Enzymes · ⁨Enzyme⁩

Enzyme là protein cầu — một loại protein có hình dạng tròn, tan trong nước. Chúng là chất xúc tác sinh học: chúng xúc tác (tăng tốc) các phản ứng hóa học trong sinh vật sống, và không bị tiêu hao, nên mỗi enzyme hoạt động lặp đi lặp lại.

Enzyme hoạt động tại hai vị trí:

• Enzyme trong tế bào hoạt động bên trong tế bào đã sản xuất ra chúng. Ví dụ là catalase, phân hủy hydrogen peroxide độc hại.
• Enzyme ngoài tế bào được tiết ra (đưa ra ngoài) để hoạt động bên ngoài tế bào. Ví dụ là amylase, được tiết vào ruột để tiêu hóa tinh bột.

Mỗi enzyme có một túi đặc biệt gọi là vị trí hoạt động. Phân tử mà nó tác động lên được gọi là cơ chất. Cơ chất vừa khít vào vị trí hoạt động để tạo thành phức hợp enzyme–cơ chất. Sau đó phản ứng xảy ra, và các sản phẩm rời đi, giải phóng vị trí hoạt động cho cơ chất tiếp theo.

Tính đặc hiệu

Một enzyme mang tính đặc hiệu: nó thường chỉ tác động lên một cơ chất duy nhất. Điều này là do hình dạng của vị trí hoạt động bù trừ (vừa khít) với hình dạng của cơ chất đó và không phải cơ chất nào khác. Chúng ta gọi hiện tượng này là tính đặc hiệu.

Hai giả thuyết giải thích cách cơ chất vừa khít:

• giả thuyết khóa và chìa — vị trí hoạt động có hình dạng cố định, và chỉ có cơ chất có hình dạng tương ứng mới vừa khít, giống như chìa khóa trong ổ khóa.
• giả thuyết khớp cảm ứng — ban đầu vị trí hoạt động chưa hoàn toàn đúng hình dạng. Khi cơ chất liên kết, vị trí hoạt động thay đổi hình dáng một chút để bao lấy cơ chất chặt chẽ hơn. Giả thuyết này phù hợp hơn với bằng chứng thực nghiệm.

Hạ năng lượng kích hoạt

Mọi phản ứng đều cần một "lực đẩy" nhỏ về năng lượng để khởi đầu, gọi là năng lượng kích hoạt. Một enzyme làm giảm năng lượng kích hoạt. Điều này cho phép phản ứng diễn ra nhanh chóng ở nhiệt độ bình thường của tế bào, thay vì phải cần nhiệt độ cao.

Bạn có thể theo dõi phản ứng enzyme theo hai cách:

• đo tốc độ tạo thành sản phẩm. Với catalase, khí oxy là sản phẩm, nên bạn thu thập khí và đo thể tích của nó theo thời gian.
• đo tốc độ biến mất của cơ chất. Với amylase, bạn lấy mẫu và dùng xét nghiệm iốt; màu xanh đen nhạt dần khi tinh bột bị tiêu thụ hết.

Một màu kế giúp việc này chính xác. Nó chiếu ánh sáng qua ống nghiệm và đo lượng ánh sáng bị hấp thụ, nên sự thay đổi màu sắc trở thành một con số bạn có thể vẽ biểu đồ.

Tốc độ phản ứng dốc nhất ở giai đoạn đầu (khi có nhiều cơ chất nhất), nên tốc độ ban đầu (độ dốc tại thời điểm không) là giá trị công bằng nhất để so sánh.

Ví dụ minh họa. Trong $20$ giây đầu tiên của phản ứng catalase, đã thu được $16\ \text{cm}^3$ khí oxy. Hãy ước tính tốc độ phản ứng.

Vì phản ứng diễn ra nhanh nhất ở giai đoạn đầu, việc đo lường trong khoảng thời gian ngắn ngay từ đầu sẽ cho ra giá trị gần với tốc độ ban đầu; trung bình hóa trên một khoảng thời gian dài hơn sẽ bao gồm cả những giai đoạn sau chậm hơn và dẫn đến đánh giá thấp tốc độ.

