Ứng dụng trong sản xuất cà phê(1)

Điều này có thể được giải thích bởi sự xuất hiện của polypeptide nhỏ, như các sản phẩm suy thoái, cũng như bởi sự tổng hợp của vì các tác giả này trình bày dữ liệu về trọng lượng tươi củ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP.HCM

Võ Bích Hạnh _2022160027 Đinh Thị Thu Hiền _2022160030 Nguyễn Thị Minh Hiền _2005170053 Trương Lê Tấn Hiệp_ 2005170054

TP.HCM, 9/2018

1

Contents

I Giới thiệu tổng quan về cà phê 3

II Tổng quan nghiên cứu và ứng dụng protein và amino acid vào sản xuất cà phê 3

III QUÁ TRÌNH SINH TỔNG HỢP PROTEIN 9

1 SINH TỔNG HỢP PROTEIN: 9

2 CÁC YẾU TỐ THAM GIA QUÁ TRÌNH SINH TỔNG HỢP PROTEIN: 9

2.1 ARNm và mã di truyền: 9

2.2 ARN vận chuyển và sự đọc mã : 11

2.3 Ribosom và ARN ribosom: 12

2.4 Các enzyme quan trọng xúc tác cho quá trình dịch mã: 13

2.5 Các yếu tố mở đầu, kéo dài, kết thúc: 13

2.6 Năng lượng và các cation cần thiết cho quá trình dịch mã: 13

2.7 Nguyên liệu để tổng hợp protein 13

3 Các giai đoạn của quá trình dịch mã 14

3.1 Giai đoạn khởi đầu : 14

3.2 Giai đoạn kéo dài chuỗi polypeptit: 15

3.3 Giai đoạn kết thúc : 16

4 Các chất ức chế quá trình dịch mã 18

5 Sự điều hòa quá trình sinh tổng hợp Protein: 18

5.1 Ý nghĩa: 18

2

5.2 Các loại gen tham gia vào cơ chế: 18

IV Ứng dụng của quá trình sinh tổng hợp protein, acid amin 18

1 Sản phẩm từ tổng hợp protein / acid amin 19

1.1 Y học 19

1.2 Nông nghiệp 19

2 Hiệu quả kinh tế của ứng dụng 21

2.1 Y học 21

2.2 Nông nghiệp 21

3

I Giới thiệu tổng quan về cà phê

Cà phê đã xuất hiện từ rất lâu trên thế giới, mặc dù nguồn gốc thực sự của nó vẫn chưa rõ ràng Người Oromo, tổ tiên của những người Ethiopia ngày nay được tin rằng là những người đầu tiên khám phá ra tác dụng tích cực của cà phê Câu chuyện vào năm

850 của Kaldi, một người chăn dê Ethiopia, nhận thấy những con dê của mình trở nên phấn khích sau khi ăn một loại hạt, là sự phát hiện tình cờ ra cà phê Người ta đã biết ngâm cà phê trong nước nóng để uống giúp chống lại được cơn buồn ngủ vào ban đêm

Cà phê chỉ được thưởng thức như một văn hóa thức uống vào thế kỷ 15, khi những những người Arab đã biết rang, nghiền cà phê rồi pha trong nước nóng Đến thế kỷ 16, cà phê lan đến Trung Đông, Ba Tư, Bắc Phi, rồi sang Ý, châu Âu và châu Mỹ, trở thành một loại thức uống phổ biến trên toàn thế giới như ngày nay

Cà phê hòa tan sử dụng ngay được nghiên cứu từ những năm 1901 bởi Satori Kato, một nhà khoa học Nhật Bản Một ưu điểm của nó chính lạ sự nhanh chóng trong quá trình chuẩn bị Cà phê hòa tan cũng có thể được chuẩn bị với một ít đá để uống lạnh, phù hợp với vùng khí hậu ấm và nóng Sản phẩm cà phê hòa tan đầu tiên được thương mại hóa vào năm 1938 với thương hiệu Nescafe của tập đoàn Nestlé Nestlé ngày nay đã trở thành một trong những tập đoàn thực phẩm hàng đầu thế giới, nổi tiếng với các sản phẩm: trà hòa tan, cà phê hòa tan, bột dinh dưỡng, bột nêm và nước chấm…

