Dung dịch enzim cơ tính chất của dung dịch keo ưa nước, Khi hòa tan enzim vào nước, các phân tử nước lưỡng cực sẽ kết hợp với các ion, cdc nhốm ion hoặc các nhóm phân cực trong phân tử
Trang 1LẺ N06 TU (chủ biên)
GIÁO TRÌNH
HÚA SINH _ ÔNG NGHIỆP
\_Ý 7 KHŨA HỌC VÀ KÝ THUẬT
Trang 2LÊ NGỌC TÚ ( chủ biên)
LA VAN CHU, DANG THI THU, NGUYÊN THỊ THỊNH,
BUI DUC HGOL, LE DOAN DIEN
Giao trinh
HOA SINH CONG NGHIEP
¬a_
NHÀ XUẤT BAN KHOA HOC VA KY THUAT
Trang 3Lời nói đầu
Sân quất thực phâm co ddc diém là các nguyên liệu chính,
thường có nguồn tốc tỳ siml vật MỖI nguyên liệu và mốt thành
phầm đều chúa các chất hợp phân của lế bào, đặc biệt là các
cHzm Do đó, các phan une hoa hoc xdy ra trong nguyén HỆU cũng whe trong qua tinh sản xuất, thực chất là những phan ung enzim
Do phan ting enzim mà chất lượng của cúc nguyên liệu trong quá
trình bảo quản và cất giữ có thể bị tổn thất, gidm sat, Va cing nhờ phản ng cnzim mà lân tạo ra được trạng thái kết cấu và hương vị đặc thù cho các sản phẩm Các biện pháp công nghệ wong san xHất thực phẩm hoặc là tim cach kim ham hoạt độ các enzm hoặc là tạo các điều kiện để chúng hoạt động đến mức tốt đa Hóa xinh học công nghiệp la mon ky thuật nhằm củng cấp cho sữuh viên nhưng kiến thúc có sở chủ yếu dó Trong lần tái bản này
có sửa chữa và bổ xung một số phần, song nội dụng chính vẫn
không ngoài các phần sau
!¬ Cấu trúc và các tính chất của cHzữn tan và không tan Các phan tine enzim có quan hé đến cấu trúc, trạng thái, màu sắc và chất lượng của các sản phÂm ;
J3- Cấu trúc, tính chất công nghệ cũng như khả nãng chuyến hóa ca các chất trong diều kiện tự niên cũng HÌụt trong các quá (đủ cong nghé
3- Cd sé héa vịnh của mỘi sé quad trình công nghệ tiêu biéu
Hh quá tui Bảo quan, yud trnh Khai thác, lam giàn và qua
trình chế biến
Cuốn sách có thể xử dụng rộng rãi không những làm tài liệu học tập cho sinh viên các ngành công nghệ thực phẩm, công nghệ
gu! học và công nghệ hóa Học mà con Có thể là tài liệu tham khio cho các kỹ su, học tiên cao học, cán Bộ kỹ thuật và cán
bộ quản lý có liên quan đến việc chế tác và xi lý nguồn nguyên
Rhéu xinh học này
Các tác giì cũng xửi trân trọng cám on nIưững ý kiến đóng góp
của các bạn dọc gần xa dé lan ím sau được hoàn chỉnh hún
Trang 4Danh sách các tác pịd bién soan :
Chương ! : Nguyễn Quynh Anh, Dang Thị Thu, Lê Ngọc Tú
Chương 4 Nguyễn Thị Thịnh, Lê Ngọc Tú
Chương 5 : Lê Ngọc Tú, Lê Doãn Diễn
Chương 6 Nguyễn Thị Thịnh
Chương 8 : Lê Ngọc Tú
Chương 9 Bùi Đức Hợi
Chương 10 : Lê Ngọc Tú, Nguyễn Văn Hiệu, Lê Thị Liên Thanh
Chương II : Lê Ngọc Tú, La Văn Chứ, Đặng Thị Thu
Trang 5CHƯƠNG !
