CÁC DẠNG CẤU TRÚC CỦA PHÂN TỬ ENZYM – HÓA SINH Y HÀ NỘI
CHƯƠNG I. BÀI 2.2:
CÁC DẠNG CẤU TRÚC CỦA PHÂN TỬ ENZYM
1. Enzym đơn chuỗi và enzym đa chuỗi
Enzym có thể do một chuỗi hoặc nhiều chuỗi polypeptid tạo nên.
Enzym đơn chuỗi (monomer) là enzym chỉ do một chuỗi polypeptid cấu tạo nên, ví dụ: ribonuclease a, lysozym, lipase, pepsin, chymotrypsin…
Enzym đa chuỗi (oligomer hoặc polymer) là enzym do hai hoặc nhiều chuỗi polypeptid cấu tạo nên, ví dụ: aspartat transaminase (AST): 2 chuỗi, alkalin phosphatase (ALP): 2 chuỗi, creatin kinase (CK): 2 chuỗi, hexokinase (HK): 2 chuỗi, lactat dehydrogenase (LDH): 4 chuỗi, RNA polymerase: 5 chuỗi, ATP synthetase: 12 chuỗi, glutamat dehydrogenase (GLDH): 40 chuỗi.
2. Enzym dị lập thể (Allosteric enzym) và điều hòa hoạt tính enzym
Enzym dị lập thể là loại enzym ngoài trung tâm hoạt động còn một hoặc vài vị trí dị lập thể; trung tâm hoạt động đóng vai trò tiếp nhận cơ chất để xúc tác cho phản ứng enzym trong khi vị trí dị lập thể tiếp nhận yếu tố dị lập thể để điều chỉnh hoạt động xúc tác của enzym. Về cấu tạo phân tử, enzym dị lập thể có thể là enzym đơn chuỗi hoặc enzym đa chuỗi. Phân tử enzym dị lập thể có thể có loại vị trí dị lập thể dương, loại vị trí dị lập thể âm hoặc có cả hai.
(a) Với enzym dị lập thể khi có sự gắn chất dị lập thể âm, cấu hình enzym và trung tâm hoạt động thay đổi không thuận lợi cho sự gắn cơ chất để xúc tác và làm giảm tốc độ phản ứng.
(b) Tác dụng của yếu tố dị lập thể dương làm thuận lợi cho sự gắn cơ chất và tăng tốc độ phản ứng.
Khi vị trí dị lập thể dương tiếp nhận yếu tố dị lập thể dương A (chất hoạt hóa: activator) thì cấu hình enzym thay đổi theo hướng thuận lợi hơn cho việc gắn cơ chất, ái lực enzym với cơ chất tăng lên, sự tạo thành phức hợp enzym – cơ chất tốt hơn, tốc độ phản ứng tăng lên.
Khi vị trí dị lập thể âm tiếp nhận yếu tố dị lập thể âm I (chất ức chế: inhibitor) thì cấu hình enzym thay đổi theo hướng không thuận lợi cho việc gắn cơ chất, enzym bị ức chế, ái lực enzym với cơ chất giảm nên tốc độ phản ứng giảm đi.
Thông thường, những chất hoạt hóa dị lập thể là những chất đứng trước cơ chất trong chuỗi phản ứng, trong khi những chất ức chế dị lập thể là những chất đứng sau chuỗi phản ứng hoặc là sản phẩm cuối cùng của chuỗi phản ứng. Ví dụ: trong con đường đường phân, enzym phosphofructokinase là một enzym dị lập thể, được hoạt hóa bởi yếu tố dị lập thể dương là ADP và AMP, nhưng bị ức chế bởi yếu tố dị lập thể âm là ATP và citrat.
Hình 1.4. Trong chuỗi phản ứng từ chất A đến F. Để điều chỉnh tốc độ của cả quá trình rất nhiều phản ứng khi sản phẩm F
đã đáp ứng đủ nhu cầu tế bào; thay vì điều chỉnh kiểm soát các sản phẩm trung gian, sản phẩm cuối cùng F ức chế ngay enzym
ở phản ứng đầu tiên của quá trình.
Các enzym allosteric có đặc tính khác với các enzym không có vai trò điều hòa khác. Ngoài trung tâm hoạt động, enzym allosteric có một hoặc nhiều vị trí dị lập thể (allosteric) để gắn chất dị lập thể (chất điều hòa). Hình 1.3. Trung tâm hoạt động để gắn cơ chất, vị trí dị lập thể để gắn chất dị lập thể. Mỗi vị trí dị lập thể gắn với một chất dị lập thể. Một enzym allosteric có thể có vài vị trí dị lập thể khác nhau để gắn với các chất dị lập thể khác nhau. Trong các enzym đồng dạng (homotropic enzymes), trung tâm hoạt động và vị trí dị lập thể là giống nhau.