Cà phê đóng lon là một sáng tạo của người Nhật Bản Công ty cà phê UCC Ueshima nổi tiếng ở Nhật Bản giới thiệu sản phẩm cà phê sữa đóng lon đầu tiên vào năm 1969 Cho đến khi có sự xuất hiện của cà phê đóng lon, người thưởng thức cà phê không có nhiều lựa chọn để uống cà phê khi đi ra ngoài, hoặc khi đứng đợi tàu… Ông Ueshima, một trong những người sáng lập của UCC, đã có suy nghĩ tạo ra một sản phẩm cà phê có thể uống bất cứ lúc nào, bất cứ ở đâu [1]

II Tổng quan nghiên cứu và ứng dụng protein và amino acid vào sản xuất cà phê

Protein cấu thành dự trữ nitơ lớn trong hạt cà phê, chiếm khoảng 60% tổng nitơ (Clifford, 1985) Đối với các hợp chất đạm khác, chẳng hạn như caffeine, tầm quan trọng của nó như là một phân tử chứa nitơ trong cà phê (Baumann và Gabriel, 1984; Suzuki và Waller, 1986; Mazzafera, 1990)

protein của hạt cà phê cho thấy hai loại chính đã từng xuất hiện của các nhà khoa học khác (Bade và Stegemann, 1982; Luthe, 1992; Ludwig et al, 1995; Acuña et al, 1999) Trong quá trình nảy mầm đã xảy ra sự thủy phân Tuy nhiên, tổng hàm lượng protein, như được chỉ ra bởi dự toán đo màu không cho thấy sự thay đổi đáng kể Điều này có thể được giải thích bởi sự xuất hiện của polypeptide nhỏ, như các sản phẩm suy thoái, cũng như bởi sự tổng hợp của vì các tác giả này trình bày dữ liệu về trọng lượng tươi của mỗi hạt giống, chúng không thể so sánh được với số liệu được trình bày ở đây

4

Điều tương tự cũng được quan sát đối với các axit amin tự do (Clifford, 1985; Arnold and Ludwig, 1995) , Tùy thuộc vào nguồn gốc hạt giống, hàm lượng lysine có thể thay đổi rất lớn (Arnold và Ludwig, 1996)

Protein lưu trữ hạt rất giàu asparagine và glutamine, có tỷ lệ cao hơn của nitơ trong phân

tử (Payne, 1986) Thật không may, axit thủy phân được sử dụng để xác định thành phần amino acid của protein của hạt cà phê đã không cho phép sự khác biệt giữa các axit amin

và các hình thức có tính axit của nó, kể từ glutamin được chuyển thành glutamate Các thành phần của protein tổng số hạt giống cho thấy ưu thế của glutamate, đại diện cho 16% của các axit amin Giả sử rằng hầu hết các glutamate phát hiện được trong thực tế glutamin, một Mặc dù vậy, thật thú vị khi quan sát rằng asparagine là axit amin tự do chính trong Asparagine và glutamine là các axit amin chính được vận chuyển trong co cây ffee (Mazzafera và Gonçalves, 1999), khi chắc chắn là glutamin được tạo ra bởi quá trình thủy phân protein lưu trữ được một trong hai translocated cây con hoặc chuyển đổi sang asparagin, bằng hình thức chuyển nitơ để aspartate Khả năng khác là các axit amin được sử dụng cho quá trình tổng hợp các protein mới

Khi nảy mầm, lá mầm non, bên trong hạt giống, chiếm không gian được giải phóng bởi phần bên trong của nội nhũ như dự trữ được thủy phân từ trong hạt khả thi có một số liên lạc chặt chẽ giữa các tế bào nội nhũ và phôi (Dentan và Illy, 1985; Begnami, 1998).,

