và duy trì trạng thái
khỏe mạnh của tế bào. Năng lượng không sử dụng được
được biểu diễn bởi entropy (S), là đại lượng đo độ hỗn loạn
của hệ thống, nhân với nhiệt độ tuyệt đối (T). Vì vậy chúng
ta có thể viết lại phương trình chữ trên một cách chính xác
hơn là

H = G + TSVì chúng ta quan tâm đến năng lượng sử dụng
được, chúng ta biến đổi biểu thức trên thành:

G= H - TSMặc dù chúng ta không thể đo G, H hay S một
cách tuyệt đối, chúng ta có thể xác định sự biến đổi của mỗi
đại lượng ở nhiệt độ không đổi. Những biến đổi năng lượng
này được đo bằng calories (cal) hoặc joules (J)(Xem
chương 2). Đại lượng biến đổi trong năng lượng được biễu
diễn bằng chữ delta (Δ)

ΔGphảnứng = Gsảnphẩm - GthamgiaGiá trị của đại lượng
biến đổi có thể âm hoặc dương.

Ở nhiệt độ không đổi, ΔG được định nghĩa theo sự biến đổi
của năng lượng tổng số và sự biến đổi của entropy (Δ):

ΔG = ΔH - TΔSPhương trình này nói cho ta biết năng
lượng được giải phóng hay tiêu thụ bởi một phản ứng hóa
học:
 Nếu ΔG âm (ΔG < 0) năng lượng được giải phóng
 Nếu ΔG dương (ΔG > 0) phản ứng đòi hỏi năng lượng
(tiêu thụ).
Nếu năng lượng tự do không có sẵn thì phản ứng sẽ
không tự xẩy ra

Dấu và độ lớn của ΔG phụ thuộc vào hai đại lượng bên
phải của phương trình:
 ΔH: trong một phản ứng ΔH là tổng năng lượng thêm
vào phản ứng (ΔH > 0) hoặc giải phóng (ΔH <0).
 ΔS: Phụ thuộc vào dấu và độ lớn của ΔS, đại lượng
TΔS có thể âm hoặc dương, lớn hoặc nhỏ. Nói các khác
trong các hệ thống sống ở nhiệt độ không đổi (T không
đổi), độ lớn và dấu của ΔG có thể phụ thuộc rất nhiều vào
entropy. Biến đổi lớn về entropy làm cho ΔG âm hơn như
đã cho thấy bằng dấu trừ ở trước thừa số TΔS.
Nếu một phản ứng hóa học tăng entropy thì sản phẩm của
nó sẽ hỗn loạn hơn chất tham gia phản ứng. Nếu có nhiều
sản phẩm hơn chất tham gia phản ứng như trong phản ứng
thủy phân của một protein thành các amino acid, các sản
phẩm có khá nhiều tự do để có thể chuyển động xung
quanh. Độ hỗn loạn của một dung dịch amino acid sẽ lớn
hơn so với độ hỗn loạn của protein trong đó các liên kết
peptide và các lực khác ngăn cản sự chuyển động tự do. Vì

vậy trong phản ứng thủy phân thay đổi về entropy (ΔS) sẽ
dương.

Nếu có ít sản phẩm hơn và chúng bị hạn chế chuyển động
hơn so với chất tham gia phản ứng thì ΔS sẽ âm. Ví dụ một
protein lớn liên kết bởi các liên kết peptide ít có tự do trong
di chuyển hơn một dung dịch của hàng trăm hay hàng ngàn
amino acid tổng hợp nên nó.

