Tiểu luận môn hóa sinh và hóa sinh thực phẩm - Tổng quan về enzyme

p chất protein có cấu trúc hóa học rất đặc thù. Trong tế bào sinh vật luôn xảy ra trao đổi chất, enzyme đã góp phần cho các phản ứng hóa học này xảy ra ở điều kiện thường với tốc độ cực nhanh mà không cần sự hỗ trợ đặc biệt của các yếu tố nhiệt độ, áp suất... Enzyme được nhận từ các cơ thể sống khác nhau động vật, thực vật, vi sinh vật. Enzyme trong cơ thể sinh vật với chức năng xúc tác chọn lọc, đóng vai trò định hướng tất cả mọi phản ứng xảy ra trong tế bào. Khi ở ngoài tế bào nhiều enzyme vẫn còn khả năng hoạt động tương tự. Nguồn enzyme chủ yếu lấy từ vi sinh vật. Phân loại enzyme. Vì cấu tạo enzyme đến nay chưa hoàn toàn chưa được biết hết, người ta phân loại phân lọai theo cách sử dụng và xếp thành 6 nhóm chính: Hydrolaza: Đây là các enzyme được ứng dụng nhiều nhất, nó có tác dụng xúc tác cho các phản ứng thủy phân các hợp chất phức tạp như glucid, lipid, protid để trở thành các phân tử đơn giản hơn. R1R2 +H2O →R1OH+R2H Loại enzyme này có 4 nhóm chính tùy thuộc vào gluxidazin, esteraza, proteaza, peptidaza. Gluxidaza . Gluxidaza xúc tác phản ứng thủy phân các ozit gắn một phân tử nước ở dây nối acetal: R-O-R 1 +H OH→ R1OH+ROH Sacaraza thủy phân thành glucoza và fructoza Mantaza và trehaloza lần lượt tách mantoza và trehaloza thành 2 phân tở glucoza. Glucozidaza thủy phân α và β glucozit Amylaza thủy phân tinh bột thành dextrin sau đó thành mantoza Esteraza: Thuộc vào nhóm này có các enzyme: lipaza, tanaza, photphataza, sunfataza chúng xúc tác thủy phân các mối lien hệ ester Lipaza xúc tác thủy phân chất béo, tạo thành glycerine và các acid béo tương ứng. Photphataza: xúc tác thủy phân các ester photphoric. Ester photphoric có thể là photphomonoester có dạng chung. Tanaza thủy phân các ester của các phenol ở tannin. Sufnataza với ester của acid sunfuric. 2.1.3 Proteaza: Loại enzyme này có tác dụng phá vỡ dây nối peptit, biến protein thành polypeptit và acid amin. Transferaza: Loại enzyme này xúc tác cho các phản ứng chuyển nhóm nguyên tử hoặc các gốc từ hợp chất này sang hợp chất khác. Tùy thuộc vào các nhóm được chuyển mà các enzyme có tên khác nhau như transminaza chuyển nhóm Amin. Transmetylaza chuyển nhóm methul, oxydaza chuyển hydro của cơ chất sang oxy phân tử, peroxydaza chuyển nhóm hydro sang peroxit. Oxydoreductaza: Các enzyme thuộc nhóm này xúc tác cho các phản ứng oxy hóa khử là cơ sở của sự oxy hóa khử sinh học gắn liền với quá trình hô hấp và lên men xảy ra trong cơ thể sống. Cách gọi tên theo hệ thống cất cho- chất nhận Oxydoreductaza. Nhóm này gồm các enzyme sau: dehydrogenaza, oxydaza, xitocromreductaza và peoxydaza. Liaza: Nhóm này bao gồm các enzyme xúc tác phân cắt các hợp chất hữa cơ (không thủy phân ). Các ligaza quan trọng là decarboxylaza, aldolaza, hydrolaza. Men syntheaza làm xúc tác cho các phản ứng tống hợp và các enzyme làm thay đổi cấu trúc không gian. Ngoài ra người ta còn xếp thêm enzyme có khả năng giữ các nhóm chức trên các nối đôi như fumaraza. Isomeraza: Isomeraza là nhóm enzyme xúc tác quá trình đồng hóa trong các enzyme sau: Glucophotphatizomeraza xúc tác chuyển hóa tương hổ của các ester phosphoric và glucoza. Trizaphotphattizomeraza xúc tác quá trình đồng hóa của 3-photphogliceric và photphodioxyaxeton là các hợp chất trung gian quan trọng của quá trình lên men. Ligaza: Xúc tác tổng hợp các hợp chất hữư cơ. Cấu tạo của enzyme: Bản chất hóa học của enzyme: Enzyme là hợp chất hữu cơ có bản chất là protein với phân tử lượng từ 2000 đến 1000000. Về hình dạng phân tử, đa số enzyme có dạng hình cầu. Do kích thước phân tử lớn cũng như protein, enzyme không bền dưới tác dụng của nhiệt độ, enzyme cũng có tính lưỡng tính, trong điều kiện pH của môi trường nó có thể tồn tại ở dạng anion, cation hoặc các dạng trung hòa. Cấu trúc của enzyme cho thấy có thể là protein hoặc protit (cấu tử protein lien kết với cấu tử phi protein tạo thành protit). Trên cơ sở đó thường phân chia thành 2 nhóm: Nhóm enzyme một cấu tử: trong phân tử chỉ chứa một cấu tử protein còn được gọi là “feron”, “apoenzyme”. Protein được tạo thành từ một phân tử hoặc môt số mạch polypeptit, mỗi mạch như vậy chứa các amino acid nối với bằng liên kết peptit. Tất cả các protein được xây dựng từ 20 amino acid khác nhau. Các animo acid này chứa các hợp chất béo vòng thơm hoặc dị vòng có ít nhất một nhóm amin và nhóm cacboxyl. Trong những aminoacid của protein có nhóm NH2 gắn tại vị trí cacbon α. Nhóm enzyme hai cấu tử: trong phân tử ngoài protein còn chứa một cấu tử phi protein. Cấu tử phi protein được gọi là “agon” hoặc “coenzyme”. Từ “coenzyme” được sử dụng khi nó dễ tách ra khỏi cấu tử “apoenzyme” bằng cách qua màng bán thấm và có thể tồn tại độc lập. Nhiều enzyme hai cấu tử cũng có mặt của sắt trong catalaza, đồng trong polyphenolxydaza. Cấu trúc hoạt động của enzyme: Trong quá trình xúc tác, sự kết hợp đặc hiệu giữa enzyme với cơ chất chỉ xảy ra trên một phần xác định của enzyme. Phần xác định này được gọi là “ trung tâm hoạt động”. Đối với enzyme một cấu tử, trung tâm hoạt động do một số nhóm chức acid amin trong phân tử cấu thành, các acid amin thường nằm trên những phần khác nhau của mạch polypeptit trong phân tử enzyme, nhờ cấu trúc không gian bậc hai hoặc bậc ba của phân tử enzyme mà các nhóm này có điều kiện nằm kề nhau trong không gian trung tâm hoạt động cuar enzyme. Ở các enzyme hai cấu tử, ngoài phân mạch polypeptit tham gia hình thành xúc tác còn có các nhóm chức của cấu tử phi proptein. Ở các enzyme chứa kim loại các ion kim lại cũng cấu thành trung tâm hoạt động của enzyme. Một số enzyme có thể chứa hai hay nhiều trung tâm hoạt động nhưng tác dụng không phụ thuộc vào nhau. Giữa các nhóm chức tham gia cấu tạo trung tâm hoạt động của enzyme chia thành 2 nhóm: Nhóm “tâm xúc tác” tham gia trực tiếp vào hoạt động xúc tác của enzyme Nhóm “miền tiếp xúc” làm nhiệm vụ đảm bảo tính đặc hiệu của enzyme Sự phân biệt này mang tính chất tương đối và thật sự hoàn toàn không hoàn toàn chính xác vì tác dụng tương hỗ trong miền tiếp xúc phức hợp enzyme cơ chất có ảnh hưởng đáng kể đến chiều hướng và tốc độ phản ứng xảy ra ở trung tâm xúc tác. Tính đặc hiệu của enzyme. Enzyme chỉ tác dụng lên một số cơ chất và kiểu nối hóa học nhất định trong phân tử. Tính chất đó được gọi là tính đặc hiệu của enzyme. Thông qua nghiên cứu tác dụng đặc hiệu của enzyme cho phép tìm hiểu về cấu trúc của trung tâm hoạt động, khả năng kết hợp của enzyme với cơ chất, cơ chế của phản ứng enzyme. Các dạng đặc hiệu bao gồm: Đặc hiệu không gian: Đặc hiệu đồng phân quang học: Thường enzyme chỉ tác dụng một dạng đồng phân quang học. Thí dụ phản ứng khử nước của acid malic để tạo thành fumaric dưới tác dụng của