Tải bản đầy đủ

CƠ CHẾ tác DỤNG của enzyme thủy phân hydrolase

Tiểu luận Hóa Sinh
Giảng viên: TS. Nguyễn Văn Thiết
Môn: Xúc tác sinh học

Viện Sinh thái và Tài nguyên Sinh vật
Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam


TIỂU LUẬN
XÚC TÁC SINH HỌC

Đề tài:

CƠ CHẾ TÁC DỤNG CỦA
ENZYME THỦY PHÂN - HYDROLASE
Giảng viên hướng dẫn:
Học viên thực hiện:
Lớp :

TS. Nguyễn Văn Thiết
Hồ Ngọc Anh

Cao học Hóa Sinh học - K14

Hà Nội, 24/05/2012
Học viên thực hiện: Hồ Ngọc Anh

Lớp Cao học K14
Viện Sinh thái và Tài nguyên sinh vật


Tiểu luận Hóa Sinh
Giảng viên: TS. Nguyễn Văn Thiết
Môn: Xúc tác sinh học

MỞ ĐẦU
Enzyme là những chất xúc tác hữu cơ có tính đặc hiệu cao đối với cơ chất do tế bào
sống tổng hợp nên, điều khiển vận tốc và sự chuyển hóa của hàng ngàn phản ứng hóa học
xảy ra trong sinh chất. Với những ưu điểm như có nguồn gốc từ tự nhiên nên ít tác hại đối
với cơ thể, điều kiện xúc tác phản ứng ôn hòa, và có thể chiết tách được từ nhiều nguồn
nguyên liệu phổ biến trong tự nhiên… mà ngày nay Công nghệ enzyme rất phát triển và
được ứng dụng rộng rãi trong đời sống.
Enzyme có 6 lớp, trong đó enzyme thủy phân (Hydrolase ) được ứng dụng đại trà nhất.
Đặc biệt trong công nghiệp chế biến thực phẩm, chúng được ứng dụng để tạo ra mùi vị và
màu sắc đặc trưng cho sản phẩm, giúp thời gian sản xuất rút ngắn... Tuy nhiên, bên cạnh
những ưu điểm trên, enzyme này cũng gây ra không ít bất lợi cho quá trình chế biến và bảo
quản, làm ảnh hưởng đến chất lượng và cảm quan của sản phẩm thực phẩm.
Vì vậy, chúng ta cần phải nắm rõ cơ chế tác dụng và các yếu tố điều chỉnh của chúng
để có những điều chỉnh phù hợp về điều kiện sản xuất, bảo quản…nhằm đạt được hiệu quả
cao nhất khi ứng dụng vào sản xuất và cả trong chiết tách enzyme. Những ứng dụng và
những thông tin trên rất cần thiết cho việc mở rộng kiến thức, nghiên cứu, ứng dụng vào
thực tiễn .
Đó cũng là nội dung tôi sẽ trình bày trong đề tài tiểu luận : Cơ chế tác dụng của
enzyme thủy phân (hydrolase).
Hầu hết các phản ứng hóa học xảy ra trong hệ thống sống đều do các protein đặc biệt
xúc tác, các protein này gọi là enzyme hay fecmen. Enzyme có trong mọi tế bào sống, vì
vậy cũng được gọi là các chất xúc tác sinh học. Tuy nhiên, enzyme không những có thể xúc
tác cho các phản ứng xảy ra trong hệ thống sống, mà sau khi tách khỏi hệ thống chúng vẫn
có thể xúc tác cho các phản ứng ở ngoài tế bào. Qua những vần đề nêu trên cho thấy vai trò
của enzyme thật phức tạp và đa dạng. Trước khi đi vào tìm hiểu cơ chế tác dụng của enzyme
thủy phân, và các yếu tố điều chỉnh phản ứng thủy phân bởi enzyme. Tôi xin trình bày Tổng
quan về enzyme để làm rõ các đặc trưng cơ bản của một enzyme.



Học viên thực hiện: Hồ Ngọc Anh

Lớp Cao học K14
Viện Sinh thái và Tài nguyên sinh vật


Tiểu luận Hóa Sinh
Giảng viên: TS. Nguyễn Văn Thiết
Môn: Xúc tác sinh học

ENZYME
Bất kỳ lúc nào trong cơ thể sống cũng có hàng trăm phản ứng hóa học xảy ra. Các phản
ứng này cung cấp năng lượng và duy trì sự cung cấp rất nhiều chất cần thiết cho tăng trưởng và
tái tạo. Ở đây, các phản ứng điều phối toàn bộ quá trình chuyển hóa có được là nhờ vào sự sản
xuất các chất đặc biệt, gọi là enzyme (trong tiếng Hy lạp en là bên trong, zym là sự lên men).
Đa số các enzyme có bản chất hóa học là protein, một số khác có bản chất là acid nucleic
(trong trường hợp ở viruts) có khả năng điều hòa, xúc tác cho các phản ứng sinh hóa nên còn
được gọi là các xúc tác sinh học.
1. TÍNH CHẤT SINH HỌC CỦA ENZYME [2]


Không tham gia vào thành phần cuối của phản ứng



Chỉ làm tăng nhanh phản ứng mà các phản ứng này có thể xảy ra ở điều kiện không có
enzyme



Không làm mất vị trí cân bằng của phản ứng mà chỉ làm tăng tốc độ của phản ứng



Theo cấu trúc hóa học thì tất cả enzyme là protein



Có hiệu suất xúc tác sinh học cao hơn gấp nhiều lần xúc tác hóa học, tuy nhiên vận tốc
có thể tăng khi có xúc tác hóa học



Enzyme có tính đặc hiệu cao và có tính chọn lọc đối với cơ chất



Thực hiện sứ mệnh điều phối tất cả các quá trình trao đổi chất của cơ thể

2. BẢN CHẤT HÓA LÝ CỦA ENZYME [4]


Có tính chất lý hóa học của protein



Đa số có dạng hình cầu và không đi qua được màng bán thấm do kích thước lớn



Tan tốt trong nước và trong dung dịch muối loãng (buffer)