ENZIM
I1 CẤU TẠO HOA HOC CUA ENZIM
I.1.1 Bản chất protein của enzim
Enzim là những chất hưu co co phân tử lượng lớn từ 20 000 đến 1 000 000 (có kích thước nhỏ nhất là Ribonucleaza 12 700 dalton) Do có kích thước lớn nên
cũng như protein, enzim không đi qua các màng bán thấm
Enzim có thể hòa tan trong nước, trong dung dịch muối loãng, trong các dung môi hữu cơ cố cực, nhưng không hòa tan trong các dung môi không phân cực Dung
dịch enzim cơ tính chất của dung dịch keo ưa nước, Khi hòa tan enzim vào nước, các phân tử nước lưỡng cực sẽ kết hợp với các ion, cdc nhốm ion hoặc các nhóm phân cực trong phân tử enzim tạo thành lớp vỏ hydrat
Giống như protein, enzim không bén đối với tác dụng của nhiệt độ Dưới tác dụng của nhiệt độ cao, enzim bị biến tính và mất khả năng xúc tác, mức độ giảm hoạt tính của enzim tương ứng với mức độ biến tính của protein enzim Enzim cũng
bị mất khả năng hoạt động dưới tác dụng của các tác nhân gây biến tính protein khác như axit hay kiểm manh hoặc muối kim loại nặng
Enzim cũng cố tính lưỡng tính, nghỉa là trong điều kiện điện ly của môi trường
co thé tén tại ở dạng anion, cation hoặc dạng trung hòa điện Chính dựa trên tính
chất này, cho phép có thể tiến hành phân tách cũng như xác định độ thuấn khiết
của enzim bằng phương pháp điện di
Từ những đạc điểm trên cho thấy bản chất hóa học của enzim là protein Tuy phiên chỉ sau công trinh cia Summer (1026) người đầu tiên đã thu nhận được ureaza của đậu tương dưới dạng tỉnh thể, tiếp theo là Northrop va Kunitz (1930, 1931) đã tách được pepxin và tripxin, sau đố một số nhà nghiên cứu khác củng đã kết tỉnh được một số enzim khác, nên cố đủ bàng chứng xác nhận các tỉnh thể protein thu được chính là enzim
Enzim được cấu tạo từ các L - œ - axitamin kết hợp với nhau qua liên kết
phân hoàn toàn tạo thành các Ù⁄ - 'ø - axitamin, trong nhiều trường hợp ngoài axitamm còn nhận được các chất khác Trong trường hợp thứ nhất enzim là một
protein đơn giản gọi là enzim một cấu tử Trường hợp thứ hai enzim là một protein
phức tạp gọi là enzim bai cấu tử (hai thanh phần) Trong phân tử enzim hai cấu
Trang 6tử phần protein có tên gọi là "'feron" hoặc "apoenzim" được kết hợp với một phần
không phải protein gọi là nhơm ngoại "agon" Trường hợp khi nhơm ngoại tách khỏi phan “apoenzim" (khi cho thẩm tích qua màng bán thấm) và có thể tồn tại độc lập,
thì những agon đó còn có tên riêng là coenzIm
Apoenzim thường quyết định tính đặc hiệu cao của enzim và làm tảng hoạt tính
xúc tác của coenzim
Vi du, ion Fe" có thể xúc tác phan ly H;Ö›, nhưng rất yếu, nếu Fe kết hợp
với bôn vòng pirol tạo thành nhàn hematin thì lực xúc tác đã khá mạnh nhưng
nếu hematin lại kết hợp với một protein đặc biệt để tạo thành enzim catalaza th lực xúc tác cla no tang lên hàng triệu lấn Mặt khác hai cnzim catalaza và
peroxvydaza cố cùng nhóm ngoại như nhau nhưng do phần apoenzim khác nhau nên
xuc tac hai phản ứng hoàn toàn khác nhau
Phân agon quyết đính kiểu phản ứng mà enzim xúc tác, trực tiếp tham gia
