Chuong 2-Enzyme va su xuc tac sinh hoc doc

• Tốc độ cực lớn của các phản ứng xảy ra trong cơ thể là nhờ có các chất xúc tác sinh học có hoạt tính cao- đó là các men hay còn gọi là enzym.. Khái niệm chung về enzymeEnzyme là những

CHƯƠNG 2

ENZYME

VÀ SỰ XÚC TÁC SINH HỌC

1 Vai trò của enzym trong cơ thể sống

Trong cơ thể sống xảy ra rất nhiều phản ứng khác nhau Tất cả các cấu trúc của tế bào không ngừng đổi mới Những biến đổi này xảy ra với tốc độ rất lớn, gấp hàng triệu lần tốc độ phản ứng tương tự ở môi trường không sống

Tất cả các phản ứng trong cơ thể xảy ra ở nhiệt độ thấp và áp suất nhỏ, trong giới hạn dao động nồng độ ion H+ và OH- rất hẹp

Ví dụ : Quá trình phân huỷ protein của thức ăn thành axit amin trong hệ tiêu hoá xảy ra ở nhiệt độ 37oC sau 2-3 giờ, trong khi đó quá trình này tại phòng thí nghiệm diễn ra ở nhiệt độ ít nhất là 1000C với sự có mặt của axit đặc và sau vài chục giờ.

• Tốc độ cực lớn của các phản ứng xảy ra trong cơ thể là nhờ có các chất xúc tác sinh học có hoạt tính cao- đó là các men hay còn gọi là enzym Chúng làm thay đổi tốc độ phản ứng hoá học, song sau phản ứng lại tự biến đổi để trở thành trạng thái ban đầu.

2 Vai trò của enzyme trong công nghệ chế

biến và bảo quản thực phẩm

a Enzyme kh c ph c khi m khuy t t nhiên c a nguyên li u:ắ ụ ế ế ự ủ ệ

Các s n ph m nông s n có ch t lả ẩ ả ấ ượng v dinh dề ưỡng, th nh ph n hóa h c, tính ch t c m quan ph à ầ ọ ấ ả ụthu c nhi u v o: gi ng, lo i nông s n, i u ki n canh tác, i u ki n thu hái v v n chuy n, i u ki n ộ ề à ố ạ ả đ ề ệ đ ề ệ à ậ ể đ ề ệ

b o qu n Do v y ch t lả ả ậ ấ ượng s n ph m ả ẩ được t o ra t nguyên li u dao ạ ừ ệ động r t l n Trong th c t ấ ớ ự ế

n u ch t lế ấ ượng nguyên li u quá kém ngệ ười ta ph i i u khi n các ph n ng xúc tác b i enzyme ả đ ề ể ả ứ ở để ạ t o nên các th nh ph n thi u h t trong nguyên li u à ầ ế ụ ệ đưa v o s n xu t.à ả ấ

• Ví d : trong s n xu t bia, nguyên li u chính l malt ụ ả ấ ệ à đạ i m ch ạ Để kh c ph c malt ắ ụ đạ i

m ch chát l ạ ượ ng kém ( không có kh n ng chuy n hóa h t tinh b t th nh dextrin, ả ă ể ế ộ à đườ ng lên men ) th ườ ng dùng các ch ph m enzyme th y phân thu c h amilase nh Termamyl ế ẩ ủ ộ ệ ư 120L ho c SC, h enzyme protease nh Neutrase 0,5L ặ ệ ư

b Enzyme nâng cao giá tr th ị ươ ng ph m c a nguyên li u: ẩ ủ ệ

Trong th c t có r t nhi u các nguyên li u nông s n có giá tr th ự ế ấ ề ệ ả ị ươ ng ph m th p Sau khi ẩ ấ

c chuy n hóa b i tác d ng c a enzyme thì giá tr th ng ph m cao h n r t nhi u,

chúng có th l các s n ph m không nh ng có giá tr dinh d ể à ả ẩ ữ ị ưỡ ng cao m còn ph c v à ụ ụ

