Mục lục bài họcĐang ở d03-b1
Activation Energy, Active Sites and Rate
What an enzyme does, and what it does not do
An enzyme is a globular protein that acts as a biological catalyst: it speeds up a reaction by lowering the activation energy, the minimum energy a pair of colliding molecules must have before they can react. It does this by holding substrate molecules in the correct orientation, by straining the bonds that are to be broken, and by providing a chemical environment in the active site that favours the transition state. What an enzyme does not do is change the overall energy difference between substrate and product, and it does not make an energetically unfavourable reaction happen. It also emerges unchanged, so a single molecule turns over many thousands of substrate molecules per second.
Lock and key, and induced fit
The lock and key model says the active site already has a shape exactly complementary to the substrate. The induced fit model, which the syllabus prefers, says the active site is flexible: as the substrate enters, the enzyme changes shape slightly so that the fit becomes exact, and it is this change that strains the substrate's bonds. Induced fit explains why some enzymes accept a small family of related substrates and why competitive inhibitors that merely resemble the substrate can bind without reacting.
Measuring a rate honestly
Rate must be measured as an initial rate, that is, the gradient of the tangent drawn at time zero. Later in the run the substrate concentration has fallen, product may inhibit the enzyme and the reaction may be reversing, so any gradient taken from the middle of the curve underestimates the true rate. Practically, the rate is found as the amount of product formed divided by time, for example $\text{cm}^3$ of oxygen per second, or as the reciprocal of the time taken to reach a fixed end point.
Enzyme làm gì, và tuyệt đối không làm gì
Enzyme là protein hình cầu đóng vai chất xúc tác sinh học: nó tăng tốc phản ứng bằng cách hạ activation energy (năng lượng hoạt hoá) — mức năng lượng tối thiểu mà hai phân tử va vào nhau phải có thì mới phản ứng được. Nó hạ bằng ba cách: giữ các phân tử cơ chất đúng hướng, làm căng đúng những liên kết sắp bị cắt, và tạo trong active site một môi trường hoá học thuận lợi cho trạng thái chuyển tiếp. Thứ enzyme không làm: nó không đổi chênh lệch năng lượng giữa cơ chất và sản phẩm, và nó không làm cho một phản ứng bất lợi về năng lượng trở nên xảy ra được. Nó cũng không bị tiêu hao, nên một phân tử enzyme xử lý được hàng nghìn phân tử cơ chất mỗi giây.
Lock and key và induced fit
Mô hình lock and key (ổ khoá và chìa) nói active site đã có sẵn hình dạng bổ trợ khít với cơ chất. Mô hình induced fit (khớp cảm ứng), mô hình mà syllabus 9700 ưu tiên, nói active site mềm dẻo: khi cơ chất đi vào, enzyme đổi hình một chút cho khớp hẳn, và chính cú đổi hình đó làm căng liên kết của cơ chất. Induced fit giải thích được vì sao một số enzyme nhận cả một nhóm cơ chất họ hàng, và vì sao chất ức chế cạnh tranh chỉ cần giống cơ chất là đã gắn vào được mà không phản ứng.
Đo tốc độ cho trung thực
Tốc độ phải đo ở dạng initial rate, tức hệ số góc của tiếp tuyến vẽ tại thời điểm $0$. Về sau nồng độ cơ chất đã giảm, sản phẩm có thể ức chế enzyme, và phản ứng có thể chạy ngược — nên bất kỳ hệ số góc nào lấy ở giữa đường cong đều thấp hơn tốc độ thật. Trên thực nghiệm, tốc độ tính bằng lượng sản phẩm chia thời gian, ví dụ $\text{cm}^3$ oxygen mỗi giây, hoặc bằng nghịch đảo thời gian để đạt tới một mốc cố định.
Một thí nghiệm đo thể tích oxygen do catalase sinh ra từ hydrogen peroxide. Sau $10$ giây thu được $6\ \text{cm}^3$; sau $60$ giây thu được $18\ \text{cm}^3$. Tính tốc độ theo hai cách và giải thích vì sao chỉ một trong hai dùng được để so sánh giữa các nghiệm thức.
Cách một — dùng $10$ giây đầu. Tốc độ $= 6 \div 10 = 0{,}6\ \text{cm}^3$ mỗi giây.
Cách hai — dùng cả $60$ giây. Tốc độ $= 18 \div 60 = 0{,}3\ \text{cm}^3$ mỗi giây, chỉ bằng một nửa.
Con số nào là thật? Con số thứ nhất, vì nó gần với initial rate hơn. Trong $10$ giây đầu, nồng độ hydrogen peroxide gần như còn nguyên và chưa có sản phẩm tích tụ.
Vì sao con số thứ hai thấp hơn. Đến giây thứ $60$, một phần lớn cơ chất đã bị dùng hết nên số va chạm giữa enzyme và cơ chất giảm; đồng thời oxygen và nước tích tụ có thể cản trở. Lấy trung bình trên cả $60$ giây là trộn giai đoạn nhanh với giai đoạn đã chậm lại, nên kết quả bị kéo xuống.
Vì sao điều này quan trọng khi so sánh. Nếu hai nghiệm thức chạy hết cơ chất ở hai thời điểm khác nhau thì trung bình $60$ giây của chúng bị 'pha loãng' khác nhau, và bảng số liệu có thể xếp sai thứ tự. Chỉ tốc độ ban đầu mới so sánh được công bằng. Trên đồ thị, đó là hệ số góc của tiếp tuyến tại gốc toạ độ.
Một enzyme có nhiệt độ tối ưu $40\ ^\circ\text{C}$. Giải thích hình dạng của đường cong tốc độ theo nhiệt độ ở hai phía của đỉnh, và giải thích vì sao đường cong không đối xứng.
Phía dưới $40\ ^\circ\text{C}$ — tốc độ tăng dần. Nhiệt độ cao hơn thì động năng của cả enzyme lẫn cơ chất lớn hơn, nên chúng va vào nhau thường xuyên hơn và mỗi va chạm cũng mạnh hơn, tức tỉ lệ va chạm đạt tới năng lượng hoạt hoá tăng. Nhiều phức enzyme–cơ chất hình thành trong một đơn vị thời gian hơn.
Phía trên $40\ ^\circ\text{C}$ — tốc độ tụt rất nhanh. Dao động nhiệt bắt đầu phá hydrogen bond và ionic bond giữ cấu trúc bậc ba. Active site đổi hình, không còn bổ trợ với cơ chất, và enzyme bị biến tính.
Vì sao không đối xứng. Hai vế do hai cơ chế khác nhau chi phối. Vế trái là hiệu ứng va chạm, tăng đều và tương đối chậm — quãng $10\ ^\circ\text{C}$ mới làm tốc độ tăng khoảng gấp đôi. Vế phải là biến tính, và biến tính là quá trình tích luỹ và gần như không thuận nghịch: mỗi phân tử enzyme hỏng là hỏng hẳn, nên số enzyme còn hoạt động rơi rất nhanh theo nhiệt độ.
Hệ quả để trả lời câu hỏi thực nghiệm: hạ nhiệt từ $30$ xuống $20\ ^\circ\text{C}$ rồi nâng trở lại thì tốc độ quay về như cũ; nhưng nâng lên $60\ ^\circ\text{C}$ rồi hạ về $40\ ^\circ\text{C}$ thì tốc độ không quay lại.
Đọc xong rồi — làm thử ngay
Bài tập của chương Enzymes gồm 14 câu trắc nghiệm và 3 đề tự luận. Đáp án hiện ngay khi chọn, miễn phí.