trong phan ứng và làm tăng độ bền của apoenzim đối với các yếu tố gây biến tính Trong thành phần của nhom ngoại thường cö vitamin hòa tan trong nước
Vị dụ, piruvatdecacboxylaza (xúc tác phản ứng loại CO- khỏi axit piruvic) 1A
enzim hai thành phần trong đó có nhóm hoạt động là dân xuất pirophosphaL của vitamin B, (tiamin pirophosphat)
Enzim aminotransferaza (xúc tác chuyển hốa axitamin) chứa vitamin B,ụ,
dehydrogenaza ky khí chứa vitamin PP, còn dehydrogenaza hiếu khí chứa vitamin B
v.v Điều này giải thích vì sao khí ăn thiếu vitamin lại ảnh hưởng lớn đến trao đổi
chât
Ngoài ra, một số hợp chất khác như glutation dạng khử, nucleotit và dẫn xuất,
este phosphat của monosaearit, cũng tham gia vào thành phẩn nhóm ngoại của enzIm
Nhiều eñzim hai cấu tử cũng như một cấu tử, trong phân tử còn cố chứa cả
km loại Ví dụ trong thành phần của catalaza, peroxydaza, xitoeromoxydaza có chứa sát, polyphenoloxydaza chứa đồng, œ ~ amilaza chứa canxi v.v Trong nhiều trường hợp những ion kim loại này cũng tham dự vào hoạt động xúc tác của enzim
Đa số enzmm thuộc loại enzim hai câu tử Hiện nay người ta cũng đã xác định
được rằng phần lớn các enzim trong tế bào là những protein có cấu trúc bậc bốn,
ở những điều kiên xác định phân tử của chúng cố thể phân ly thuận nghịch tạo
thành các phần dưới đơn vị (protome) Rhi đố hoạt độ enzim bị giảm hoặc bị mất hoàn toàn, Ỏ những điều kiện thích hợp các phần dưới đơn vị lại có thể kết hợp
lại với nhau và hoạt độ xúc tác của enzim được phục hôi
Phần lớn phân tử các enzim có phân tử lượng rất cao thường chứa nhiều phần dưới đơn vi Vi du, catalaza co phan tu lượng bang 252 000 chứa sáu phần dưới đơn vị mỗi phần có phân tử lượng bằng 42 000
Các protome của enzim thường cố cấu trúc Ít nhiều khác nhau Tùy thuộc vào kiểu kết hợp của các protome này có thể tạo nên các izozim khác nhau Chàng hạn lactatdehydrogenaza do hai loại tiểu phần H va M (H từ chữ heart tiếrg Anh nghĩa
là tím, còn M từ chữ muscle tiếng Anh nghia 1A bap thịt) kết hợp với nhau theo nam kiểu để tạo thành năm izozim khac nhau
Trang 7
+ + HH œ 4 T
|
Hình 1.1 Sở dổ của các izozim lactatdehydrogenaza Các izozim này đều cùng xúc tác phản ứng oxy hóa axit lactic thành axit piruvic,
nhưng khác nhau vế thành phần axit amin, về tính bền nhiệt, về tính di động khi điện di và sắc ký, v.v
I.1.2 Trung tâm hoạt động của enzim
Trong quá trình xúc tác, chỉ một phần rất nhỏ của phân tử enzim tham gia
kết hợp đặc hiệu với cơ chất, phần đó được gọi là trung tâm hoạt động của enzim Cấu tạo trung tâm hoạt động của các enzim hiện còn biết rất Ít
Ỏ các enzim một cấu tử, trung tâm hoạt động thường bao gồm một tổ hợp các nhóm định chức của axitamin không tham gia tạo thành trục chính của sợi polypeptit
Vị dụ, nhớm -SH của xystein, -OlH của xerin, tyrozin, £ - NH; của lizin, - COOH cia axit glutamic, aspartic, vong imidazol của histidin, indol của triptophan
Các nhóm này có thể ở
xa nhau trong mạch polypep-
tit nhung 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