c cho các m c ích khác ngo i th c ph m nh y h c

Ví d :trong công nghi p ch bi n tinh b t, m c ích c a nh máy ch bi n tinh b t l ụ ệ ế ế ộ ụ đ ủ à ế ế ộ à chuy n hóa tinh b t t m t h p ch t có phân t l ể ộ ừ ộ ợ ấ ử ượ ng cao, h s h p thu kém, giá tr ệ ố ấ ị

th ươ ng ph m th p th nh các s n ph m m i có h s h p thu cao h n, a d ng h n , giá ả ấ à ả ẩ ớ ệ ố ấ ơ đ ạ ơ

tr th ị ươ ng ph m cao, ng d ng nhi u trong công nghi p ch bi n các s n ph m khác ẩ ứ ụ ề ệ ế ế ả ẩ

c Enzyme l công c trong quá trình chuy n hóa công ngh : à ụ ể ệ

trong các nh máy ch bi n th c ph m thì enzyme à ế ế ự ẩ đượ c s d ng nh m t công c c a ử ụ ư ộ ụ ủ

to n b quá trình chuy n hóa ho c l to n b quá trình chuy n hóa trong dây chuy n à ộ ể ặ à à ộ ể ề

ch bi n N u thi u s có m t c a nó thì quá trình ch bi n không th nh công ế ế ế ế ự ặ ủ ế ế à

Ví d : trong s n xu t bia, quá trình ch bi n d ch ụ ả ấ ế ế ị đường l quá trình chuy n hóa các h p ch t cao phân t à ể ợ ấ ửkhông hòa tan th nh các ch t th p phân t h on tan dà ấ ấ ử à ưới tác d ng c a nhi u h enzyme khác nhau.ụ ủ ề ệTinh b tộ dextrin→

Protein pepton acid amin→ →

Lipid acid béo→

amylase protase peptidase

lipase

d Enzyme t ng tính ch t c m quan c a s n ph m:ă ấ ả ủ ả ẩ

Trong ch bi n th c ph m sau khi x y ra các giai o n chuy n hóa chính, thông thế ế ự ẩ ả đ ạ ể ường các s n ph m th c ả ả ự

ph m ch a h n ã ẩ ư ẳ đ đạt ch t lấ ượng c m quan t i u Vì th chúng có các giai o n ho n thi n s n ả ố ư ế đ ạ à ệ ả

ph m , trong giai o n n y ho c l t o nên nh ng i u kiên m i cho các enzyme b n th có l i phát ẩ đ ạ à ặ à ạ ữ đ ề ớ ả ể ợhuy tác d ng có l i ho c b sung các enzyme t ngo i v o ụ ợ ặ ổ ừ à à để à l m t ng ch t lă ấ ượng c m quan c a s n ả ủ ả

ph m nh c i thi n mùi v v c a s n ph mẩ ư ả ệ à ị ủ ả ẩ

Ví d : l m trong rụ à ượu vang nh ch y u l pectinase , ây l ch tiêu ch t lờ ủ ế à đ à ỉ ấ ượng quan tr ng nh t c a rọ ấ ủ ượu vang.V i m c ích l m trong rớ ụ đ à ượu các ch ph m enzyme s d ng ph i có kh n ng ch u ế ẩ ử ụ ả ả ă ị được n ng ồ

r u r 10-12% v không ch a các enzyme oxi hóa l m nh h ng n m u s c v mùi v c a s n

ph m ẩ

TRên th trị ường có 3 ch ph m s d ng ế ẩ ử ụ để à l m trong d ch qu l :ị ả à

- Pectinex 3XL,Pectinex AR: ch u ị được n ng ồ độ ượ r u cao

- Viscozyme 120L : ch u ị được n ng ồ độ ượ r u th p nh ng ch u ấ ư ị được n ng ồ độ đường cao h n > s ơ ử

d ng ụ để à l m trong d ch qu cô ị ả đặc

3 Khái niệm chung về enzyme

Enzyme là những chất xúc tác sinh học ,có thể là protein hoặc acid nucleic,có đầy đủ tính chất của chất xúc tác,ngoài ra còn có những tính chất ưu việt hơn so với các chất xúc tác khác như: hiệu suất cao trong điều kiện nhiệt độ và áp suất bình thường,có tính chất đặc hiệu cao Các tính chất này vẫn được giữ nguyên khi tách enzyme ra khỏi hệ thống sống,hoạt động trong điều kiện invitro (trong ống nghiệm)