Độ hỗn loạn có xu thế tăng

Định luật thứ hai của nhiệt động học cũng dự đoán rằng, độ
hỗn loạn có xu hướng tăng như một hệ quả của sự chuyển
đổi năng lượng. Biến đổi hóa học, vật lý và các quá trình
sinh học tất cả đều có xu hướng tăng entropy và vì vậy có
xu hướng đi đến hỗn loạn (Hình 6.2b). Xu hướng đi đến
hỗn loạn này cho ta chiều hướng xảy ra của một quá trình
vật lý hoặc hóa học. Nó giải thích tại sao một số phản ứng
xảy ra theo một chiều nào đó mà không phải chiều khác.
Định luật hai áp dụng như thế nào đối với các sinh vật? Lấy
cơ thể con người với các cấu trúc có độ phức tạp cao được
tạo nên từ những phân tử đơn giản. Sự tăng về độ phức tạp
rõ ràng trái với định luật hai. Nhưng điều này không phải
như ta nghĩ! Tạo nên một 1 kg cơ thể con người đòi hỏi 10
kg vật liệu sinh học được chuyển hóa và trong quá trình đó
chúng được chuyển thành CO2, H2O và các phân tử đơn
giản hơn và các biến đổi này đòi hỏi rất nhiều năng lượng.
Quá trình chuyển hóa này tạo ra nhiều hỗn loạn hơn trật tự
trong 1 kg cơ thể. Sự sống đòi hỏi sự nạp năng lượng
thường xuyên để duy trì trật tự. Không có sự trái ngược nào

với định luật hai của nhiệt động học cả.

Sau khi đã thấy các định luật vật lý về năng lượng áp dụng
cho các sinh vật sống, chúng ta sẽ chuyển sang xem xét các
định luật này áp dụng cho các phản ứng hóa học như thế
nào.

Các phản ứng hóa học giải phóng hoặc hấp thu năng
lượng

Trong tế bào các phản ứng đồng hóa có thể chỉ tạo nên một
sản phẩm duy nhất, ví dụ protein (một chất có mức trật tự
cao) từ nhiều chất tham gia nhỏ hơn, ví dụ amino acid (mức
độ cấu trúc thấp hơn). Những phản ứng như vậy đòi hỏi,
tức tiêu thụ năng lượng. Các phản ứng dị hóa có thể phá vỡ
một chất tham gia có trật tự, như phân tử glucose, thành
những những sản phẩm phân tán một cách ngẫu nhiên hơn
như carbon dioxide và nước. Những phản ứng như vậy giải
phóng năng lượng. Nói cách khác một số phản ứng giải
phóng năng lượng tự do và một số khác tiêu thụ.

Lượng năng lượng giải phóng (-ΔG) hay tiêu thụ (+ΔG) bởi
một phản ứng liên quan trực tiếp đến xu hướng của một
phản ứng đi đến tận cùng (điểm mà tại đó tất cả chất tham
gia được chuyển thành sản phẩm):
 Một số phản ứng có xu hướng đi đến tận cùng mà
không cần năng lượng. Những phản ứng này giải phóng
năng lượng và được gọi là phản ứng giải năng và có ΔG
âm (Hình 6.3a).
 Các phản ứng đi đến tận cùng chỉ khi thêm năng lượng

tự do từ môi trường là các phản ứng thu năng và có ΔG
dương (Hình 6.3b).
Nếu một phản ứng giải phóng năng lượng khi diễn ra theo
một chiều (ví dụ từ chất tham gia A thành sản phẩm B) thì
phản ứng ngược lại (B thành A) đòi hỏi sự cung cấp năng
lượng liên tục để có thể xảy ra. Nếu A > B là tỏa năng
(ΔG<0) thì B >A là thu năng (ΔG>0).
Về nguyên tắc các phản ứng hóa học có thể xảy ra theo hai
chiều thuận và nghịch. Ví dụ nếu hợp chất A có thể chuyển
thành hợp chất B (A >B) thì về nguyên tắc B có thể được
chuyển thành A (B >A) và chỉ một trong hai chiều phản
ứng sẽ được ưu tiên. Hãy coi một phản ứng tổng cộng là
kết quả từ sự cạnh tranh giữa các phản ứng thuận và phản
ứng nghịch (A<=>B). Tăng nồng độ của chất tham gia (A)
làm tăng tốc độ phản ứng thuận, và tăng nồng độ của sản
phẩm (B)tạo thuận lợi cho phản ứng nghịch. Ở một nồng
độ nào đó của A và B các phản ứng thuận và nghịch diễn ra
ở cùng tốc độ. Ở nồng độ này tổng biến đổi trong hệ thống
bằng không mặc dù từng phân tử vẫn hình thành hoặc phân
huỷ. Sự cân bằng giữa các phản ứng thuận và nghịch này
được biết dưới tên gọi cân bằng hóa học. Cân bằng hóa học
là một trạng thái cân bằng tĩnh, một trạng thái không có sự
thay đổi và là một trạng thái trong đó ΔG = 0.

