ENZYME

            Nói một cách đơn giản nhất, enzyme là chất xúc tác protein được sử dụng trong tự nhiên để tạo điều kiện thuận lợi cho các quá trình biến đổi hóa học cần thiết để duy trì sự sống. Khái niệm về enzym được Wilhelm Kühne đề xuất lần đầu tiên vào năm 1877, nhưng phải đến nhiều năm sau, người ta mới công nhận rằng enzym là một loại protein. Men urease của đậu Jack, enzyme chịu trách nhiệm chuyển urê thành amoniac và carbon dioxide, được kết tinh bởi James B. Sumner vào năm 1926 và là enzyme đầu tiên được công nhận là một protein. Kể từ thời điểm đó, hàng ngàn enzym đã được xác định là chất trung gian chính của một loạt các chức năng sinh học như truyền tín hiệu, co cơ, điều chỉnh kích thước tế bào, nhiễm virus và huỳnh quang. Cho đến nay đã xác định được sáu loại enzym. Với nhiều chức năng và tầm quan trọng của chúng, không có gì ngạc nhiên khi các enzym thường là mục tiêu của các chương trình khám phá thuốc.

            Về mặt cấu trúc, các enzym bao gồm một loạt các axit amin gấp và xoắn để tạo thành hình dạng ba chiều cụ thể dựa trên các tương tác hóa học được mô tả trước đó. Số lượng axit amin cần thiết cho hoạt động của enzym rất thay đổi. Một trong những enzym nhỏ nhất, 4-oxalocrotonate tautomerase, chuyển đổi 2-hydroxymuconate thành 2-oxo-3-hexenedioate, chỉ bao gồm 62 axit amin. Mặt khác, tổng hợp axit béo, một loại enzim quan trọng trong quá trình tổng hợp axit béo, là một trong những loại enzim lớn nhất với hơn 2500 gốc axit amin.

            Mặc dù có kích thước khổng lồ nhưng các enzym có bản chất rất đặc hiệu, thường chỉ xúc tác một phản ứng duy nhất trên một phạm vi cơ chất rất hẹp và phần kinh doanh của protein, vị trí hoạt động, chỉ là một phần nhỏ của enzym có chiều dài đầy đủ. Phần còn lại của enzym về cơ bản là giàn giáo cần thiết để tạo ra vị trí hoạt động, giống như khung của một tòa nhà, cung cấp hỗ trợ cấu trúc tạo ra các phòng trong tòa nhà. Bản thân vị trí hoạt động có thể được xem như một khe hở hoặc kẽ nứt trong khuôn khổ của một loại enzyme được tạo ra bởi các chất cặn bã xung quanh vị trí đó. Các axit amin tạo nên thành của vị trí hoạt động quy định tính đặc hiệu của enzym bằng cách sử dụng các loại tương tác giống nhau để định hướng hình dạng của protein tổng thể. Các bức tường của vị trí hoạt động cung cấp giới hạn của steric về những gì sẽ phù hợp về mặt vật lý trong vị trí hoạt động và các chuỗi bên axit amin khác nhau có thể tạo thành các tương tác tích cực với chất nền. Các chuỗi bên thơm (ví dụ, phenylalanin) tạo cơ hội cho các tương tác xếp chồng π và liên kết π giữa cơ chất và enzym, trong khi tương tác kỵ nước có thể xảy ra giữa các chuỗi bên của axit amin không phân cực và vùng không cực của phân tử cơ chất. Các liên kết hydro cũng có thể được hình thành giữa chất nền và các axit amin vị trí hoạt động, thông qua các chuỗi bên của chúng (ví dụ, arginine, asparagin, v.v.) hoặc với xương phía sau amide của protein. Các hợp chất không thể đáp ứng các tiêu chí nghiêm ngặt cần thiết để liên kết tại vị trí hoạt động của một enzym thì không thể là cơ chất cho enzym.

            Câu hỏi làm thế nào các enzym đẩy nhanh các phản ứng hóa học đã được các nhà khoa học xem xét trong hơn 100 năm. Có lẽ giả thuyết sớm nhất về cơ chế enzym được Emil Fischer đưa ra vào năm 1894. Mô hình “khóa và chìa khóa” của ông đã đề xuất rằng enzym và chất nền phải có hình dạng hình học bổ sung, khớp chính xác với nhau để enzym hoạt động phân tử đã cho. Lý thuyết của Fischer đã được Brown và Henri sửa đổi một cách độc lập, mỗi người đều cho rằng các phản ứng enzym xảy ra thông qua phức hợp enzym-cơ chất. Lý thuyết đã được sửa đổi thêm vào năm 1958 bởi Daniel Koshland với việc bổ sung khái niệm "sự phù hợp gây ra". Khía cạnh bổ sung này của lý thuyết cơ học enzym gợi ý rằng sự liên kết của một cơ chất với vị trí hoạt động có thể tạo ra những thay đổi về cấu trúc đối với chính enzym. Những thay đổi về cấu trúc này có thể làm tăng hoạt tính xúc tác của enzym bằng cách di chuyển các gốc chính sang hướng thích hợp để xúc tác phản ứng mong muốn.