Cũng như protein enzyme không bền với nhiệt độ. Bị biến tính không thuận nghịch bởi
acid, base mạnh hay muối kim loại nặng



Enzyme là những protein đơn giản (enzyme 1 cấu tử): chỉ cấu tạo bởi các L-amino acid,
trung tâm hoạt động là các nhóm chức có trong phân tử của amino acid



Enzyme phức tạp (enzyme 2 cấu tử): ngoài L-amino acid còn có nhóm ngoại
(prosthetic). Trong enzyme phức tạp, phần protein gọi là apoenzyme, phần không phải

Học viên thực hiện: Hồ Ngọc Anh

Lớp Cao học K14
Viện Sinh thái và Tài nguyên sinh vật


Tiểu luận Hóa Sinh
Giảng viên: TS. Nguyễn Văn Thiết
Môn: Xúc tác sinh học

protein có thể tách ra và tồn tại độc lập gọi là coenzyme (vitamin). Khi kết hợp chặt với
phần protein gọi là nhóm ngoại


Đa số các coenzyme là chất cho hoặc nhận điện tử



Coenzyme trực tiếp tham gia trong phản ứng xúc tác và giữ vai trò quyết định kiểu của
phản ứng xúc tác



Coenzyme là cầu nối giữa phần protein của enzyme và giúp ổn định phần apoenzyme



Ngược lại apoenzyme có tác dụng nâng cao hiệu lực xúc tác của coenzyme và quyết
định tính đặc hiệu của enzyme

3. TÍNH ĐẶC HIỆU [1], [2], [3]
3.1. Đặc hiệu phản ứng: Một enzyme chỉ xúc tác cho một phản ứng.
3.2. Đặc hiệu cơ chất:



Đặc hiệu tuyệt đối: chỉ có tác dụng lên một cơ chất nhất định



Đặc hiệu tương đối: có khả năng tác dụng lên một kiểu nối hóa học nhất định trong
phân tử cơ chất.



Đặc hiệu nhóm: có khả năng tác dụng lên một kiểu nối hóa học.



Đặc hiệu quang học (còn gọi là đặc hiệu lập thể): chỉ tác dụng lên những đồng phân lập
thể nhất định.

4. PHÂN LOẠI ENZYME [1], [2], [3]
4.1. Phân loại theo cấu tạo:



Enzyme một thành phần: Chỉ có thành phần cấu tạo duy nhất là protein.



Enzyme hai thành phần: Một phần là protein được kết hợp với một thành phần khác.
- Thành phần cấu tạo bởi protein gọi là Apoenzyme. Quyết định tính đặc hiệu cơ chất.
- Thành phần không cấu tạo bởi protein, mà có khả năng tách ra gọi là Coenzyme.
Quyết định tính đặc hiệu phản ứng.
- Thành phần không cấu tạo bởi protein, mà không thể tách ra gọi là Cofacter.

4.2. Phân loại theo kiểu phản ứng:

Enzyme được phân loại thành 6 nhóm chính:
 Oxidoreductase
 Transferase
 Hydrolase
Học viên thực hiện: Hồ Ngọc Anh

Lớp Cao học K14
Viện Sinh thái và Tài nguyên sinh vật


Tiểu luận Hóa Sinh
Giảng viên: TS. Nguyễn Văn Thiết
Môn: Xúc tác sinh học

 Lyase
 Isomerase
 Ligase
5.

CẤU TRÚC CỦA ENZYME [2]
Trong cấu trúc của enzyme tồn tại trung tâm họat động. Đây là phần rất nhỏ của
enzyme, nhưng nó lại quyết định tính xúc tác, tính đặc hiệu của enzyme.
Một trung tâm hoạt động của enzyme gồm 2 vùng:
– Tâm xúc tác: Tham gia kết hợp trực tiếp với cơ chất
– Miền tiếp xúc: Gắn cơ chất lên vị trí tác dụng
Đối với enzyme một thành phần, trung tâm hoạt động của enzyme được hình thành do
sự tương tác lẫn nhau của một số gốc acid amin nhất định có trong cấu trúc của enzyme.
Đối với enzyme hai thành phần, trung tâm hoạt động thường là các nhóm ngoại như
vitamin, ion kim loại,...và các nhóm định chức của acid amin ở phần apoenzyme.

6.

CƠ CHẾ HOẠT ĐỘNG CỦA ENZYME [1]

Mô hình chìa khóa và ổ khóa: Trung tâm hoạt động phải có cấu trúc tương ứng với cấu
trúc của cơ chất (khớp với nhau như chìa và ổ khóa)
Thuyết tiếp xúc cảm ứng: (theo Kosland) sự tương tác cảm ứng về cấu trúc không gian
tạo nên phức hợp enzyme cơ chất
Năng lượng hoạt hóa (Ea): Là năng lượng cần cung cấp để phân tử đạt tới trạng thái hoạt
hóa. VD: Xăng có khả năng bốc cháy nhưng cần lửa mồi.
Cơ chế tổng quát:
Cơ chất phải được gắn vào trung tâm hoạt động của enzyme tạo thành phức hợp
enzyme – cơ chất [ES]
Với tác dụng của enzyme, hoạt tính của cơ chất tăng lên rõ rệt và chỉ cần 1 năng
lượng hoạt hóa nhỏ thì sẽ tạo thành sản phẩm
Cơ chế tác dụng theo Michaelis-Menten


Tạo nhanh phức ES, phức này không bền, phức được tạo nên do các liên kết hóa
học



Dưới tác dụng của enzyme, cơ chất được biến đổi thành sản phẩm



Sau khi tạo sản phẩm (P), enzyme được giải phóng ra và trở về trạng thái ban đầu



Phản ứng tổng quát:

Học viên thực hiện: Hồ Ngọc Anh

Lớp Cao học K14
Viện Sinh thái và Tài nguyên sinh vật


Tiểu luận Hóa Sinh
Giảng viên: TS. Nguyễn Văn Thiết
Môn: Xúc tác sinh học

E + S  ES  ES  EP  E + P

7.

CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN VẬN TỐC PHẢN ỨNG [1], [2], [3]


Nồng độ enzyme



Nồng độ cơ chất



Nhiệt độ



pH



Chất hoạt hóa



Chất kìm hãm

CƠ CHẾ TÁC DỤNG
1. HỆ ENZYME THỦY PHÂN HYDROLASE [1]
Tính chất chung của nhóm enzym này là xúc tác các phản ứng thủy phân, nghĩa là phân
giải các hợp chất phức tạp với sự tham gia của nước, thành những hợp chất đơn giản hơn.
Các hyddrolase phần lớn là các enzym một thành phần nên chúng không cần coenzym
cho hoạt động xúc tác.
Trung tâm hoạt động của chúng bao gồm tổ hợp các nhóm định chức của axit amin không
tham gia tạo thành trục chính của sợi polypeptide. Các nhóm định chức có thể ở xa nhau trong
mạch polypeptide nhưng lại gần nhau trong không gian, được định hướng xác định trong
không gian cách nhau những khoảng cách nhất định sao cho chúng có thể tương tác với nhau
trong quá trình xúc tác.
Nhóm hydrolase ( EC3) được chia thành 11 phân nhóm sau: [4]
3.1 :

enzym thủy phân các liên kết ester

3.2 :

enzym thủy phân các liên kết glycoside

3.3 :

enzym thủy phân các liên kết eter

3.4 :

enzym thủy phân các liên kết peptide

3.5 :

enzym thủy phân các liên kết C—N không phải peptide (các amide)

3.6 :

enzym thủy phân các liên kết anhydride acid

3.7 :

enzym thủy phân các liên kết C—C

3.8 :

enzym thủy phân các liên kết haloid – rượu

Học viên thực hiện: Hồ Ngọc Anh

Lớp Cao học K14
Viện Sinh thái và Tài nguyên sinh vật


Tiểu luận Hóa Sinh
Giảng viên: TS. Nguyễn Văn Thiết
Môn: Xúc tác sinh học

3.9 :

enzym thủy phân các liên kết P—N

3.10 :

enzym thủy phân các liên kết S—N

3.11 :

enzym thủy phân các liên kết C—P

2. CƠ CHẾ TÁC DỤNG CỦA ENZYME HYDROLASE [4]
Sự khuyết electron trong liên kết bị thủy phân là yếu tố quan trọng quyết định khả năng
và sự dễ dàng của phản ứng thủy phân.
Tác dụng xúc tác của enzym phụ thuộc vào từng trường hợp và do sự phân bố electron đã
tồn tại trước đó quyết định.
Enzym có thể tác dụng bằng các cách khác nhau. Cơ chế đơn giản nhất cho phép liên hệ
"phần dương" của liên kết bị thủy phân với tác dụng của enzym là: tâm ái nhân của enzym sẽ
tương tác trực tiếp với một trong hai nguyên tử tích điện dương của liên kết bị thủy phân. Sự
tạo thành phức hợp trực tiếp như thế với trung tâm phản ứng sẽ làm cho sự đứt các liên kết và
sự thủy phân được dễ dàng, thuận lợi. Enzym colinesterase và nhiều esterase khác đều tác dụng
thủy phân cơ chất theo cơ chế này.
Một cơ chế khác liên hệ tính tác dụng của enzym với sự khuyết electron của liên kết bị
thủy phân là: enzym làm tăng sự khuyết electron vốn đã tồn tại trước đó bằng cách tạo thành
liên kết tương ứng với cơ chất ở những vị trí ít nhiều gần gũi với liên kết bị thủy phân. Nhờ
vậy ,làm cho sự phân bố electron trong phân tử cơ chất bị thay đổi theo một chiều hướng cần
thiết, khiến cho việc đứt liên kết được dễ dàng hoặc khiến cho một trong hai nguyên tử của liên
kết tương tác được với các tác nhân ái nhân.
3. ĐẶC ĐIỂM TRUNG TÂM HOẠT ĐÔNG CỦA ENZYME THỦY PHÂN [1]
Đa số enzyme thủy phân (hydrolase) không có nhóm ngoại. Như vậy bắt buộc tâm hoạt
động của chúng phải có các gốc axitamin đặc hiệu.
Tâm hoạt động của enzyme hydrolase thường chứa nhóm imidazol của histidin và nhóm
hydroxyl của một trong số các gốc serin.
Nhiều hydrolase, người ta đã biết được thứ tự sắp xếp của các axitamin chung quanh tâm
hoạt động:
Kimotripxin A

— Gly — Asp — Ser — Gly —

Tripxin

— Gly — Asp — Ser — Gly —

Trombin

— Asp — Ser — Gly —

Kimotripxin

— Asp — Ser — Gly —

Colinesterase

— Gly — Glu — Ser — Ala —

Carboxylesterase

— Gly — Glu — Ser — Ala —

Học viên thực hiện: Hồ Ngọc Anh

Lớp Cao học K14
Viện Sinh thái và Tài nguyên sinh vật


Tiểu luận Hóa Sinh
Giảng viên: TS. Nguyễn Văn Thiết
Môn: Xúc tác sinh học

4. ĐẶC ĐIỂM CỦA CÁC CƠ CHẤT BỊ ENZYME THỦY PHÂN [4]
4.1. Các cơ chất được enzyme thủy phân thường là protein, gluxit, lipit .v.v..