đó là mong rằng các chất dinh dưỡng di chuyển từ một đến khác Dưới những điều kiện nảy mầm tối ưu, lá cotyledonary mở rộng ra khỏi nội nhũ sau 7-9 tuần, khi dự trữ nội nhũ được gần như hoàn toàn kiệt sức Ở giai đoạn này, những chiếc lá cotyledonary được phát triển gần như hoàn toàn về kích thước, chỉ ra rằng tốc độ tăng trưởng của họ bên trong của hạt giống được hỗ trợ bởi dự trữ nội nhũ Phát hành lá mầm có màu xanh lá cây

và trở thành một nguồn dinh dưỡng cho lá phát triển

Trong hạt đậu, có lá mầm là mô lưu trữ chính, sau quá trình thủy phân protein, nó được quan sát thấy sự gia tăng trong những nội dung axit amin, mà lần lượt được vận chuyển đến các cây con phát triển ở nhiều loài nội nhũ phát triển nhanh chóng trong giai đoạn đầu của sự hình thành hạt giống, trở thành lão hóa trước hạn, vì nó được sử dụng như nguồn thức ăn trong quá trình phát triển hạt giống (Payne, 1986) trong ngũ cốc, cũng như trong cà phê, nội nhũ tiếp tục phát triển và trở thành các mô dự trữ chủ yếu của hạt giống Tuy nhiên, khác nhau của cà phê, trong ngũ cốc dự trữ nội nhũ được thủy phân rất nhanh trong nảy mầm để đảm bảo việc thành lập cây con

Tùy thuộc vào loài cây phôi là không cần thiết cho sự phân hủy protein từ một số nghiên cứu cho thấy hoạt động phân giải protein trong hạt nội nhũ cắt (Harvey và Oaks, 1974; Adams và Novellie, 1975) Điều này cho thấy rằng proteinases tổng hợp trong sự trưởng thành hạt giống được lưu trữ và trở thành hoạt động trên nảy mầm Trong một số trường hợp, kích hoạt sau sự xuống cấp của proteinase

5

Methylxanthosine synthase : Bước methyl hóa đầu tiên trong con đường tổng hợp sinh học của caffeine là sự chuyển hóa xanthosine đến 7-methylxanthosine này được xúc tác bởi một N-methyltransferase, 7-methylxanthosine synthase (SAM: xanthosine N-

7-6

methyltransferase) Trong lá cà phê chiết xuất, 7-methylxanthosine synthase trưng bày bề mặt đặc hiệu cao cho xanthosine như người chấp nhận methyl và SAM là methyl (Roberts và Waller, 1979) synthase 7-methylxanthine là cực kỳ không ổn định trong chiết xuất Tuy nhiên, 10 mM dithiothreitol và 20% ethylene glycol (hoặc glycerol) ổn định hoạt động (Gilles et al 1995) Mosli Waldahauser et al (1997) đã tịnh hóa 7-methyl-XMP / 7-methylxanthine synthase từ lá cà phê, sử dụng sunfat kết tủa ammonium, anion trao đổi (Q- Sepharose) sắc ký, chromatofocusing (Mono-P), và sắc ký lọc gel (Superdex 200) Thanh lọc rất khó ngay cả với sự ổn định của enzyme nói trên, do

đó các hoạt động cụ thể của enzyme trong việc chuẩn bị cuối cùng là thấp (19 pkat mỗi

mg protein) và tinh chế là chỉ có 9 lần Các enzyme tinh khiết đã có thể chuyển đổi xanthosine đến 7-methylxanthosine Các tác giả cũng đề cập đến các enzyme chuyển đổi XMP đến 7-methylxanthosine qua 7-methylXMP Trong thực tế, chuẩn bị enzym của họ cho thấy hoạt động nucleosidase do đó, có thể là XMP đã được chuyển đổi sang xanthosine và sử dụng như chất nền ; Tuy nhiên, các tác giả tin rằng XMP là bề mặt thực

tế, và rằng 7-methylXMP được chuyển đổi sang 7 -methylxanthosine Họ đề cập trong văn bản mà một lượng nhỏ 7-methylXMP đã được phát hiện

Gần đây, các gen mã hóa 7-methylxanthosine synthase được nhân bản bởi hai nhóm Nhật Bản (Mizuno et al, 2003 ; Uefuji et al, 2003) Các gen được phân lập lần lượt là CmXRS1 (AB 034.699) và CaXMT1 (AB048793)