Các enzym allosteric thường lớn và có cấu trúc phức tạp thường gồm nhiều tiểu đơn vị. Ví dụ enzym Aspartate transcarbamoylase xúc tác phản ứng kết hợp carbamoyl phosphat và aspartat để hình thành carbamoyl aspartat. Đây là phản ứng đầu tiên trong quá trình tổng hợp các nucleotide pyrimidine. Aspartate transcarbamoylase có 12 chuỗi polypeptid được tổ chức thành 6 tiểu đơn vị xúc tác (2 phức hợp trimer) và 6 tiểu đơn vị điều hòa (3 phức hợp dimer).
Trong quá trình chuyển hóa của các tế bào, các nhóm enzym hoạt động cùng nhau trong các phản ứng liên tiếp, tuần tự để thực hiện một quá trình chuyển hóa, ví dụ quá trình phân hủy glucose tạo lactat hoặc sự tổng hợp qua nhiều phản ứng tạo ra một amino acid từ tiền chất đơn giản. Trong các hệ thống enzym như vậy, sản phẩm của phản ứng trước là cơ chất của phản ứng kế tiếp. Hầu hết các enzym trong mỗi quá trình trao đổi chất đều tuân theo các mô hình động học đã trình bày. Tuy nhiên, mỗi đường bào gồm một hoặc nhiều enzym có vai trò lớn hơn đến tốc độ chuyển hóa của toàn bộ quá trình. Những enzym điều hòa này thường là các enzym allosteric có hoạt tính xúc tác tăng hoặc giảm rất nhanh đáp ứng với các tín hiệu nhất định theo nhu cầu của tế bào. Thay đổi tốc độ phản ứng xúc tác bởi các enzym điều hòa này sẽ làm thay đổi nhanh chóng tốc độ toàn bộ quá trình chuyển hóa. Điều này cho phép tế bào đáp ứng nhanh chóng nhu cầu thay đổi về năng lượng và các phân tử sinh học cần thiết cho sự phát triển và sửa chữa.
Sự phát triển và sự sống của tế bào phụ thuộc vào việc sử dụng hiệu quả các nguồn nguyên liệu, và hiệu quả này được thực hiện bởi các enzym điều hòa.
Cần lưu ý là, ngoài enzym điều hòa là enzym allosteric, trong tế bào còn có cơ chế điều hòa quan trọng khác là thay đổi động hóa trị của một hoặc nhiều gốc acid amin trong phân tử enzym. Hơn 500 loại thay đổi động hóa trị đã được tìm thấy trong các phân tử protein-enzym. Các nhóm chức năng thay đổi thường là nhóm phosphoryl, acetyl, adenylyl, uridylyl, methyl, amid, carboxyl, myristoyl, palmitoyl, prenyl, hydroxyl, sulfat và các nhóm adenosine diphosphate ribosyl.
Một số enzym thay đổi hoạt tính chuyển từ dạng không hoạt động sang dạng hoạt động bằng cách thủy phân liên kết peptid loại bỏ đoạn peptid từ tiền chất enzym. Nhiều enzym protease của đường tiêu hóa được hoạt hóa theo cách này: chymotrypsinogen, trypsinogen, pepsinogen hoạt hóa thành chymotrypsin, trypsin, pepsin. Sau khi loại bỏ đoạn peptid, cấu hình enzym thay đổi và bộc lộ trung tâm hoạt động của enzym. Ngoài ra, một số các enzym protease tham gia vào quá trình đông máu cũng được hoạt hóa theo cách này.
3. Các dạng phân tử của enzym (isoenzym hoặc isozym)
Trong cùng một loài, cùng một cơ thể, có những enzym tuy cùng xúc tác một loại phản ứng hóa học nhưng lại tồn tại dưới những dạng phân tử khác nhau, có những tính chất vật lý và hóa học khác nhau. Các dạng phân tử khác nhau của một loại enzym được gọi là isoenzym hoặc isozym.
Ví dụ: phân tử enzym lactat dehydrogenase (LDH) do bốn tiểu đơn vị tạo nên, mỗi tiểu đơn vị là một chuỗi polypeptid cấu tạo nên. Các chuỗi này gồm hai loại, do hai gen khác nhau tổng hợp nên: chuỗi nguồn gốc tim (H) và chuỗi nguồn gốc cơ (M). Vì enzym LDH là loại enzym tetramer do bốn chuỗi polypeptid cấu tạo nên, cho nên sự tổ hợp giữa hai loại chuỗi polypeptid đã tạo thành năm dạng phân tử (isoenzym) của LDH khác nhau.