Theo Bernard Pullman và Alberte Pullman, đặc điểm chung của những cơ chất này là có
"liên kết bị thủy phân" do các nguyên tử tích điện dương tạo nên. Người ta gọi các liên kết này
là "liên kết nhị dương".
Chẳng hạn, liên kết peptide trong protein:
O
R1

C

N
H

R2

Liên kết này do các electron σ định vị của liên kết đơn và một hệ thống eletron π linh
động tạo nên. Hệ thống đó gồm bốn electron trong đó hai electron của nối kép C = O và hai
electron của cặp không chia của nitơ. Bốn electron này tạo thành một hệ thống cộng hưởng và
theo qui tắc chung: khi ở nguyên tử dị mạch nằm kề liền với nối kép có cặp electron không
chia thì sẽ xảy ra sự chuyển dịch một phần điện tích của cặp không chia từ nguyên tử dị mạch
tới nguyên tử cuối của nối kép. Như vậy, sự phân bố điện tích trong liên kết peptide có thể như
sau:
OR1

C-

N+
H

R2

Khi đó nguyên tử nitơ tích điện dương, nghĩa là thay cho hai electron của cặp không chia,
nó sẽ chỉ giữ lại một phần nào đó của hai electron này thôi.
Ngoài ra do sự khác nhau về độ âm điện của nguyên tử carbon và oxy của liên kết C = O,
(có thể xem liên kết C = O như là sự lai hóa giữa cấu trúc đồng hóa trị C = O và cấu trúc ion C +
= O-) mà nguyên tử carbon cũng phải có điện tích tổng dương. Như vậy các nguyên tử carbon
và nitơ góp vào hệ thống electron π ít hơn một electron π. Còn nguyên tử oxy góp vào hệ thống
hơn một electron π, do đó có điện tích tổng âm.
Nếu biểu diễn các phần điện tích đó bằng δ thì sự phân bố điện tích trong liên kết peptide
như sau:
-δ3
O
R1

+δ1
N
H

C
R2
+ δ2
Rõ ràng δ3 = δ1 + δ2
Học viên thực hiện: Hồ Ngọc Anh

Lớp Cao học K14
Viện Sinh thái và Tài nguyên sinh vật


Tiểu luận Hóa Sinh
Giảng viên: TS. Nguyễn Văn Thiết
Môn: Xúc tác sinh học



(1+ δ3) + (1- δ2) + (2 - δ1) = 4.

Bằng phương pháp quĩ đạo phân tử người ta đã tính được sự phân bố bốn electron của hệ
thống như sau:
O1.397
1.859

R1

C

N
H

0.744

R2

Từ đây điện tích sẽ được phân bố như sau:
O-0.397
+0.141

R1

C

N
H

+0.25

R2

Thuật ngữ "liên kết nhị dương" chỉ sự khuyết electron π ở cả hai nguyên tử tạo nên liên
kết đó.
Đặc trưng nhị dương này của liên kết được bảo toàn trước mọi công kích bất kỳ kể cả sự
tấn công của enzyme.
Các liên kết nhị dương thường gặp
+ Liên kết este:
trong este của axit carboxylic
O
+0.214

R1

C

O

R2

+0.326

Trong este của axit phosphoric
R
P

O
O

O

P

O

O
Trong este của axit sulfuric:
R

este của phenol:
Học viên thực hiện: Hồ Ngọc Anh

O

S

Ph — O — R
Lớp Cao học K14
Viện Sinh thái và Tài nguyên sinh vật


Tiểu luận Hóa Sinh
Giảng viên: TS. Nguyễn Văn Thiết
Môn: Xúc tác sinh học

+ Liên kết trong các anhidrit, đặc biệt liên kết — P — O — P trong hợp chất phosphat
giàu năng lượng ATP:
O
+0.153

Adenine

ribose

O

O
+0.208

P

O

O+0.393

O
+0.204

P
O+0.397

O

P

O

O+0.364

+ Liên kết glucozit trong các polysacarit: Khác với các liên kết kể trên, liên kết glucozit
chỉ có các electron σ mà không có electron π tham gia. Trong trường hợp này, đóng vai trò
phân cực là bộ electron σ. Do hiệu ứng cảm ứng của nguyên tử oxy trung tâm, gây ra một sự
tập trung điện tích nào đó trên nguyên tử Oxy, do đó oxy tích điện âm, còn các nguyên tử
carbon kết hợp với nó bị khuyết electron nên tích điện dương.
4.2. Sự thủy phân bởi enzyme sẽ càng dễ dàng khi sự khuyết electron trong liên kết bị thủy
phân càng lớn.

Sự khuyết đó có thể được tăng lên khi tăng tổng điện tích dương của cả hai nguyên tử tạo
thành liên kết hoặc khi chỉ tăng điện tích của một trong hai.
Nếu trong phân tử cơ chất có nhiều liên kết giống nhau thì liên kết nào nhị dương hơn cả
sẽ bị phân ly thủy phân bởi enzyme ( với điều kiện không có án ngữ không gian và đặc hiệu lập
thể của từng liên kết).
Chẳng hạn như trong phân tử alantoin có năm liên kết peptide, nhưng liên kết bị thủy
phân trước tiên là liên kết có màu xanh như trong hình bên:
O
+0.121

+0.26

H2 N

+0.228

C

NH

C +0.233

C

O

+0.236

O

N

N

H

H

+0.121

Học viên thực hiện: Hồ Ngọc Anh

+0.124

Lớp Cao học K14
Viện Sinh thái và Tài nguyên sinh vật


Tiểu luận Hóa Sinh
Giảng viên: TS. Nguyễn Văn Thiết
Môn: Xúc tác sinh học

5. MỘT VÀI ENZYME HYDROLASE ĐIỂN HÌNH VÀ ỨNG DỤNG CỦA CHÚNG
TRONG THỰC PHẨM
5.1. Enzym amilase [1]

Amylase là một hệ enzyme rất phổ biến trong thế giới sinh vật. Các enzyme này thuộc
nhóm enzyme thủy phân, xúc tác phân giải liên kết nội phân tử trong nhóm polysaccharide với
sự tham gia của nước:
R-R’ + H-OH  R-H + R’-OH
Có 6 loại enzyme được xếp vào 2 nhóm:

-

Endoamylase ( enzyme nội bào)

-

Exoamylase ( enzyme ngoại bào)

Endoamylase gồm có α-amylase và nhóm enzyme khử nhánh.
Nhóm enzyme khử nhánh này được chia thành 2 loại: Khử trực tiếp là Pullulanase ( hay
α-dextrin 6-glucosidase); khử gián tiếp là Transglucosylase (hay oligo-1,6-glucosidase) và
maylo-1,6-glucosidase.
Các enzyme này thủy phân các liên kết bên trong của chuỗi polysaccharide.
Exoamylase gồm có β-amylase và γ-amylase. Đây là những enzyme thủy phân tinh bột từ
đầu không khử của chuỗi polysaccharide.
+ Đặc tính và cơ chế tác dụng của enzyme amylase:
Tùy vào mỗi loại và vào các nguồn khác nhau sẽ có thành phần amino acid khác nhau.
a) Đặc tính của enzyme amylase:


Tính chất vật lý:

- Trọng lượng phân tử của α-amylase nấm mốc: 45.000-50.000 D
- Amylase dễ tan trong nước, trong dung dịch muối và rượu loãng.
- Protein của các α-amylase có tính acid yếu và có tính chất của globuline.
- Điểm đẳng điện nằm trong vùng pH=4,2-5,7 ( Bernfeld P, 1951 ).


Cấu tạo:

Mỗi loại α-amylase có một tổ hợp amino acid đặc hiệu riêng. α-amylase là một protein
giàu tyrosine, tryptophan, acid glutamic và aspartic. Các glutamic acid và aspartic acid chiếm
khoảng ¼ tổng lượng amino acid cấu thành nên phân tử enzyme.
α-amylase có ít methionine và có khoảng 7-10 gốc cysteine.
α-amylase là một metaloenzyme. Mỗi phân tử α-amylase đều có chứa từ 1 đến 30 nguyên
tử gam Ca/1 mol, nhưng không ít hơn 1-6 nguyên tử gam/mol Ca tham gia vào sự hình thành
Học viên thực hiện: Hồ Ngọc Anh

Lớp Cao học K14
Viện Sinh thái và Tài nguyên sinh vật


Tiểu luận Hóa Sinh
Giảng viên: TS. Nguyễn Văn Thiết
Môn: Xúc tác sinh học

và ổn định cấu trúc bậc 3 của enzyme, duy trì hoạt động của enzyme. Do đó, Ca còn có vai trò
duy trì sự tồn tại của enzyme khi bị tác động bởi các tác nhân gây biến tính và của các enzyme
phân giải protein. Nếu phân tử amylase bị loại bỏ hết Ca thì nó sẽ hoàn toàn mất hết khả năng
thủy phân cơ chất.
Do có hàm lượng Ca trong phân tử và nồng độ Mg 2+ cao nên α-amylase bền với nhiệt độ
hơn các enzyme khác.
Tất cả các amylase đều bị kìm hãm bởi các kim loại nặng như Cu 2+, Ag+, Hg2+. Một số kim
loại như Li+, Na+, Cr3+, Mn2+, Zn2+, Co2+ ,Sn2+, không có ảnh hưởng mấy đến enzyme αamylase.
Riêng α-amylase của Asp.Oryzae (thuộc chủng nấm mốc Aspergillus Oryzae) có chứa
phần phi protein là poly saccharide, nhưng nó không tham gia vào thành phần của trung tâm
hoạt động và nằm ở phía trong phân tử enzyme.
α-amylase của nấm mốc hầu như chỉ tấn công vào những hạt tinh bột bị thương tổn. Sản
phẩm cuối cùng của thủy phân α-amylase nấm mốc là glucose và maltose.
α-amylase của nấm sợi không tấn công vào liên kết α-1,6 glucoside của amilopectin, nên
khi thủy phân nó sẽ tạo thành các dextrin tới hạn phân nhánh. Đây là một cấu trúc phân tử tinh
bột do enzyme α-amylase phân cắt tạo thành các dextrin tới hạn phân nhánh.Sản phẩm thủy
phân cuối cùng của thủy phân α-amylase nấm sợi là maltose và maltotriose.
b) Cơ chế tác dụng của enzyme α -amylase:
α-amylase (1,4-α-glucan-glucanhydrolase) có khả năng phân cách các liên kết α-1,4
glucoside nằm ở phía bên trong phân tử cơ chất (tinh bột hay glycogen) một cách ngẫu nhiên,
không theo một trật tự nào cả.
Quá trình thủy phân tinh bột bởi α-amylase là một quá trình đa giai đoạn:
Ở giai đoạn đầu (giai đoạn dextrin hóa): chỉ một số phân tử cơ chất bị thủy phân tạo một
lượng lớn phân tử α-dextrin. Độ nhớt của hồ tinh bột giảm nhanh chóng.
Sang giai đoạn hai (giai đoạn đường hóa): các phân tử α-dextrin tiếp tục bị thủy phân tạo
ra các tetra-trimaltose không màu với thuốc thử iodine. Các chất này bị thủy phân rất chậm bởi
α-amylase cho đến khi tạo thành các disaccharide và cuối cùng là monosaccharide.