Các protein tái tổ hợp của 7-methylxanthosine synthase từ cả hai nhóm xúc tác chuyển đổi xanthosine đến 7-methylxanthosine, nhưng XMP không được sử dụng như một chất nền Mặc dù sự hiện diện của các gen khác mà mã hóa 7-methyl-XMP synthase không thể bị loại trừ, hiện tại bằng chứng ủng hộ giả thuyết rằng caffeine sinh tổng hợp là bắt đầu với xanthosine

7-methylxanthine nucleosidase : N-Methylnucleosidase, mà xúc tác quá trình thủy phân của 7-methylxanthosine để cung cấp cho 7-methylxanthine, đã được tinh chế từ lá trà ( Negishi et al, 1988) Tuy nhiên, cách ly của enzyme có nguồn gốc cũng như mã hóa RNA enzyme này chưa được báo cáo trong cây cà phê

Theobromine synthase và caffeine synthase: ( Kato et al, 1999) Nhị chức synthase caffeine, mà xúc tác cả việc chuyển đổi 7-methylxanthine để theobromine và theobromine để caffeine, lần đầu tiên được tinh chế từ trà lá lên đến tính đồng nhất rõ ràng enzyme này là monomeric, với một khối lượng phân tử rõ ràng của 41 kDa, và hiển thị một pH tối ưu mạnh pH 8.5 tổng chiều dài của cDNA cô lập, gọi là TCS1 (AB031280), là 1.438 bp và mã hóa một protein của 369 axit amin (Kato et al., 2000) Trong cà phê, nhị chức caffeine synthase đã được tịnh hóa một phần từ các loại trái cây

và lá bởi Mazzafera et al (1994) chuẩn bị enzym này sở hữu thứ hai và hoạt động methyltransferase thứ ba

Caffeine sinh tổng hợp trong cà phê lá : Caffeine được tổng hợp ở lá non của Coffea arabica, nhưng hoạt động sinh tổng hợp từ adenine vắng mặt trong lá phát triển đầy đủ (Fujimori và Ashihara, 1994) Người ta đã đề xuất rằng sự tổng hợp của cafein trong chồi

và lá của cây cà phê là để ngăn chặn ăn thịt động vật (Frischknecht et al., 1986) Ashihara

et al (1996) báo cáo rằng caffeine sinh tổng hợp từ adenine và guanine chỉ thấy ở lá non, nhưng chuyển đổi của theobromine và caffeine đã được tìm thấy trong trưởng thành và

do đó tuổi caffeine hoạt động synthase cà phê lá dường như có mặt trong cà phê lá ngay

cả sau khi trưởng thành Điều này khác với lá chè, trong đó hoạt động caffeine synthase biến mất sau khi phát triển đầy đủ của lá (Fujimori et al., 1991)

Caffeine sinh tổng hợp trong các loại trái cây cà phê : sinh tổng hợp của caffeine có thể được ước tính từ sự kết hợp của [metyl-14C] methionin Nó xảy ra chủ yếu Dur

8

Công nghệ sinh học của caffeine: Về mặt kinh tế, cà phê là một trong những sản phẩm nông nghiệp có giá trị nhất xuất khẩu của các nước đang phát triển ở Trung và Nam Mỹ, Đông Nam Á và châu Phi Đậu của Arabica và Robusta cà phê tương ứng chứa ca 1% và 2% caffeine Kể từ đầu những năm 1970, nhu cầu về cà phê khử chất cafein đã tăng lên nhanh chóng Đây là vì một niềm tin ngày càng tăng rằng ăn phải một lượng lớn caffeine