fumaratdehydrataza chỉ xảy ra đối với acid L-malic, không xảy ra ở D-malic. Đặc hiệu đồng phân hình học: Tùy từng loại, enzyme chỉ tác dụng lên một loại đồng phân hình học thích hợp. Thí dụ fumaratdehydrataza chỉ tác dụng lên dạng đồng phân trans mà không tác dụng lên dạng đồng phân cis của acid fumric, vì trung tâm hoạt động của fumaratdehydrataza có cấu trúc không gian tương ứng với đồng phân dạng trans của acid fumaric. Đặc hiệu tuyệt đối: Là trường hợp mà enzyme chỉ có khả năng tác dụng lên một cơ chất nhất định. Thí dụ ureaza chỉ xúc thủy phân ure mà không tác dụng lên các tác dụng lên các dẫn xuất của nó. Trong trường hợp đặc hiệu tuyệt đối, cấu trúc trung tâm hoạt động của enzyme tương ứng rất chặt chẽ với cơ chất đến mức chỉ có sự sai khác nhỏ về cấu trúc của cơ chất cũng đủ làm cho enzyme không xúc tác được. Đặc hiệu tương đối: Là trường hợp enzyme có khả năng tác dụng lên một kiểu nối hóa trị hóa học nhất định trong phân tử cơ chất không phụ thuộc vào bản chất hóa học của các cấu tử tham gia tạo thành liên kết đó. Thí dụ lipaza có khả năng thủy phân được tất cả các mối liên kết ester. Cơ chế xúc tác của enzyme. Theo quan điểm hiện nay trong các phản ứng enzyme, sự hoạt hóa của cơ chất được thực hiện nhờ sự tạo thành các phức hợp trung gian enzyme cơ chất. Khi kết hợp với các phân tử enzyme do kết quả của sự cực hóa, sự chuyển dịch của các electron và sự biến dạng của các mối quan hệ trực tiếp vào các phản ứng dẫn đến sự thay đổi động năng cũng như thế năng kết quả làm phân tử cơ chất trở nên hoạt động, nhờ đó tham gia vào phản ứng dễ dàng. Sự tạo thành và chuyển biến các hợp chất trung gian enzyme cơ chất xẩy ra qua 3 bước: Bước 1: enzyme kết hợp với cơ chất tạo thành phức hợp enzyme cơ chất, giai đoạn đầu xảy ra rất nhanh. Phức hợp này được tạo thành trong giai đoạn này chủ yếu nhờ các dạng kiên kết không bền. Bước 2: sự chuyển biến của các phân tử cơ chất dẫn đến sự phá vỡ các mối liên kết đồng hóa trị tham gia vào phản ứng. Phức hợp enzyme- cơ chất khi đó xảy ra đồng thời 2 quá trình: sự thay đổi mật độ electron dẫn đến sự cực hóa của mỗi liên kết tham gia vào phản ứng, sự biến đổi hình học của các mối liên kết trong phân tử cơ chất cũng như trong trung tâm hoạt động. Cả hai yếu tố trên có tác dụng làm cơ chất trở nên hoạt động hơn nhờ đó phản ứng xảy ra dễ dàng. Bước 3: giai đoạn tạo thành các sản phẩm của phản ứng và giải phóng enzyme. Có thể biểu diễn quá trình qua sơ đồ: E+S↔ ES→ E+P Trong đó: E: enzyme S: cơ chất ES:phức hợp trùng gian enzyme- cơ chất P: sản phẩm phản ứng. Các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động của enzyme. Ảnh hưởng của nồng độ cơ chất: Enzyme thực hiện quá trình xúc tác thông qua tạo thành phức hợp trung gian enzyme-cơ chất. Phương trình phản ứng enzyme, theo Michaelis-Menten có dạng tổng quát: Trong đó: k+1: hằng số vận tốc của phản ứng tạo thành phức chất k-1: hằng số vận tốc của phản ứng thuận nghịch thủy phân ly phức chất thành các chất ban đầu. k+2: hằng số vận tốc phản ứng phân ly phức chất thành sản phẩm cuối cùng. Ảnh hưởng nồng độ H+ (pH). Enzyme rất nhạy cảm với sự thay đổi pH môi trường, mỗi enzyme chỉ hoạt động mạnh nhất trong khoảng pH xác định được gọi là: “pH tối thích” của enzyme, “pH tối thích” của đa số enzyme nằm trong vùng acid yếu, kiềm yếu hay trung tính. Chỉ một số ít enzyme có “pH tối thích” nằm trong