Vi du, œ - kimotripxin
của tụy tạng là enzim một
cấu tử, phân tử chứa 246
gốc axitamin, trung tâm hoạt
ser — 185, imidazol của his
- 57, va nhom cacboxyl cua
asp - 102 Hình 1.2 Sö đổ trung tâm hoạt dộng của
| - kimotripxi
Trung tâm hoạt động a imotripxin
của các enzim hai cấu tử
thường bao gốm nhốm ngoại (vitamin, ion kim loại,.) và các nhóm định chức của
các axitamin ở phần apoenzim
Trong các nhóm chức tham gia vào tâm hoạt động của enzim thường phân biệt
các nhốớm của "tâm xúc tác” tham gia trực tiếp vào hoạt động xúc (ác của enzim
và các nhóm của "miền tiếp xúc" làm nhiệm vụ kết hợp đặc hiệu enzim với cơ chất
để tạo thành phức hợp enzim - co chất
Trang 8Trung tâm hoạt
động cố cấu hình
không gian rất tương
ứng với cấu trúc của
cơ chất và thường được
hình thành trong quá OW?G
trình enzim tiếp xúc `
Theo Emil — Fischer qi
(1890) thi trung tam CŠ%
hoạt động của enzim
H
Hình 13 Số dổ trung tâm hoạt đông của enzim (theo Karpejxki :
gian tương ứng với cấu ẾQ- nhóm tiếp xúc :
trúc của phân tử cơ
chất cũng giống như tương ứng giữa ổ khóa và
chia khóa (h.1.4a)
Quan niệm này đã nêu được một hình ảnh
khá rõ ràng về sự tương ứng hình thể giữa
enzim và cơ chất đã được thừa nhận trong một
thời gian dài Tuy nhiên hiện nay đã cố nhiều
đẫn liệu thực nghiệm chứng minh cấu trúc
không gian của enzim củng như protein không
cứng mà mềm dẻo, linh động Theo quan niệm
hiện nay, khi enzim tương tác với cơ chất các
nhớm chức ở phần trung tâm hoạt động của
phân tử enzim thay đổi vị trí không gian tạo
thành hình thể khớp với hình thể của cơ chất,
vi vay gọi là sự "khớp cảm ting" (h.1.4b)
Giưa cơ chất và trung tâm hoạt động tạo
thành nhiều tương tác yếu, do đó có thể dễ
dang bi cat đứt trong quá trình phản ứng để
giải phóng enzim và các sản phẩm phản ứng
CD - nhóm cố dịnh
enzirn enzim
@
Đa
phức enzim.cø chất 3
phurc enzim.co chat
Hình 1.4 Mô hình Fischer (a) và
mô hinh Koshland (b) Một số enzim có trung tâm hoạt động tổn tại dưới dạng chưa được hoạt hơa
gọi là zimogen hoặc proenzim
Vi du, pepxinogen, tripxinogen, kimotripxinogen, protrombin, co thé dudc hoat
hóa bàng cơ chế tự xúc tác hoặc nhờ các proteaza khác, như tripxinogen có thể được hoạt hóa nhờ tripxin hoặc nhờ enterokinaza của ruột non Cơ chế hoạt hóa dựa trên
sự phá vỡ một sủ liên kết peptit trong phân tử zimogen, kết qua là loại bỏ đi mội vài đoạn pepti co tac dung kim hãm trung tâm hoạt động của enzim, đôi khi sự hoạt hơa kèm theo cả sự sắp xếp lại các nhóm trong nội tại phân tử enzim dan
tới sự hình thành trung tâm hoạt động ở trạng thái hoạt hóa
Trang 9@
142 OOODOOOOS
COOOOOE
doan hexapeptit
bi loai
fripxin
Hình 1.5 Sở đổ minh họa quá trình hoạt hỏa tripxinogen : § ở trong vòng có sọc là gốc xerin trong trung tâm hoạt động Mũi tên chỉ liên kết peptit bị cắt đút trong quả trình hoạt hóa, liên kết giữa Lys-6 và lle-7, doạn hexapeptit d dau N bị loại khỏi phân tử Các axitamin dược viết
theo ký hiệu một chd
Enzim alosteric (enzim dị lập thể, enzim diéu hòa) trong phân tử của chúng