có tác động tiêu cực đối với sức khỏe Điều này đã dẫn đến cuộc tranh luận rộng rãi trong các tài liệu y tế, mặc dù không có kết luận rõ ràng đã rút ra (Ashihara và Crozier, 2001) Việc sử dụng kỹ thuật di truyền để tạo ra biến đổi gen cà phê cafein thiếu đã được nghiên cứu các gen mã hóa N-methyltransferases đã được nhân bản vô tính Sự phát triển này làm cho nó có thể bằng kỹ thuật di truyền để tạo ra cây cà phê biến đổi gen mà là một cách tự nhiên Việc sử dụng các sản phẩm như vậy để tạo ra các loại đồ uống không chứa caffein có hương vị đầy đủ sẽ được quan tâm hát số người tiêu dùng đang lo ngại về những ảnh hưởng tiêu cực của tiêu thụ caffeine, chẳng hạn như mất ngủ Các nhân bản của gen liên quan đến caffeine sinh tổng hợp (gen N-methyltransferase) là một bước tiến quan trọng hướng tới việc sản xuất biến đổi gen cà phê cafein thiếu thông qua bất hoạt gen với công nghệ RNA can thiệp Gần đây, sử dụng trình tự nucleotide của gen mã hóa N-methyltransferases cho cafein sinh tổng hợp, cây vối Coffea caffeine thiếu biến đổi gen

đã được tạo ra

Việc chuẩn bị một caffeine thấp trà chất lượng tốt sử dụng bất hoạt gene của các gen khác đã cố gắng Keya et al (2003) cho rằng ức chế biểu hiện gen dehydrogenase IMP là một cách thay thế để sản xuất cây chè và cà phê biến đổi gen khử chất cafein It is currently tin rằng amino axit trà cụ thể, theanine, tạo ra một đóng góp lớn cho vị umami,

đó là khá rõ rệt từ bốn vị cơ bản (Koshiishi et al., 2001) IMP cũng có thể tham gia, vì gia

vị nucleotide được biết để tương tác hiệp đồng Kaya và các cộng sự đã chỉ ra rằng sự tổng hợp caffeine nên được giảm thiểu và miễn phí nucleotide purine, bao gồm IMP, sẽ tích lũy nếu hoạt động IMPDH bị chặn cây chè chuyển gen với các hoạt động IMPDH giảm do đó cung cấp các intrigui ng khách hàng tiềm năng của đồ uống có hàm lượng caffeine thấp cùng với chất lượng hương vị được cải thiện

Sinh tổng hợp alkaloid pyridin: Tiền thân trực tiếp của trigonelline là axit nicotinic (Joshi

và Handler, 1960) Ở thực vật, axit nicotinic được sản xuất như một sản phẩm thoái hóa của NAD (Wagner và Backer, 1992; Zheng và Ashihara, 2004) Zheng và Ashihara (2004) đã thông báo rằng trigonelline và tổng hợp trao đổi chất của nó từ axit nicotinic được phân phối trong tất cả các bộ phận của cây cà phê Các de novo và cứu hộ con đường tổng hợp NAD đã được nghiên cứu trong một số thực vật Ở vi khuẩn và thực vật, axit quinolinic, một chất trung gian của quá trình de novo, được tổng hợp từ aspartate và phosphat triose qua con đường aspartate cái gọi là (Yang và Waller, 1965; Katoh và Hashimoto, 2004) Ngược lại, axit quinolinic được hình thành trong động vật bằng một con đường Tryptophane-kynurenine một tìm kiếm tin sinh học gần đây của cơ sở dữ liệu gen cho thấy rằng con đường Tryptophane-kynurenine hiện diện trong sativa Oryza (Katoh và Hashimoto, 2004) Không có cơ sở dữ liệu gen Liên quan đến sự trao đổi chất

9

pyridin nucleotide đã được xuất bản trong Nicotinamide cà phê và acid nicotinic hình thành bởi các con đường suy thoái NAD được tái sử dụng (vớt) để tổng hợp NAD (Wagner et al, 1986 ; Ashihara et al, 2005; Zheng et al, 2005) Có một số chu kỳ riêng biệt trong các sinh vật khác nhau.[4]

III QUÁ TRÌNH SINH TỔNG HỢP PROTEIN

1 SINH TỔNG HỢP PROTEIN:

Sinh tổng hợp protein là trung tâm của mọi quá trình trao đổi chất, nó quyết định toàn bộ quá trình sinh trưởng, phát triển của cô thể Các quá trình trao đổi khác như quá trình trao đổi axit nuclêic (AND, ARN) , trao đổi gluxit, lipit, trao đổi khoáng… đều phục vụ cho quá trình trao đổi protein