Nhiệt độ

Khi nhiệt độ tăng, các phân tử nhận thêm động năng và va chạm nhau thường xuyên hơn, nên tốc độ phản ứng tăng. Nhưng vượt quá nhiệt độ tối ưu, enzyme bắt đầu bị biến tính: nhiệt độ phá vỡ các liên kết giữ nguyên cấu trúc của nó, khiến vị trí hoạt động thay đổi và không còn vừa khít với cơ chất nữa. Tốc độ phản ứng lúc đó giảm mạnh.

Độ pH

Mỗi enzyme đều có độ pH tối ưu riêng. Nếu độ pH lệch quá xa khỏi mức này, enzyme sẽ bị biến tính và tốc độ phản ứng giảm. Để nghiên cứu độ pH một cách khách quan, người ta duy trì độ pH ổn định bằng dung dịch đệm.

Nồng độ enzyme

Khi có đủ cơ chất, nồng độ enzyme cao hơn đồng nghĩa với nhiều vị trí hoạt động hơn, nên tốc độ phản ứng tăng tỷ lệ thuận với nồng độ enzyme.

Nồng độ cơ chất

Ban đầu, việc tăng nồng độ cơ chất sẽ làm tăng tốc độ phản ứng. Nhưng khi tất cả các vị trí hoạt động đã bận rộn, việc thêm nhiều cơ chất hơn sẽ không tạo ra hiệu quả — tốc độ phản ứng đi ngang ở mức tối đa.

Nồng độ chất ức chế

Chất ức chế là một phân tử làm chậm hoạt động của enzyme. Nồng độ chất ức chế càng cao thì tốc độ phản ứng càng thấp.

Tốc độ đi ngang khi tất cả các vị trí hoạt động đã đầy đủ được gọi là tốc độ tối đa, ký hiệu $V_{\text{max}}$.

Hằng số Michaelis–Menten ($K_{\text{m}}$) là nồng độ cơ chất cung cấp một nửa $V_{\text{max}}$. Nó cho biết thông tin về tính ái (lực kéo) của enzyme đối với cơ chất của nó:

• Một giá trị $K_{\text{m}}$ thấp có nghĩa là enzyme đạt được một nửa tốc độ tối đa ở nồng độ chất nền thấp, cho thấy nó có độ ái lực cao.
• Một giá trị $K_{\text{m}}$ cao có nghĩa là độ ái lực thấp.

Vì vậy, $K_{\text{m}}$ cho phép bạn so sánh mức độ liên kết chặt chẽ giữa các enzyme khác nhau với chất nền của chúng.

Một số chất ức chế là thuận nghịch: chúng có thể tách khỏi enzymeared. Có hai loại.

Một enzyme cố định được gắn cố định tại chỗ — ví dụ như bị nhốt bên trong các hạt nhỏ alginate — thay vì trôi nổi tự do trong dung dịch. Dung dịch cơ chất chảy qua các hạt này.

Enzyme tự do thường hoạt động nhanh hơn một chút, vì cơ chất dễ dàng tiếp cận nó. Nhưng enzyme cố định có những lợi thế thực tế lớn:

• enzyme không bị rửa trôi, nên có thể sử dụng đi sử dụng lại nhiều lần.
• sản phẩm thuần khiết — không bị pha trộn với enzyme.
• enzyme ổn định hơn, nên chịu đựng tốt hơn sự thay đổi về nhiệt độ và pH.
• quá trình có thể diễn ra liên tục, với cơ chất chảy vào và sản phẩm chảy ra.

• Giải thích cơ chế hoạt động của enzyme bằng mô hình cảm ứng khớp (vị trí hoạt động uốn cong bao quanh cơ chất) — hiện được ưu tiên hơn mô hình khóa và chìa khóa.
• Vượt quá nhiệt độ tối ưu, enzyme biến tính (liên kết hydro và cấu trúc bậc ba bị phá vỡ) — viết "biến tính", tuyệt đối không viết "chết" hoặc "bị giết".
• Phân biệt các chất ức chế: cạnh tranh liên kết với vị trí hoạt động (có thể khắc phục bằng cách tăng chất nền, giữ nguyên $V_{max}$); không cạnh tranh liên kết ở nơi khác (làm giảm $V_{max}$).
• So sánh tốc độ bằng cách sử dụng tốc độ ban đầu (tiếp tuyến tại thời điểm không) — phép đo công bằng nhất, trước khi cơ chất trở thành yếu tố giới hạn.