• Về bản chất hoá học enzym là các protein, có phân tử lượng từ vài chục ngàn đến vài triệu đơn vị cacbon,

trong dung dịch chúng hoạt động như những chất điện phân lưỡng tính và pH của chúng phụ thuộc vào pH

dung dịch

• enzym có khả năng tạo thành tinh thể từ dung dịch Tinh thể enzym chứa một lượng lớn nước và có hoạt tính xúc tác cao Khi làm khô, tinh thể bị phá vỡ và mất hoạt tính.

• Enzyme không b n ề đố ới v i tác d ng c a nhi t ụ ủ ệ độ Dưới tác d ng c a nhi t ụ ủ ệ độ cao, enzyme b bi n tính ị ế

v m t kh n ng xúc tác.à ấ ả ă

Các enzym được phân thành:

- enzym trong tế bào VD: cytochrome oxydase

- enzym ngoài tế bào VD: amylase

• enzym trong tế bào hoạt động ngay trong những tế bào mà nó được hình thành Chúng tham gia vào thành phần cấu trúc phức tạp của tế bào và có thể tạo nên tổ hợp với các enzym khác

để thúc đẩy không chỉ một phản ứng mà cả quá trình sinh học bao gồm hàng loạt phản ứng

• enzym ngoài tế bào được đưa từ tế bào vào máu, tới dịch tiêu hoá và các dịch sinh học khác Tại đó chúng thúc đẩy các quá trình chuyển hoá vật chất khác nhau.

• M i enzym tham gia xúc tác m t ph n ng n o ỗ ộ ả ứ à đấy trong c th v ng n ch n các ph n ng ph Do ơ ể à ă ặ ả ứ ụ

ó các ph n ng x y ra theo h ng xác nh

S + E (ES) (EP)

E + P

4 Danh pháp enzyme

Tên enzyme = tên cơ chất+ase

Ví dụ: enzyme thuỷ giải protein: protease

enzyme phân huỷ nucleic : nuclease…

enzyme tổng hợp DNA : DNA-polymerase

Bên cạnh đó còn có những tên thông thường:

ví dụ: ligase (enzyme nối, trong quá trình tự sao DNA)

amylase (enzyme thuỷ phân tinh bột,có trong dịch ruột)…

5 Cấu tạo enzyme

* Enzyme 1 cấu tử: là enzyme trong thành phần cấu

tạo chỉ có protein.

VD: pepsin ,urease

Enzym một thành phần

Chỉ cấu tạo từ Protein

 Trung tâm hoạt động: Một phần của phân tử protein thực hiện chức năng xúc tác.

TTHĐ là sự kết hợp của một số nhóm chức của một số gốc axit amin nhất định tạo thành Các gốc: - SH (Cys), -OH (Ser, Tyr), vòng Imidazol (His), -COOH (Asp, Glu), vòng Indol (Try)

Ví dụ: Chymotripxin – 4 gốc His 57, Asp 102, Gly 193, Ser 195 (245 gốc)

Cholinesterase – 4 gốc His, Ser, Asp, Tyr

Enzyme pepsin

Enzym một thành phần (TT)

TTHĐ gồm Trung tâm cơ chất (vùng gắn, diện tích mỏ neo) và Địa điểm xúc tác

 Trung tâm cơ chất

 Địa điểm xúc tác

đó của phân tử enzym khi các chất có KLPT nhỏ gắn vào làm thay đổi cấu hình không gian, kéo theo thay đổi hoạt tính của enzym