Về tổng thể, quá trình tổng hợp protêin là quá trình dịch mã di truyền trên khuôn mẫu ARNm, gồm 3 giai đoạn: khởi động, kéo dài, kết thúc với sự tham gia của nhiều yếu tố và

các enzym khác nhau

2 CÁC YẾU TỐ THAM GIA QUÁ TRÌNH SINH TỔNG HỢP PROTEIN:

2.1 ARN m và mã di truyền:

ARN thông tin:

ARNm thuộc loại đơn phân tử được hình thành do sự sao chép theo nguyên tắc bổ sung các bazơ nitơ với 1 sợi AND, khi có mặt enzym ARN- polymeraza Chúng có thành phần nuclêotic rất khác nhau, dao động từ vài chúc đến vài trăm, tới vài nghìn mononucleotit Khối lượng phân tử khoảng 3.105 – 4.106, với độ dài khoảng 5.104 – 50.104 A0 ARNm có đời sống rất ngắn, khoảng 2 – 3 phút ở tế bào prokaryot, khoảng 2 – 4 giờ ở tế bào

eukaryot

ARNm của tế bào prokaryot không được sao chép dưới dạng một chuỗi polynucleotit cùng kích thích với ADN mà dưới dạng nhiều phân tử ARNm với kích thích khác nhau; tại đây mỗi phân tử ARNm mã hoá cho nhiều chuỗi polypeptit, gọi là ARNm

polycistronic Ngược lại ở eukaryot, mỗi phân tử protein được mã hoá bởi một ARNm đặc hiệu, tương ứng với một gen cấu trúc, gọi là ARNm monocistronic Vì thế cũng có 2 kiểu sao chép ADN tương ứng và phân tử ARNm rất đa dạng, tương ứng với sữ đa dạng của protein

Mã di truyền:

Mỗi phân tử ARNm mang thong tin di truyền xác định trình tự của chuổi polypeptit được tổng hợp Thông tin này được sao chép từ ADN sang ARNm trong quá

trình phiên mã

10

AND và ARN được cấu tạo từ 4 loại nuclêotit, trong khi phân tử protein được hình thành từ 20 axit amin khác nhau Như vậy, thong tin di truyền mã hoá trong AND và ARN dưới dạng tổ hợp của 4 loại nucleotit cần được giải mã thành 20 loại aa cấu tạo nên protein Vì thế, tối thiểu phải sử dụng 3 nucleotit để mã hoá cho một aa và số lượng sẽ là

C

A

G

11

Một số đặc điểm của mã di truyền:

Mã di truyền có tính thoái hoá và các thay đổi xảy ra ở chữ thứ 3 , nghĩa là 1 aa được mã

hoá bởi nhiều codon khác nhau

Trên ARNm có hang loạt các codon lien tiếp nhau Nếu có một bazơ được xen vào hoặc mất đi làm cho sự lien tục bị ngắt quãng và trình tự sắp xếp của aa trên chuỗi polynucletit

sẽ bị sai lệch

Việc thay thế các bazơ sẽ gây đột biến có thể là trung tính hay bảo thủ

2.2 ARN vận chuyển và sự đọc mã :

ARNt là phận tử tương đối nhỏ, bao gồm khoảng 75 – 90 mononucleotit, khối lượng phân

tử bằng 23.000 – 30.000, hằng số sa lắng khoảng 4S, làm nhiệm vụ vận chuyển aa đến riboxom Trong ARNt có chứa khoảng 8 – 10% các bazơ hiếm, chính điều này tạo nên cấu trúc chác bacủa ARNt - một cấu trúc có tới 60 – 70% cuộn xoắn và đã tạo thành 3 vòng lớn, một chút nhỏ Trên một vòng lớn có chứa bộ ba đối mã (anticodon), anticodon trên ARNt sẽ nhận biết codon trên ARNm nhờ quy tắc mã - đối mã, được cặp đôi theo

chiều đối xong

Mô hình cấu trúc của phân tử tARN

Mỗi một ARNt sẽ vận chuyển 1 aa nhất định Số lượng các ARNt biến động theo loài:

30-40 ở prokaryot và 50-60 ở eukeryot nhưng đều có cấu trúc gần giống nhau Đáng chú ý là

1 ARNt có thể kết hợp với hai codon khác nhau cùng mã hoá cho 1 aa