Cân bằng hóa học và năng lượng tự do có liên quan đến
nhau

Mọi phản ứng hóa học đều xảy ra đến một mức độ nào đó,
nhưng không nhất thiết đến
ATP: Transferring energy in cells


ATP: QUÁ TRÌNH TRAO ĐỔI NĂNG LƯỢNG TRONG
TẾ BÀO

ATP hydrolysis releases energy

THỦY PHÂN ATP GIẢI PHÓNG NĂNG LƯỢNG
ATP couples exergonic and endergonic reactions

ATP ĐI KÈM THEO CÁC PHẢN ỨNG GIẢI PHÓNG
VÀ THU NĂNG LƯỢNG

Enzyme chất xúc tác sinh học

Khi chúng ta biết được năng lượng tự do của phản ứng thì
chúng ta sẽ biết được điểm cân bằng của phản ứng, điểm
mà tại đó năng lượng tự do của phản ứng nhỏ hơn không và
phản ứng không diễn ra nữa. Tuy nhiên năng lượng tự do
thì không cho chúng ta biết tốc độ của phản ứng, nó chỉ cho
chúng ta biết sự thay đổi của điểm cân bằng của phản ứng
khi có sự thay đổi của năng lượng tự do. Những phản ứng
nếu cứ theo các cách thông thường xẩy ra trong cơ thể thì
chúng sẽ điễn ra quá chậm để chúng có thể dóng góp cho
sự sống, trừ khi trong tế bào có cơ chế làm tăng tốc độ phản
ứng của chúng. Đó là vai trò của các chất xúc tác, chúng
làm tăng tốc độ của phản ứng mà không làm thay đổi bản
chất của phản ứng. Chất xúc tác không làm thay đổi kết quả
của phản ứng, mà chỉ lam thay đổi tốc độ của phản ứng
theo cả hai chiều thuận và nghịch. Theo đó phản ứng sẽ
tiếp cận điểm cân bằng nhanh hơn.

Một chất xúc tác quan trọng phải kể đến đó là các protein
chúng được gọi là các enzyme. mặc dù phần lớn các
enzyme là protein nhưng vẫn có một vài loại có bản chất
không phải là protein. Chúng có thể là các ribozime có bản
chất là các ARN. Có thể trong nguồn gốc phát triển của các
chất xúc tác, nó không chỉ có bản chất là protein mà còn có
bản chất của nhiều chất khác như ADN chẳng hạn, nhưng
trong quá trình tiến hóa đã chon protien như là một chất
xúc tác chính bởi tính đa dạng cao của chúng trong cấu trúc
bậc ba và sự đa dạng trong chức năng sinh học của chúng.

Chúng ta sẽ đi sâu vào tìm hiểu về năng lượng cản trở các
phản ứng xẩy ra từ đó chúng ta sẽ thấy được vai trò của
enzyne. Như làm thế nào mà chúng tương tác với các phản
ứng, làm thế nào mà chúng hạ thấp được năng lượng phản
ứng, làm thế nào mà chúng cho phép phản ứng diễn ra
nhanh hơn và làm thế nào mà một enzyme có thể liên kết
với cơ chất.