vùng acid, kiềm mạnh. Thí dụ như pH tối thích của amylaza trong khoai lang là 5-5.2, proteaza trong dứa là 6.0, pH tối thích của mỗi enzyme không cố định, có thể thay đổi tùy theo tính chất và nồng độ của cơ chất, nhiệt độ cũng như tính chất của dung dịch đệm được chọn dùng. Thí dụ pepxin có pH tối thích là 1.8 khi cơ chất casein và khi haemoglobin thì lại là 2.2 Ảnh hưởng của pH môi trường tới vận tốc phản ứng enzyme có thể do các nguyên nhân làm thay đổi trạng thái ion hóa của enzyme và cơ chất cũng như do ảnh hưởng tới tính bền của enzyme. Ảnh hưởng của các chất hoạt hóa Chất hoạt hóa là chất có tác dụng làm cho enzyme từ trạng thái không hoạt động thành hoạt động hoặc hoạt động yếu trở thành hoạt động mạnh hơn. Các hợp chất hữu cơ phức tạp (coenzyme, vitamin) làm nhiệm vụ chuyển nhóm, chuyển hidro. Các chất có khả năng phá vỡ một số liên kết trong phân tử enzyme, kết quả làm vài đoạn peptit phá thế hoạt động trong trung tâm hoạt động của enzyme, làm cho enzyme trở nên hoạt động. Các chất có tác dụng làm phục hồi những nhóm chức hoạt động của trung tâm hoạt động enzyme. Thí dụ như papain trong trung tâm hoạt động có chứa nhóm chức SH. Dưới tác dụng của các chất oxy hóa nhóm SH sẽ chuyển thành S-S và enzyme mất khả năng hoạt động. Nếu thêm vào môi trường các chất hoạt hóa có tính khử như xistein thì nhóm SH được phục hồi và enzyme hoạt động trở lại. Các ion kim loại có thể tham gia tạo thành trung tâm hoạt động của enzyme, làm cầu nối giữa các enzyme và cơ chất hoặc ổn định cấu hình hoạt động xúc tác của enzyme. Ảnh hưởng của nhiệt độ: Khi nhiệt độ tăng thì khả năng phản ứng của enzyme tăng. Tuy nhiên enzyme có bản chất kém bền dưới tác dụng của nhiệt độ, đa số các enzyme bị mất hoạt tính tại nhiệt độ 70oC. Trong trường hợp phản ứng enzyme khi tăng nhiệt độ một mặt vận tốc phản ứng tăng theo quy luật thông thường mặt khác tăng nhiệt độ đến một lúc nào đó cũng đồng thời có tác dụng ngược lại làm giảm vận tốc phản ứng do hậu quả biến tính enzyme gây ra. Nhiệt độ ứng với hoạt độ cao nhất được gọi là nhiệt độ tối thích, nhiệt độ tối thích của các enzyme không giống nhau. Thí dụ như nhiệt độ tối thích của enzyme có nguồn gốc động vật từ 40-50oC còn ở thực vật là 50-60oC. Nhiệt độ tối thích của các enzyme không phải là hằng số mà phụ thuộc nhiều yếu tố khác, đặc biệt thời gian tác dụng, thời gian càng dài nhiệt tối thích càng của enzyme càng thấp. Ảnh hưởng của các chất kìm hãm: Chất kìm hãm la chất có khả năng làm yếu hoặc chấm dứt hoàn toàn tác dụng của enzyme. Thường phân biệt thành hai loại kìm hãm thuận nghịch, kìm hãm cạnh tranh, và kìm hãm không cạnh tranh. Chất kìm hãm cạnh tranh: chất kìm hãm có cấu tạo giống cơ chất. Nó kết hợp với phân tử enzyme cũng tại trung tâm hoạt động mà enzyme dùng kết hợp tới cơ chất, do đó mà có sự cạnh tranh của chất kìm hãm với cơ chất, còn có quá trình gắn enzyme vào chất kìm hãm. Chất kìm hãm không cạnh tranh: trong trường hợp chất kìm hãm có khả năng gắn vào enzyme tự do cũng như phức hợp enzyme- cơ chất. Tóm lại: khi có chất kìm hãm cạnh tranh sự biến đổi hoạt tính enzyme phụ thuộc cả nồng độ cơ chất lẫn nồng độ chất kìm hãm, khi có chất kìm hãm không cạnh tranh sự biến dổi hoạt tính enzyme trong trường hợp này chỉ phụ thuộc vào nồng độ chất kìm hãm. TÀI LIỆU THAM KHẢO Bài giảng Hóa sinh học thực phẩm, Đại học công nghiệp thực phẩm TP HCM