TTH g m Đ ồ 4

gèc: His 57,

Asp 102, Gly 193, Ser 195

Enzym hai thµnh phÇn

• Nhãm prostetic : Nhãm thªm liªn kÕt bÒn v÷ng víi apoenzym

B¶n chÊt: Ion kim lo¹i Ca +2 , Zn +2 , Cu + …

Zn+2 – Cacboxypeptidase A

Cu+ - Ascorbatoxydase, Phenoloxydase

CÊu t¹o tõ 2 thµnh phÇn: - Protein (Apoenzym)

- Nhãm thªm : Coenzym hay nhãm

prostetic

Trung tâm hoạt động của cacboxypeptidase A

Table 11.5

TPP

FMN

FAD.H 2

FMN vµ FAD

Coenzym A (CoA-SH)

• Quan hệ giữa apoenzym và coenzym:

 Coenzym quyết định tính đặc hiệu phản ứng

 Apoenzym quyết định tính đặc hiệu cơ chất

• Coenzym v apoenzym riêng r có ho t tính xúc tác th p, song khi chúng liên k t v i nhau t o th nh à ẽ ạ ấ ế ớ ạ à

m t t h p có ho t tính r t m nh.ộ ổ ợ ạ ấ ạ

TÝnh c hi u c a Protease đặ ệ ủ

Figure 11.12: Active site pockets of two serine proteases

Figure 11.13:

Catalysis of peptide bond hydrolysis by chymotrypsin

Trung tâm hoạt động:chỉ có 1 phần rất nhỏ của enzyme tham gia phản ứng, phần này gọi là trung tâm hoạt động,số trung tâm hoạt động có thể lớn hơn 1

Cơ chế xúc tác của enzym

Metal Ion or =

Organic Molecule

Polypeptide

6 Phân loại enzym

Mỗi tế bào sống có khoảng 1000 enzym khác nhau Cơ sở để phân loại enzym đó là dạng của phản ứng Tất cả các loại enzym được chia thành 6 nhóm: enzym oxy hoá khử, transferase, hydrolase, liase, izomerase và ligase.

Enzymes có thể được phân chia theo phản ứng

• Enzym oxy hoá khử thúc đẩy các phản ứng oxy hoá khử Phụ thuộc vào dạng diễn biến của quá trình oxy hoá, các enzym oxy hoá khử được chia thành các loại : Dehydrogenase, oxydase, hydroxylase và oxygenase

• Transferase thúc đẩy quá trình chuyển nhóm nguyên tử từ một phân tử này sang phân tử khác và phụ thuộc vào nhóm nguyên tử chuyển đổi mà phân chia thành các loại sau :

• Metyltransferase chuyển nhóm CH3

• Axittransferase chuyển gốc acid R- C- OOH

• Glucoziltransferase chuyển gốc đường đơn (glycozil)

• Aminotransferase chuyển nhóm amin -NH2.

• Photphotransferase chuyển gốc axit photphoric

• Thúc đẩy quá trình thuỷ phân các liên kết peptit hoặc ete trong phân tử đường đa, lipit, protein, nucleotit Một số trường hợp hydrolase xúc tác cả phản ứng tổng hợp Tất cả các enzym tiêu hoá đều thuộc loại hydrolase Hydrolase được chia thành esterase, photphatase, glucozidase và peptithydrolase

Liase: Thúc đẩy quá trình phân huỷ không thuỷ phân các hợp chất hữu cơ theo các liên kết C, N,

“ase”