For a reaction to proceed an energy barrier must be
overcome

ĐỂ MỘT PHẢN ỨNG XẢY RA CẦN VƯỢT QUA
ĐƯỢC RÀO CẢN NĂNG LƯỢNG
Enzyme bind specific reactant molecules

ENZYME GẮN ĐẶC HIỆU VỚI PHÂN TỬ CHẤT
THAM GIA PHẢN ỨNG

Enzyme làm giảm rào cản năng lượng nhưng không

làm thay đổi điểm cân bằng của phản ứng

Phản ứng xẩy ra giữa enzyme và cơ chất diến ra rất phức
tạp, nhưng năng luợng hoạt hóa trong phản ứng có enzyme
xúc tác thì nhỏ hơn hơn nhiều so với cá phản ứng không có
enzyme xúc tác( hình 611), do enzyme đã hạ thấp được
năng lượng cản trở phản ứng, vì vậy nó tạo điều kiện cho
phản ứng diễn ra dễ dàng hơn.

khi một enzyme làm giảm rào cản năng lượng của phản
ứng thì nó làm tăng tốc độ của phản ứng theo cả hai chiều
thuận và nghịch. Vì thế chất xúc tác enzyme làm cho phản
ứng tới gần điểm cân bằng nhanh hơn phản ứng không có
enzyme xúc tác.

Hơn nữa một enzyme phản ứng không làm thay đổi năng
lượng tự do của phản ứng giữa chất tham gia phản ứng và
sản phảm tạo thành(hình 611). Nó không làm thay đổi hoạt
động năng lượng, nhưng có ảnh hưởng đến tốc độ phản
ứng. Lấy một ví dụ như sau nếu ta có 600 phân tử protein
với arginine là amino acid cuối cùngtan vào dung dịch. Các
phân tử protein sẽ chuyển dịch theo hướng hỗn loạn, và
mạch peptid cuối cùng sẽ bị phá vỡ, giả phóng ra arginine,
cứ theo cách này thì sau 7 năm một nửa luợng protein tức
(300 phân tử) sẽ tham gia phản ứng. Nhứng nếu có mặt cuẩ
chất xúc tác enzyme thì để phản ứng xẩy ra hết 300 phân tử
protein chỉ cần mất nủa dây.

What are the chemical events at active sites of enzymes?


NHỮNG SỰ KIỆN HÓA HỌC GÌ XẢY RA Ở CÁC VỊ
TRÍ HOẠT ĐỘNG CỦA ENZYME?
cấu trúc phân tử quyết định chức năng của enzyme

Hầu hết enzyme (và cả các riobozyme) đều có kích thước
lớn hơn nhiều so với cơ chất của chúng. Enzyme thông
thường là một protein chứa hàng trăm axit amin, và có thể
được tạo nên từ một chuỗi polypeptide duy nhất hoặc nhiều
tiểu đơn vị (nhiều chuỗi). Còn cơ chất của chúng thường là
một phân tử nhỏ, Trung tâm hoạt động của enzyme thường
khá nhỏ, chứa không nhiều hơn 6-12 axit amin. Hai câu hỏi
nảy sinh từ quan sát này:
 Tính chất gì làm cho trung tâm hoạt động của enzyme
có thể nhận biết và kết hợp với cơ chất?
 Vai trò của phần protein rất lớn còn lại?
TRUNG TÂM HOẠT ĐỘNG CÓ TÍNH ĐẶC HIỆU
VỚI CƠ CHẤT

Khả năng phi thường của enzyme để chọn đúng chính xác
loại cơ chất phụ thuộc vào sự khớp nhau một cách chính
xác về hình dạng phân tử và các tương tác của các nhóm
hoá học ở vị trí liên kết. Sự kết hợp cơ chất vào trung tâm
hoạt động cũng phụ thuộc vào cùng các lực duy trì cấu trúc
bậc 4 của enzyme: lực liên kết hydrogen, lực hút và đẩy các
nhóm tích điện, và cả tương tác kị nước. Năm 1894, nhà
hoá học người Đức Emil Fischer đã so sánh tính vừa khớp
của enzyme và cơ chất giống như sự khớp nhau của ổ khoá
và chìa khoá. Mô hình của Fischer tồn tại hơn nửa thế kỷ
chỉ với các sự chứng minh gián tiếp. Bằng chứng trực tiếp
đầu tiên xuất hiện vào năm 1965 khi David Phillips và các

cộng sự của ông ở học việc Royal Lodon đã thành công
trong việc kết tinh enzyme lysozyme và xác định cấu trúc
bậc 4 của nó khi sử dụng kĩ thuật kết tinh nhờ tia X (sẽ
được miêu tả trong chương 11). Họ quan sát thấy một cấu
trúc lõm trên lysozyme có hình dạng vừa khớp với cơ chất
của nó. (hình 6.13)