LDH do 4 chuỗi H tạo thành: HHHH
LDH do 3 chuỗi H và 1 chuỗi M tạo thành: HHHM
LDH do 2 chuỗi H và 2 chuỗi M tạo thành: HHMM
LDH do 1 chuỗi H và 3 chuỗi M tạo thành: HMMM
LDH do 4 chuỗi M tạo thành: MMMM
Vì vậy, LDH₁ được gọi là isoenzym kiểu tim và LDH₅ được gọi là isoenzym kiểu gan. Các isoenzym này có hằng số Michaelis (Km) và tốc độ phản ứng tối đa (Vmax) khác nhau.
Enzym creatin kinase (CK) do 2 chuỗi polypeptid cấu tạo nên: một chuỗi có nguồn gốc não (B) và một chuỗi có nguồn gốc cơ (M), do đó tạo thành 3 loại isoenzym: CK-BB, CK-MB và CK-MM.
Việc hiểu biết về các isoenzym có ý nghĩa trong thực tế lâm sàng do các dạng isoenzym khác nhau tồn tại ở các mô khác nhau. Khi tổn thương mô nào thì chỉ có dạng isoenzym đó tăng trong máu và khi đo hoạt độ riêng dạng isoenzym đó sẽ tăng và có tính đặc hiệu chẩn đoán. Ví dụ khi nghi ngờ bệnh nhân bị nhồi máu cơ tim, người ta đo hoạt độ CK-MB (có nhiều ở cơ tim, được giải phóng tim huyết thanh có giá trị hơn nhiều khi đo hoạt độ CK toàn phần gồm cả 3 dạng isoenzym).
4. Các tiền chất của enzym
Một số enzym sau khi được tổng hợp còn ở dạng chưa có hoạt tính (dạng không hoạt động) được gọi là các tiền enzym (proenzym hoặc zymogen). Các tiền chất này khi được bài tiết vào môi trường khác nghiệt của cơ thể sẽ chịu tác dụng thủy phân của môi trường, bị thủy phân cắt đi một đoạn polypeptid vốn che lấp trung tâm hoạt động để bộc lộ trung tâm hoạt động, làm cho enzym được hoạt hóa, trở nên dạng enzym chính thức có hoạt tính.
Các tiền enzym có tên tiếp vị ngữ là ogen, ví dụ: các tiền enzym của đường tiêu hóa chưa có hoạt tính như pepsinogen, trypsinogen và chymotrypsinogen sau khi được bài tiết vào đường tiêu hóa sẽ bị thủy phân, loại bỏ một đoạn peptid để trở thành các enzym chính thức có hoạt tính tương ứng là pepsin, trypsin và chymotrypsin; tiền enzym có thể có tiếp đầu ngữ “pro”, ví dụ: tiền enzym của thrombin là prothrombin.
5. Phức hợp đa enzym
Phức hợp đa enzym là một phức hợp gồm nhiều các phân tử enzym khác nhau nhưng có liên quan với nhau trong một quá trình chuyển hóa nhất định, kết tụ với nhau thành một khối nhiều enzym. Không thể tách riêng từng enzym trong phức hợp đa enzym bởi vì tách ra, các enzym riêng biệt trong phức hợp đa enzym sẽ bị biến tính và mất hoạt tính. Sự kết tụ các enzym tạo thành phức hợp đa enzym có tác dụng tăng cường sự cộng tác của các enzym khác nhau trên một quá trình hoặc chuỗi chuyển hóa gồm nhiều phản ứng, làm tăng hiệu lực và hiệu quả xúc tác.
Ví dụ phức hợp đa enzym pyruvat dehydrogenase xúc tác cho chuỗi phản ứng biến pyruvat thành acetyl CoA (Hình 1.7). Chuỗi phản ứng này gồm bốn phản ứng với sự tham gia của phức hợp đa enzym pyruvat dehydrogenase gồm ba enzym pyruvat dehydrogenase, dihydrolipoyl transacetylase và dihydrolipoyl dehydrogenase với bốn coenzym là thiamin pyrophosphat (TPP), acid lipoic, coenzym A và NAD⁺.
Cập nhật thông tin mới nhất về kiến thức y học và test y học tại facebook TEST Y HỌC
Tham gia nhóm zalo: Tài Liệu Y Học Tổng Hợp
Ôn thi nội trú, sau đại học TẠI ĐÂY