Maltotetrose
Amylose  oligosaccharide 

Học viên thực hiện: Hồ Ngọc Anh

Maltotriose 
Malto

13%glucose
87% maltose
Lớp Cao học K14
Viện Sinh thái và Tài nguyên sinh vật


Tiểu luận Hóa Sinh
Giảng viên: TS. Nguyễn Văn Thiết
Môn: Xúc tác sinh học

19% glucose
Amylopectin 

72% maltose
8% isomaltose
Dextrin phân tử thấp

Tóm lại, dưới tác dụng của α-amylase, tinh bột có thể chuyển thành glucose, maltose,
maltotetrose, dextrin phân tử thấp. Tuy nhiên, thông thường α-amylase chỉ thủy phân tinh bột
thành chủ yếu là dextrin phân tử thấp,và một ít maltose. Khả năng dextrin hóa cao là một đặc
trưng cơ bản của α-amylase, do vậy người ta còn gọi α-amylase là amylase dextrin hóa hay
amylase dịch hóa.
5.2. Hệ enzym Protease [4]

Protease (peptide – hidrolase 3.4) là tên gọi chung cho nhóm enzyme xúc tác quá trình
thuỷ phân liên kết liên kết peptide (-CO-NH-)n trong phân tử protein, polypeptide đến sản
phẩm cuối cùng là các axit amin, pepton hoặc di-tripepton. Ngoài ra, nhiều protease cũng có
khả năng thuỷ phân liên kết este và vận chuyển axit amin.
Các loại protease
Protease được phân loại dựa trên các đặc điểm riêng của chúng cũng như cấu tạo trung
tâm hoạt động enzyme, hiện tại được chia làm 6 nhóm chính :
- Serine proteases
- Threonine proteases
- Cysteine proteases
- Aspartic acid proteases
- Metalloproteases
- Glutamic acid proteases
Hiên chúng ta sử dụng 3 nguồn nguyên liệu sinh học cơ bản để thu nhận protease: các mô
và cơ động vật, mô và cơ quan thực vật, tế bào vi sinh vật
Protease là enzyme được sử dụng nhiều nhất hiện nay trong một số ngành sản xuất như:
chế biến thực phẩm (đông tụ sữa làm pho mát, làm mềm thịt, bổ sung để làm tăng chất lượng
sản phẩm trong sản xuất bia, xử lý phế phụ phẩm trong chế biến thực phẩm…), sản xuất chất
tẩy rửa, thuộc da, y tế, nông nghiệp…
Việc sử dụng trong chế biến làm mềm thịt là ứng dụng có tính truyền thống. Nhân dân ta
từ rất lâu đã dùng thơm để nấu canh thịt bò; dùng rau sống là chuối chát, vả kết hợp thức ăn
nhiều thịt; đu đủ trong chống táo bón…mà thực chất là sử dụng papain, bromelain, fixin.
Người Nga còn dùng protease từ hạt đậu tương nẫy mầm để làm mềm thịt. Ngoài khả năng
phân giải để làm mềm thịt, tạo thức ăn dễ tiêu hóa, công nghệ sản xuất các loại dịch thủy phân
giàu protein đã được áp dụng một cách có hiệu quả tính năng của protease.

Học viên thực hiện: Hồ Ngọc Anh

Lớp Cao học K14
Viện Sinh thái và Tài nguyên sinh vật


Tiểu luận Hóa Sinh
Giảng viên: TS. Nguyễn Văn Thiết
Môn: Xúc tác sinh học

Protease là một công cụ để chế biến các phế liệu của công nghiệp thực phẩm thành thức
ăn cho người và vật nuôi. Người ta còn khai thác tính đông tụ như của renin, pepsin vào công
nghiệp thực phẩm như trong sản xuất phomat.
Protease phân bố ở thực vật, động vật, vi sinh vật. Tuy nhiên nguồn enzyme ở vi sinh
vật phong phú nhất, có ở hầu hết các vi sinh vật như vi khuẩn, nấm mốc và xạ khuẩn… Có thể
nói vi sinh vật là nguồn nguyên liệu thích hợp nhất để sản xuất enzyme ở quy mô lớn dùng
trong công nghệ và đời sống.
5.3. Pectinase [4]

Pectinase là nhóm enzym xúc tác cho sự thủy phân pectin, đang được ứng dụng rộng rãi
trong công nghiệp thực phẩm và dược phẩm, nhất là trong công nghiệp sản xuất các loại nước
ép trái cây. Ðặc biệt, dạng enzyme cố định được sử dụng rất hiệu quả vì có nhiều ưu điểm hơn
hẳn dạng enzyme thông thường (enzyme hòa tan). Pectinase đã được dùng trong một số ngành
công nghiệp thực phẩm sau:
- Sản xuất rượu vang.
- Sản xuất nước quả và nước uống không có rượu.
- Sản xuất các mặt hàng từ quả: quả cô đặc, mứt.
- Sản xuất nước giải khát.
- Sản xuất cà phê.
Chế phẩm pectinase được sử dụng trong sản xuất nước quả từ các nguyên liệu quả nghiền
hay để làm trong nước quả ép. Bởi vì khi có pectin thì khối quả nghiền sẽ có trạng thái keo, do
đó khi ép dịch quả không thóat ra được. Nhờ pectinase mà nước quả trong suốt, dễ lọc, hiệu
suất tăng. Pectinase còn góp phần chiết rút các chất màu, tanin và các chất hòa tan khác, do đó
làm tăng chất lượng của thành phẩm. Những nghiên cứu cho thấy khi ép nho có xử lý bằng
pectinase không những làm tăng hiệu suất mà còn làm tăng màu sắc.
Trong sản xuất mứt nhừ, mứt đông… nhờ pectinase mà dịch quả có nồng độ đậm đặc hơn.
Cũng giống như protease, chế phẩm pectinase được thu nhận từ vi sinh vật, nấm mốc, xạ
khuẩn… đặc biệt là các chủng nấm Asp. Ficuum và Asp. Niger có khả năng tổng hợp pectinase cao
nhất.
5.4 . Cellulase [4]

Cellulose là thành phần cơ bản của tế bào thực vật, vì vậy
nó có mặt trong mọi loại rau quả cũng như trong các nguyên
liệu,phế liệu của các ngành trồng trọt và lâm nghiệp. Nhưng
người và động vật không có khả năng phân giải cellulose.
Cellulase là enzyme xúc tác cho quá trình chuyển hoá Cellulose
thành các sản phẩm hoà tan. Nó chỉ có giá trị làm tăng tiêu hóa,
nhưng với lượng lớn nó trở nên vô ích hay cản trở tiêu hóa.
Chế phẩm cellulase thường dùng để:
- Tăng chất lượng thực phẩm và thức ăn gia súc.
Học viên thực hiện: Hồ Ngọc Anh