Tính đặc hiệu của enzym

• Đặc hi u l p th : ch tác d ng lên m t d ng ệ ậ ể ỉ ụ ộ ạ đồng phân quang h cọ Enzym c ng th hi n tính ũ ể ệ đặc hi u v i các ệ ớ

ng phân hình h c

đồ ọ : ch tác d ng lên m t d ng ỉ ụ ộ ạ đồng phân cis ho c trans ặ

• Đặc hi u tuy t ệ ệ đối: Enzym ch có kh n ng tác d ng lên m t c ch t nh t nh C u trúc trung tâm ho t ỉ ả ă ụ ộ ơ ấ ấ đị ấ ạ động

c a enzym ph i k t h p ch t ch v i c u trúc c a c ch t, m t khác bi t nh v c u trúc c a c ch t c ng l m ủ ả ế ợ ặ ẽ ớ ấ ủ ơ ấ ộ ệ ỏ ề ấ ủ ơ ấ ũ àenzym không xúc tác được

• Đặc hi u tệ ương đối: enzym có tác d ng lên m t ki u n i hóa h c nh t nh trong phân t c ch t m không ph ụ ộ ể ố ọ ấ đị ử ơ ấ à ụ

thu c v o b n ch t hóa h c c a các c u t tham gia t o th nh liên k t ó ộ à ả ấ ọ ủ ấ ử ạ à ế đ

• Đặc hi u nhóm: Enzym có kh n ng tác d ng lên m t ki u liên k t nh t nh khi m t hay hai c u t tham gia ệ ả ă ụ ộ ể ế ấ đị ộ ấ ử

t o th nh liên k t n y có c u t o nh t nh ạ à ế à ấ ạ ấ đị

• Do l ượ ng enzyme th ườ ng s d ng quá nh nên không ph i lúc n o c ng xác nh ử ụ ỏ ả à ũ đị đượ c

n ng ồ độ ủ c a enzyme Vì v y th ậ ườ ng xác nh đị đơ n v ho t ị ạ độ ng ( VH ) c a enzyme Đ Đ ủ

• 1UI (1 VH ) = 1 l Đ Đ ượ ng enzyme l m xúc tác cho s bi n à ự ế đổ ủ i c a 1 mmol c ch t trong 1 ơ ấ phút d ướ i nh ng i u ki n quy nh ữ đ ề ệ đị

Nồng độ cơ chất

• V i m t lớ ộ ượng enzyme xác nh, n u t ng d n lđị ế ă ầ ượng c ch t trong dung d ch thì tho t ơ ấ ị ạ đầu ho t tính ạ

c a enzyme t ng d n nh ng ủ ă ầ ư đến m t lúc n o ó thì s gia t ng v n ng ộ à đ ự ă ề ồ độ ơ c ch t c ng không l m ấ ũ à

t ng ho t tính c a enzyme ó l vì t t c các trung tâm ho t ă ạ ủ Đ à ấ ả ạ động c a enzyme ã ủ đ được bão ho b i à ở

c ch t ơ ấ

Đồ thị biểu diễn quan hệ giữa (V) và nồng độ cơ ch t ấ ([S])

Km - đặc tr ng cho ái lực giữa enzym và cơ chất:

 Khi ([S] >> Km), V đạt cực đại (Vmax) Enzym bị cơ

 Cách tính Km:

 Tính theo ph ơng trình V = Vmax [S]/(Km +[S])

Làm t/n với [S] khác nhau, vẽ đồ thị, xác định Vmax, suy ra Km = Vmax/2

ảnh h ởng của chất hoạt hoá và chất kìm hãm

* ảnh h ởng của chất hoạt hoá

Chất hoạt hoá: Là những chất làm cho enzym từ trạng thái không hoạt động thành trạng thái hoạt động, từ trạng thái hoạt động yếu sang trạng thái hoạt động mạnh.