Enzyme thay đổi cấu hình không gian khi gắn với cơ
chất

Vì là một protein nên cấu trúc enzyme không phải là không
biến đổi. Giống như là cấu trúc protein lòng trắng trứng
thay đổi khi trứng bị đun nóng, rất nhiều enzyme thay đổi
cấu trúc của nó (mặc dù ở mức độ nhỏ hơn) khi nó kết hợp
với cơ chất. Sự thay đổi hình dạng đó làm lộ ra vùng trung
tâm hoạt động của enzyme, phần sẽ phản ứng với cơ chất.
Sự thay đổi hình dạng đó của enzyme do kết hợp với cơ
chất được gọi là sự vừa khớp hình dạng do cảm ứng.
Sự vừa khớp cảm ứng này có thể quan sát thấy ở enzyme
hexokinase (hình 6.14) khi nó được nghiên cứu trong điều
kiện có mặt và không có mặt cơ chất-glucose (một cơ chất
khác của nó là ATP). Nó xúc tác phản ứng :

glucose + ATP > glucose 6-phosphate + ADP

Sự vừa khớp cảm ứng mang các chuỗi bên hoạt dộng của
trung tâm hoạt động của enzyme vào các vị trí sóng đôi với
cơ chất, tạo điều kiện cho cơ chế xúc tác đã mô tả ở trên
diễn ra dễ dàng hơn (hình 6.12). Một điều không kém quan
trọng là sự gập của hexokinase để kết hợp với cơ chất

glucose khiến nước không thể đi vào trung tâm hoạt động.
Điều đó là cần thiết bởi vì 2 cơ chất kết hợp với enzyme là
glucose và ATP, nếu nước có mặt thì ATP có thể bị thủy
phân thành ADP và phosphate. Nhưng vì nước không có
mặt nên sự chuyển P từ ATP sang glucose được ưu tiên. Sự
khớp cảm ứng ít nhất cũng giải thích một phần về nguyên
nhân enzyme có kích thước lớn. Phần phân tử lượng lớn có
thể đóng 2 vai trò sau:
 nó cung cấp một khung (giá) cấu trúc để các axit amin
của trung tâm hoạt động được bố trí một cách phù hợp đối
với cơ chất.
 nó tham gia vào những biến đổi nhỏ nhưng có ý nghĩa
trong hình dạng và cấu trúc của protein, tạo nên sự khớp
cảm ứng.
Một số enzyme cần các phân tử khác để có thể hoạt
động

Mặc dù có kích thước lớn và phức tạp nhưng rất nhiều
enzyme phải có sự hiện diện của các phân tử không protein
khác để có thể thưc hiện chức năng của mình. Một số phân
tử "đối tác" đó gồm có:
 cofactor (đồng nhân tố): đó là các ion vô cơ như đồng
kẽm hoặc sắt kết hợp với một số enzmye và quyết định bản
chất của enzyme.
 Coenzyme: các phân tử chứa cácbon này cần cho hoạt
động của một hoặc nhiều enzyme. Coenzyme thường tương
đối nhỏ so với enzyme mà chúng thường kết hợp tạm thời
hình 6.15)
 Các nhóm bộ phận giả (chân giả, tay giả, mắt giả):
Những nhóm phân tử khác biệt này gắn kết vĩnh viễn với

enzyme. Chúng bao gồm các nhóm heme được gắn vào
protein vận chuyển oxy,heamoglobin (cho thấy ở hình 3.8).
Coenzyme giống như các cơ chất không gắn cố định với
enzyme, và cần tiếp xúc với enzyme và kết hợp vào trung
tâm hoạt động. Một coenzyme có thể được coi là một cơ
chất bởi vì nó thay đổi tính chất hoá học trong khi phản ứng