Lớp Cao học K14
Viện Sinh thái và Tài nguyên sinh vật


Tiểu luận Hóa Sinh
Giảng viên: TS. Nguyễn Văn Thiết
Môn: Xúc tác sinh học

- Tăng hiệu suất trích ly các chất từ nguyên liệu thực vật.
Ứng dụng trước tiên của cellulase đối với chế biến thực phẩm là dùng nó để tăng độ hấp
thu, nâng cao phẩm chất về vị và làm mềm nhiều loại thực phẩm thực vật. Đặc biệt là đối với
thức ăn cho trẻ con và nói chung chất lượng thực phẩm được tăng lên.
Một số nước đã dùng cellulase để xử lý các loại rau quả như bắp cải, hành, cà rốt, khoai
tây, táo và lương thực như gạo. Người ta còn xử lý cả chè, các loại tảo biển…
Trong sản xuất bia, dưới tác dụng của cellulase hay phức hệ citase trong đó có cellulase,
thành tế bào của hạt đại mạch bị phá hủy tạo điều kiện tốt cho tác động của protease và đường
hóa.
Trong sản xuất agar-agar, tác dụng của chế phẩm cellulase sẽ làm tăng chất lượng agaragar hơn so với phương pháp dùng acid để phá vỡ thành tế bào. Đặt biệt là việc sử dụng chế
phẩm cellulase để tận thu các phế liệu thực vật đem thủy phân, dùng làm thức ăn gia súc và
công nghệ lên men. Những ứng dụng của cellulase trong công nghiệp thực phẩm đã có kết quả
rất tốt. Tuy nhiên hạn chế lớn nhất là rất khó thu được chế phẩm có cellulase hoạt độ cao.
6. MỘT SỐ ĐẶC ĐIỂM CỦA PHẢN ỨNG THỦY PHÂN BỞI ENZYME [4]
Thứ bậc của phản ứng
Sơ đồ chung của phản ứng thủy phân bởi enzym có thể biểu diễn như sau:
A — B + H2O

AH + BOH
Hydrolase

Cơ chất + nước

Sản phẩm
Enzym

Nhìn sơ đồ chúng ta thấy: phản ứng thủy phân bởi enzym là phản ứng lưỡng phân. Nhưng
vì nồng độ của nước rất lớn coi như không thay đổi trong suốt thời gian phản ứng, do đó vận
tốc của phản ứng chỉ phụ thuộc nồng độ cơ chất. Như vậy, phản ứng thủy phân bởi enzym là
phản ứng đơn phân và bậc nhất.
7. YẾU TỐ ĐIỀU CHỈNH [4]
Đối với phản ứng thủy phân bởi enzym thì nước không những là môi trường để khuếch
tán enzym và cơ chất mà còn là tác nhân tham gia vào phản ứng . Nước có ảnh hưởng không
những đến vận tốc mà cả chiều hướng của phản ứng thủy phân bởi enzym . Bằng thí nghiệm
trộn tinh bột đã được hồ hóa và đã sấy thăng hoa với enzym α – amilase của vi khuẩn, sau đó
đem phun hơi nước đến những độ ẩm nhất định. Người ta thấy khi hàm ẩm đạt 20% (khoảng
4% nước tự do) thì α – amilase sẽ thủy phân tạo thành chủ yếu là glucose và mantose. Khi hàm
ẩm cao hơn thì ngoài glucose và mantose còn tạo thành các oligosacarit khác.
Như vậy nước cũng là một yếu tố điều chỉnh các phản ứng thủy phân bởi enzym. Có thể
dùng nước làm nhân tố để tăng cường hay kìm hãm các phản ứng thủy phân có xúc tác enzym.
Học viên thực hiện: Hồ Ngọc Anh