ngoài trung tâm hoạt động còn có một số vị trí khác có thể tương tác với các chất
khác gọi là "trung tâm alosteric" (trung tâm dị lập thể, trung tâm điều hòa) các chất kết hợp vào các trung tâm này gọi là "các chất điều hòa alosteric" (chất điều hòa dị lập thể) Khi các chất này kết hợp với enzim làm thay đổi cấu trúc không gian của phân tử enzim, của trung tâm hoạt động, do đó làm thay đổi hoạt độ xúc
tác của enzim Nếu làm tăng hoạt độ đó gọi là chất điều hòa dương, nếu làm giảm
hoạt độ gọi là chất điều hòa âm Đáng chú ý là các chất điều hòa này kết hợp với enzim nhưng không bị chuyển hơa dưới tác dụng enzim mà nó kết hợp
Hãu hết các enzim alosteric là các protein có cấu trúc bậc bốn, trong phân tử thường cơ hai hay một số trung tâm hoạt động có thể kết hợp với hai hay một số phân tử cơ chất Trường hợp cơ chất có thể thực hiện chức năng của chất điều hòa thi co diéu hòa horaotropic (đồng hướng) Khi chất điểu hòa có cấu trúc khác cơ chất thì có điều hòa heterotropie (dị hướng)
Thông thường các enzim alosteric được điều hòa theo kiểu hỗn hợp, vừa là homotropic va heterotropic
1.2 TINH CHAT CUA ENZIM
I.2.1 Cường lực xúc tác
Enzim là chất xúc tác sinh học, nó có đẩy đủ các tính chất của một chất xúc tác Tuy nhiên enzim cố cường lực xúc tác mạnh hơn nhiều so với xúc tác thông thường VI dụ
Trang 10- 1 mol Fe*" xúc tác phân ly được 10° mol H,O.phut Mét phân tử catalaza
cố một nguyên tử Fe xúc tác phân ly © 10° mol 1T.O./phut
- 1 © pepxin trong 2 gio thuy phan 5 kg protein trứng luộc ở nhiệt độ bình thường ;
— l1 phân tử Øø - amilaza sau l giây cố thể phản giải 4 000 liên kết glucozit trong phan tử tỉnh bột,
I.2.2 Tính đặc hiệu của enzim
Tình đạc hiệu cao của enzim là mốt trong những khác biệt chủ yếu giữa enzim
với các chất xúc tác khác Mỗi enzim chị cố khả năng xúc tác cho sự chuyển hóa một hay môt số chất nhất định theo một kiếu phản ứng nhất định Sự tác dung có
tính lưa chọn cao này gọi là tính đặc hiéu hoac tinh chuyên môn hóa của enzim
J[.3.3.1, Đặc hiệu kiều phản ứng
Dac hiệu này thể hiện ở chỗ mỗi enzim chỉ có thể xúc tác cho một trong các
kiểu phản ứng chuyển hơa một chất nhất định, ví dụ, phản ứng oxy hoa khử, chuyển
vị thủy phân v.v
1.2.2.7), Đặc hiệu có chất
Cu chat la chat eo kha nàng kết hợp vào trung tâm hoạt động của enzim và
bị chuyển hóa dưới tác dụng của enzim Mức độ đạc hiệu của các enzim không giông
nhau người ta thường phân biệt thành các mức sau
a) Dic hiệu tuyệt đối
Enzim chỉ tác dụng trên một cø chất nhất định và hấu như không có tác dung với chất nào khác Ví du, ureaza hấu như chỉ tác dụng với ure, thủy phân nơ thành
khí cacbonic và amoniae
Tuy nhiên, sau này người ta tìm thấy răng urcaza cũng tác dụng được với cac
chất khác cố câu trúc gần giống ure (hydroxyure! nhưng với vận tốc bé hơn 120
lan
Các enzim khác nhau arginaza glucooxydaza cũng thuộc loại có tính đạc hiệu
tuyệt đối vì arginaza chỉ xúc tác thủy phân L - arginin tạo thành E - œnitin và ure :
NH,
|
C = NH
|
|
mà không tác dung lên este metvlic eva arginin
10