            Mặc dù chúng phức tạp hơn nhiều khi so sánh với các chất xúc tác axit đơn giản có thể được sử dụng để điều chế một este từ rượu và axit cacboxylic, các đặc điểm chính xác định chất xúc tác vẫn giống nhau. Các enzym hoạt động để tăng tốc độ phản ứng tồn tại trước đó đạt đến trạng thái cân bằng bằng cách giảm năng lượng hoạt hóa cần thiết để phản ứng tiến hành. Anhydrase carbonic của người, chẳng hạn, xúc tác quá trình chuyển đổi CO2 thành H2CO3 với tốc độ gần 108 lần so với phản ứng chưa ly giải, trong khi orotidine-5′-phosphate decarboxylase làm tăng tốc độ chuyển đổi orotidine-5′-phosphate thành uridine- 5'-photphat bằng 1017 qua phản ứng không có enzym. Ngoài ra, giống như các đối tác không sinh học của chúng, các enzym không thay đổi bởi quá trình xúc tác. Khi quá trình chuyển đổi từ cơ chất thành sản phẩm hoàn tất, enzyme tự do gặp phân tử cơ chất khác và lặp lại chu trình cho đến khi đạt được trạng thái cân bằng hóa học.

Hình 3.12 (a) Lý thuyết năm 1894 của Emil Fischer rằng các enzym và chất nền (S) phải có hình dạng giống nhau để xúc tác phản ứng tạo thành sản phẩm (P) là cơ sở của sự hiểu biết hiện đại về các phản ứng enzym. Khái niệm về sự hình thành phức hợp enzyme / cơ chất thoáng qua như một chất trung gian phản ứng sau đó được Brown và Henri đề xuất. (b) “Sự phù hợp cảm ứng”, lý thuyết cho rằng liên kết của một cơ chất với một enzym có thể gây ra những thay đổi trong cấu hình tổng thể của enzym để tạo ra một cấu trúc có khả năng hỗ trợ xúc tác phản ứng, được Koshland đưa ra vào năm 1958.

Hình 3.13 (a) Trong trường hợp không có chất xúc tác, một phản ứng nhất định sẽ tiến hành từ nguyên liệu ban đầu (S) đến sản phẩm (P) theo cách của trạng thái chuyển tiếp trung gian (I) có năng lượng cao hơn nguyên liệu ban đầu. Năng lượng cần thiết để đạt được trạng thái chuyển tiếp được gọi là năng lượng hoạt hóa (ΔG). Nói chung, việc giảm năng lượng hoạt hóa của phản ứng dẫn đến tốc độ phản ứng cao hơn. (b) Một loại enzim đóng vai trò là chất xúc tác cho phản ứng, làm giảm năng lượng hoạt hóa của phản ứng bằng cách hình thành các chất trung gian có năng lượng thấp hơn (phức hợp enzim / cơ chất, ES). Tương tác liên kết giữa cơ chất và enzym làm giảm nhu cầu năng lượng, trong một số trường hợp tạo thành nhiều chất trung gian năng lượng thấp hơn làm giảm năng lượng hoạt hóa tổng thể của phản ứng.

            Việc kiểm tra cơ chế phản ứng phân cắt các liên kết peptit bởi serine protease (còn được gọi là serine endopeptidase) mô tả các nguyên tắc của cơ chế phản ứng enzyme (Hình 3.14). Enzyme này sử dụng nhiều loại tương tác liên kết hydro và chuỗi bên serine quan trọng để thủy phân các liên kết amide trong xương sống peptide của protein. Trong trường hợp không có chất xúc tác, quá trình thủy phân các liên kết amide đòi hỏi điều kiện khắc nghiệt, nhưng serine protease có thể thực hiện phản ứng này với tốc độ cực cao. Sự xâm nhập ban đầu của cơ chất vào vị trí hoạt động được theo sau bởi phản ứng của serine-195 với cơ chất (a) để cung cấp chất trung gian phức hợp cơ chất enzyme (b). Sự hình thành chất trung gian này được hỗ trợ bởi sự tương tác tạo liên kết hydro của các axit amin khác trong vị trí hoạt động. Axit aspartic-102 và histidine-57 tạo ra sự deproto hóa của serine-195 thông qua liên kết hydro, cho phép nó phản ứng với liên kết amide. Mặt khác, cacbonyl của chất nền amide được tạo ra phản ứng mạnh hơn thông qua các tương tác của nó với ser- ine-195 và glycine-193. Chất trung gian thoáng qua được hình thành trong bước đầu tiên này sau đó tổ chức lại với sự mất đi phần amin của liên kết amit, để lại cacbonyl amit cũ liên kết với serine-195 như một este (c). Mặc dù este kém bền hơn amit nhưng sự phân cắt của este cũng diễn ra chậm khi không có chất xúc tác. Este serine-195 (c) phản ứng với một phân tử nước với sự hỗ trợ của các chuỗi bên axit amin có cùng vị trí hoạt động hỗ trợ sự phân cắt liên kết amit để tạo thành chất trung gian thoáng qua thứ hai (d) có thể sắp xếp lại để đẩy ra phần đầu C của cơ chất peptit, để enzim sẵn sàng cho cơ chất mới (e).

            Các hợp chất hữu cơ cũng đóng một vai trò chính như coenzyme. Cytochrome P450 17A1, còn được gọi là 17-α-hydroxylase / C17,20-lyase, trong xét nghiệm, có vai trò quan trọng trong việc sản xuất một số hợp chất sinh học quan trọng như progestin, mineralocorticoid, glucocorticoid, androgen, và estrogen, nhưng nó yêu cầu sự hiện diện của một đơn vị heme dựa trên sắt. Các hợp chất có hoạt tính oxy hóa khử như nicotinamide adenine dinu-cleotide phosphate (NADP) và flavin adenine dinucleotide (FAD) là những đồng yếu tố quan trọng trong các quá trình trao đổi chất khác nhau. Các coenzyme quan trọng khác bao gồm coenzyme A, adenosine-5’-triphosphate (ATP), coen-zyme Q và heme B. Việc tái chế các coenzyme thường được thực hiện thông qua một con đường enzym độc lập.