Lớp Cao học K14
Viện Sinh thái và Tài nguyên sinh vật


Tiểu luận Hóa Sinh
Giảng viên: TS. Nguyễn Văn Thiết
Môn: Xúc tác sinh học

Khoa học về bảo quản các nguyên liệu có nguồn gốc sinh học chính là dựa trên nguyên lý này.
Như chúng ta đều biết, các nguyên liệu sinh học khi bảo quản có thể bị hư hỏng do một loạt
các phản ứng phức tạp mà khởi đầu là phản ứng thủy phân bởi enzym. Để bảo quản được tốt
thì một trong những biện pháp kĩ thuật tương ứng là tách nước bằng cách phơi, sấy .v.v. các
biện pháp kỹ thuật tương ứng để tách nước trong quá trình tinh luyện dầu béo cũng là nhằm
ngăn ngừa phản ứng thủy phân bởi enzym lipase.
Ngoài ra, cũng như đối với những phản ứng enzym khác, có thể dùng yếu tố nhiệt độ và
pH để điều chỉnh các phản ứng thủy phân bởi enzym. Mỗi enzym thủy phân (hydrolase) có một
nhiệt độ và pH tối ưu riêng. Ngay cũng một enzym hydrolase nhưng lấy từ các nguồn khác
nhau cũng có nhiệt độ và pH xúc tác thủy phân khác nhau. Các quá trình đường hóa trong sản
xuất bánh mì, trong sản xuất bia và trong sản xuất rượu là những quá trình thủy phân bằng
enzym với mức độ khác nhau. Quá trình sản xuất nước chấm, nước mắm, phomat, chao… thực
chất cũng là những quá trình thủy phân bằng enzym với mức độ khác nhau. Ở đây người ta chủ
yếu là dựa vào nhiệt độ hoặc pH để điều chỉnh các phản ứng thủy phân theo những chiều
hướng mong muốn.
Khi thủy phân bằng enzym hydrolase có một số ưu nhược điểm sau:
• Do enzym hydrolase có tính đặc hiệu cao nên không tạo thành sản phẩm phụ do đó
dịch thủy phân thu được có độ thuần khiết cao.
• Phản ứng thủy phân bởi enzym tiến hành ở nhiệt độ thấp và pH cao, nghĩa là ở điều
kiện tạo thành rất ít tạp chất (không có phản ứng đảo chiều và phản ứng phân hủy như trong
thủy phân bằng axit) do đó vừa giảm được yêu cầu về độ thuần khiết của nguyên liệu (có thể
thủy phân trực tiếp trên nguyên liệu), vừa có hiệu suất cao.
• Khi thủy phân bằng enzym còn cho phép điều chỉnh được thành phần hóa học của sản
phẩm, do đó làm tăng được mặt hàng.
• Enzym hydrolase có thể thủy phân trong điều kiện nồng độ cơ chất rất cao do đó giảm
được chi phí hơi.
• Thời gian thủy phân của enzym hydrolase dài hơn so với axit nhiều, do đó chu kỳ sản
xuất kéo dài.
• Muốn có hiệu suất cao và chất lượng sản phẩm tốt phải có chế phẩm enzym tinh khiết
do đó phải có phân xưởng chuyên sản xuất chế phẩm tinh khiết này.
• Dung dịch do enzym thủy phân thường khó lọc hơn khi thủy phân bằng axit.
Nhằm phát huy các ưu điểm và khắc phục các nhược điểm của phương pháp thủy phân
bằng enzym, hiện nay trong một số ngành sản xuất thưucj phảm đang xuất hiện phương pháp
thủy phân mới: Phương pháp thủy phân bằng axit – enzym và bằng enzym – axit.
Phương pháp mới này kết hợp được tính chất nhanh chóng và đơn giản của thủy phân
bằng axit và khả năng to lớn, tiềm tàng và đầy triển vọng của thủy phân bằng enzym.

Học viên thực hiện: Hồ Ngọc Anh

Lớp Cao học K14
Viện Sinh thái và Tài nguyên sinh vật


Tiểu luận Hóa Sinh
Giảng viên: TS. Nguyễn Văn Thiết
Môn: Xúc tác sinh học

8. Ý NGHĨA CỦA PHẢN ỨNG THỦY PHÂN [4]
Phản ứng thủy phân là phản ứng rất phổ biến và rất quan trọng trong bảo quản và sản xuất
thực phẩm. Do phản ứng thủy phân mà chất lượng các sản phẩm thực phẩm bị giảm đi và cũng
nhờ phản ứng thủy phân để tăng thêm phẩm chất cho thành phẩm. Qua phản ứng thủy phân,
không những chỉ các tính chất cảm quan mà các tính chất hóa học của sản phẩm cũng bị biến
đổi.
Phản ứng thủy phân thường là mở đầu cho một loạt các phản ứng khác tiếp diễn. Các
phản ứng khác chỉ có thể sảy ra khi phản ứng thủy phân kết thúc.
Xét về mặt sinh học, phản ứng thủy phân thường đặc trưng cho giai đoạn phân giải – giai
đoạn kết cùng của một quá trình sinh học.
Bên cạnh đó, trong kỹ thuật sản xuất các sản phẩm thực phẩm, phản ứng thủy phân có vai
trò rất quan trọng. Để giảm bớt sự tổn thất các chất thực phẩm, người ta phải tìm những biện
pháp kỹ thuật tương ứng để ngăn ngừa và hạn chế các phản ứng thủy phân. Trái lại, nếu qua
phản ứng thủy phân mà chất lượng thành phẩm tăng lên thì người ta phải tạo điều kiện cho
phản ứng ấy xảy ra đến tận cùng.
Chẳng hạn dầu mỡ hoặc các sản phẩm của hạt trong quá trình bảo quản chất lượng thường
bị giảm đi, là do phản ứng thủy phân đã tạo điều kiện cho phản ứng oxy hóa tiếp diễn làm giảm
phẩm chất của sản phẩm.
Từ tinh bột, muốn có được đường nha hay đường glucose người ta phải tạo điều kiện để
phản ứng thủy phân tinh bột bằng enzyme đạt đến mức tối đa. Để có được nước mắm hay nước
chấm, phomat hay chao, hoặc làm mềm thịt đều xuất phát từ nguyên lý của phản ứng thủy
phân. Hoặc như trong sản xuất bánh mì, các phản ứng oxy hóa, caramen hóa và melanoidin,
nghĩa là những phản ứng tạo nên toàn bộ chất lượng của sản phẩm bánh chỉ có thể xảy ra khi
đã có phản ứng thủy phân mở đầu.
Quá trình sản xuất rượu, bia thực chất là quá trình oxy hóa sinh học, nhưng để có được
quá trình thực chất này trước đó phải có phản ứng thủy phân. Vì vậy, trước khi cho lên men
rượu người ta phải đường hóa tinh bột thành đường, nghĩa là phải thực hiện phản ứng thủy
phân.

TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Phạm Thị Trân Châu, Hóa Sinh Học, NXB Giáo Dục Việt Nam, 2010.

[2]. Đỗ Đình Hồ (chủ biên), Hóa Sinh Y Học, NXB Y học, 2006.
[3]. Lê Ngọc Tú và cộng sự, Hóa Sinh Công Nghiệp, NXB KH – KT,2004.
[4]. Nguyễn Thị Mai Hương, Hóa Sinh Thực Phẩm, Tài liệu được chia sẻ trực tuyến bằng
file.

Học viên thực hiện: Hồ Ngọc Anh

Lớp Cao học K14
Viện Sinh thái và Tài nguyên sinh vật


Tiểu luận Hóa Sinh
Giảng viên: TS. Nguyễn Văn Thiết
Môn: Xúc tác sinh học

Học viên thực hiện: Hồ Ngọc Anh

Lớp Cao học K14
Viện Sinh thái và Tài nguyên sinh vật



Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×