Bản chất hoá học:

 Chất hoạt hoá gián tiếp: Tham gia phản ứng nh ng không tác dụng trực tiếp với phân tử enzym VD: Axit ascorbic

 Chất hoạt hoá trực tiếp: Tác dụng vào TTHĐ hoặc làm biến

đổi cấu hình không gian của phân tử enzym

- Coenzym: -NAD+, NADP+, FAD, FMN- hoạt hoá các enzym oxi hoá khử

-Các chát phá vỡ sự bao vây TTHĐ:

+ Enzym khác: Enterokinase biến đổi trypxinogen thành trypxin

+ Các chất phục hồi chức năng của TTHĐ:

Các chất giàu –SH (Xistein, Glutation) - Papain

- Ion kim loại: Ô 11 đến ô 55

* ¶nh h ëng cña chÊt k×m h·m -K×m h·m thuËn nghÞch:

Chất kìm hãm thuận nghịch, kìm hãm enzyme

bằng cách kết hơp với nó và làm ảnh hưởng đến

sự kết hợp của E & S, tức là ảnh hưởng đến hoạt

độ phân tử của nó.

a K×m h·m c¹nh tranh: các I này

có cấu trúc tương tự cấu trúc của cơ chất bình thường →nó cảm ứng sự hình thành trung tâm hoạt động (TTHĐ) của E theo cách giống với S cạnh tranh

và cạnh tranh với S để kết hợp vào

TTHĐ của E nhưng khác với S ở chỗ

nó không bị chuyển hoá bởi E.

E + I = EI

[E0] = [E] + [ES] + [EI]

V = Vmax [S ]/ Km (1 + [I]/ki) + [S] K’m = Km(1 + [I]/ki)

V = Vmax [S]/ K’m + [S]

b K×m h·m kh«ng c¹nh tranh: I không cạnh tranh kết hợp với E ở vị trí khác

vị trí kết hợp của S tạo thành EIS không bị chuyển hoá tiếp

E + I = EI

EI + S = EIS

[E0] = [E] + [ES] + [EI] + [EIS]

V = Vmax/ (1 + [I]) x [S]/(Km + [S]) V’max = Vmax/(1 + [I])

V = V’max [S]/(Km + [S])

* K×m h·m kh«ng thuËn nghÞch:

các I không thuân nghịch kết hợp với E tạo phức EI không phân huỷ hoặc khó phân huỷ, phân ly với vận tốc rất thấp

ảnh h ởng của nhiệt độ đến hoạt tính của enzym

Vận tốc phản ứng do enzyme

xỳc tỏc chỉ tăng lờn khi tăng

nhiệt độ trong một giới hạn

nhất định chưa ảnh hưởng

tới cấu trỳc của E.

Đại lương đặc trưng cho ảnh

hưởng của nhiệt độ đến vận

tốc phản ứng là hằng số

Q10:

t

tk

k

10 = +

• H s n y c ng l n thì ph n ng c ng khó x y ra nhi t ệ ố à à ớ ả ứ à ả ở ệ độ ườ th ng v c a ph n l n ph n ng E thì Q10 thà ủ ầ ớ ả ứ ường

có giá tr l 2.ị à

• Nhi t ệ độ ho t ạ động thích h p topt c a nhi u enzyme v o kho ng 40÷50ợ ủ ề à ả oc Trên 50oc ho t ạ độ ườ th ng b gi m ị ả

m nh do l m h ng c ut trúc phân t E Tạ à ỏ ấ ử opt c a m t s E vi sinh v t v E có ngu n g c th c v t thì cao h n.ủ ộ ố ậ à ố ố ư ậ ơ

• Topt c a 1 enzyme ch có ngh a l i u ki n ó thì E có ho t ủ ỉ ĩ à ở đ ề ệ đ ạ độ cao nh t.ấ

ảnh h ởng của pH môi tr ờng đến hoạt tính

của enzym

trypsin amilaza(KL)

pepsin

pH

Hoạt tính enzym %

10 9

8 7

6 5 4

3 2 1 20

60 80

40 100

pH tối thích của một số enzyme

Pepsin 1,5 – 2,5 Trypsin 7,8 – 9,5 Saccarase (nấm men)4,6 – 5,0 Arginase 9,8 Amylase (mạch nha)4,4 – 5,0 Succinatdehydrogenase 9,0 amylase (n ớc bọt) 6,8 – 7,2 Catalase 6,8 – 7,0

Maltase (nấm men) 6,7 – 7,2 Phosphatase động vật 6,2 – 9,4