báo cáo tiểu luận các phương pháp tổng hợp hữu cơ hiện đại chương 6 xúc tác sinh học

Tính đ\c hiệu của enzyme do cấu trúc của trung tâm hoạt đNng quyết định.Có những enzyme có tính đ\c hiệu tuyệt đối:MNt enzyme chỉ xúc tác cho mNt cơ chất nhất định.Ví dụ: Urease chỉ thủy

TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÔN ĐỨC THẮNG

KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG

-BÁO CÁO TIỂU LUẬN

MÔN HỌC CÁC PHƯƠNG PHÁP TỔNG HỢP HỮU CƠ HIỆN ĐẠI

Mã môn học: 606027

Giảng viên hướng dẫn: Thầy Tôn Thất Quang

Đề tài thực hiện

CHƯƠNG 6: XÚC TÁC SINH HỌC

TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG 02 NĂM 2023

DANH SÁCH THÀNH VIÊN

Họ và tên MSSV Ghi chú

MỤC LỤC

1 ĐẠI CƯƠNG 2

1.1 Khái niệm 2

1.2 Đặc điểm chung của enzyme 2

2 CẤU TẠO 4

3 DANH PHÁP 5

4 CƠ CHẾ HOẠT ĐỘNG CỦA ENZYME 8

4.1 Cơ chế hoạt động của enzyme bao gồm ba bước chính 8

4.2 Cơ chế xúc tác tổng quát của enzyme 8

5 TÍNH CHẤT CỦA ENZYME 10

6 ỨNG DỤNG CỦA ENZYME 11

6.1 Trong đời sống 11

2.2 Trong sản xuất 12

1 ĐẠI CƯƠNG

1.1 Khái niệm

Xúc tác có nguồn gốc từ sinh vật hay còn được gọi là enzyme và có bản chất là protein và do tất cả tế báo sản xuất ra

Enzyme (còn được gọi thông thưHng là men) là tên gọi chung cho các chất xúc tác sinh học có thành phần cơ bản là protein, được tạo thành từ các tế bào sinh vật Trong cơ thM con ngưHi, đNng vật và cả thực vật, hay bất cO nơi nào tồn tại sự sống thP đều tồn tại enzyme Enzyme tham gia vào tất cả các hoạt đNng thiết yếu đM duy trP sự sống như tổng hợp, phân giải, vận chuyMn chất, đào thải đNc, cung cấp năng lượng…

Cơ thM ngưHi có thM tạo ra hai loại enzyme chính là loại enzyme tiêu hóa và enzyme chuyMn hóa Các loại enzyme tiêu hóa hóa được tiết

ra trong tuyến nước bọt, dạ dày, tuyến tụy và ruNt non giúp cơ thM tiêu hóa thực phẩm Trong khi đó, các loại enzyme chuyMn hóa lại được sản sinh trong các tế bào, giúp cơ thM tổng hợp năng lượng và

sử dụng năng lượng Những năng lượng này có vai trò đ\c biệt quan trọng, là yếu tố giúp con ngưHi có khả năng hít th^, suy ngh_, di chuyMn…

Enzyme xúc tác cho các phản Ong sinh học (sinh chuyMn hóa)

1.2 Đặc điểm chung của enzyme

1.2.1 Enzyme có tính đặc hiệu rất cao và hiệu lực xúc tác rất lớn

Mỗi enzyme đều có có tác dụng chọn lọc đối với mỗi cơ chất ho\c mNt loại cơ chất và với mNt phản Ong nhất định Tính chất xúc tác chọn lọc này được gọi là đ\c hiệu của enzyme

Tính đ\c hiệu của enzyme do cấu trúc của trung tâm hoạt đNng quyết định

Có những enzyme có tính đ\c hiệu tuyệt đối:

MNt enzyme chỉ xúc tác cho mNt cơ chất nhất định

Ví dụ: Urease chỉ thủy phân urê

Arginase chỉ thủy phân arginin

Có nhiều enzyme có tính đ\c hiệu tương đối:

MNt enzyme có thM tác dụng cả 1 nhóm cơ chất có cấu trúc gần giống nhau

Ví dụ : Glucozidase xúc tác thủy phân cả mNt nhóm cơ chất glucozid

có liên kết ozid

Esterase có thM tác dụng vào liên kết este của các acid béo với ethanol

Có enzyme có tính đ\c hiệu không gian rất ch\t chẽ:

Ví dụ: L-a.a oxydase chỉ xúc tác quá trPnh khử amin oxy hóa a.a dãy

L, không tác dụng trên a.a dãy D

Có enzyme có tính đ\c hiệu kép:

Enzyme có tác dụng đ\c hiệu với cả 2 cơ chất có cấu trúc hoàn toàn khác nhau

Ví dụ: Aminoacid-ARNt synthetase đ\c hiệu với cả a.a và cả ARNt 1.2.1 Enzyme làm giảm năng lượng hoạt hóa nhiều hơn so với chất

xúc tác thông thường khác

Cần 18 Kcal/mol nếu không có chất xúc tác

Cần 11,7 Kcal/mol nếu có m\t của Pt

Cần 2 Kcal/mol khi có m\t của catalase

1.2.3 Những phản ứng enzyme thường xảy ra với tốc độ nhanh ở

nhiệt độ sinh lý bình thường của cơ thể

1.2.4 Enzyme có bản chất là protein đặc hiệu do tế bào sống tổng

chi phối, điều khiển của tế bào và của cơ thể

Hoạt tính của enzyme chịu ảnh hư^ng của nhiều yếu tố như: nhiệt

đN, ánh sáng, Ph môi trưHng,

2 CẤU TẠO

Enzyme là những protein có phân tử lượng từ 20.000 đến 1.000.000 dalton (có kích thước nhỏ nhất là Ribonuclease 12.700 dalton) Enzyme được cấu tạo từ các L – α – axitamin kết hợp với nhau b^i liên kết peptit Dưới tác dụng của các peptithydrolase, axit ho\c kiềm các enzyme bị thủy phân hoàn toàn tạo thành các L – α – axitamin Trong nhiều truHng hợp ngoài axit amin còn thu được những thành phần khác, ngưHi ta chia thành hai nhóm:

Nhóm enzyme đơn cấu tử (enzym đơn giản): enzyme chỉ được cấu tạo mNt thành phần hóa học duy nhất là protein

Nhóm enzyme đa cấu tử (enzym phOc tạp): enzyme có hai thành phần:

Phần protein được gọi là feron hay apoenzyme Apoenzyme thưHng quyết định tính đ\c hiệu cao của enzyme và làm tăng hoạt tính xúc tác của coenzyme

Phần không phải protein gọi là nhóm ngoại “agon”: như ion kim loại, vitamin, glutation dạng khử, nucleotide và dẫn xuất este phosphat của monosacaride,… TrưHng hợp khi nhóm ngoại tách khỏi phần

“apoenzyme” (khi cho thẩm tích qua màng bán thấm) và có thM tồn tại đNc lập thP những agon đó còn có tên riêng là coenzyme Phần agon quyết định kiMu phản Ong mà enzyme xúc tác, trực tiếp tham gia trong phản Ong và làm tăng đN bền của apoenzyme đối với các yếu tố gây biến tính

Cấu trúc bậc 4 của enzyme

Trong nhiều trưHng hợp, các chuỗi polypeptide có cấu trúc bậc ba có thM kết hợp với nhau tạo thành phân tử enzyme có cấu trúc bậc bốn Như vậy cấu trúc bậc bốn là cách sắp xếp đ\c trưng trong không

gian của các chuỗi polypeptide riêng biệt trong phân tử enzyme Đến nay ngưHi ta đã xác định rằng số lớn các enzyme trong tế bào đều có cấu trúc bậc bốn

So với các enzyme monomer, các enzyme có cấu trúc bậc bốn có những điMm sai khác sau đây:

Có trọng lượng phân tử tương đối lớn, vào khoảng hơn 100.000 Phân tử thưHng chOa mNt vài trung tâm hoạt đNng, có khi có đến 3,4 trung tâm hoạt đNng

Khả năng tương tác của mNt trung tâm hoạt đNng với cơ chất sẽ phụ thuNc vào trạng thái chOc năng của các trung tâm hoạt đNng khác

3 DANH PHÁP

Tên gọi của enzyme là tên gọi của cơ chất hay của kiMu phản Ong

mà nó xúc tác cNng với đuôi “ase”, ví dụ urease, hydrolase,… kiMu gọi tên này còn thiếu chính xác ĐM khắc phục tPnh trạng đó, HNi Hóa sinh học quốc tế đã đề nghị sử dụng mNt hệ thống danh pháp và phân loại trên cơ s^ bản chất của phản Ong được xúc tác Theo hệ thống này, toàn bN enzyme được gọi tên theo bản chất của phản Ong được xúc tác và bản chất của các chất cho, chất nhận trong phản Ong và được chia thành 6 nhóm chính

Oxidase: oxi nhận e

Reductase: đưa H và điện tử vào cơ chất

Oxygenase (hydroxylase): gắn oxi vào cơ chất

Transfersase (Vận chuyển): A-X + B A + B-X

-Transcetolase (transaldolase): chuyMn đơn vị 2C hay 3C vào cơ chất Acyl-, methyl-, glucosyl-transferase, phosphorylase

Kinase: chuyMn gốc P từ ATP vào cơ chất

Thiolase: chuyMn nhóm CoA-SH vào cơ chất

Polymerase

Esterase: thủy phân liên kết este

Glucosidase: thủy phân liên kết glycoside

Protease: thủy phân liên kết peptid

Phosphatase: thủy phân este photphat, tách gốc P

Phospholipase: thủy phân este photphat trong photpho lipid

Amidase: thủy phân liên kết N-osid

Desaminase: thủy phân C-N, tách nhóm amin

Nuclease: thủy phân este photphat trong RNA, DNA

Aldolase: tách mNt nhóm -CHO ra khỏi cơ chất

Lyase: tách phân tử không có nước tham gia

Hydratase: gắn vào cơ chất mNt phân tử nước

Dehydratase: tách 1 nước ra cơ chất

Synthase: gắn 2 cơ chất không cần ATP

Isomerase (Đồng phân)

Racemase: đồng phần D-L

Epimerase: 2 chất khác nhau ^ 1C

Isomerase: đồng phân ceton andehit

Mutase: chuyMn nhóm hóa học giữa các nguyên tử trong mNt phân tử

Ligase (Kết gắn phân tử)

Synthetase: gắn 2 cơ chất nhH ATP

Ligase: gắn 2 đoạn DNA

Mỗi nhóm, phân nhóm được ký hiệu bằng mNt mã số đ\c trưng gồm

4 số cách nhau bằng các dấu chấm

Ví dụ: ATP + D-Glucose ADP + D-Glucose-6-phosphate

Tên hệ thống của enzyme là ATP:glucose phosphotranferase Tên gọi này cho thấy enzyme xúc tác sử vận chuyMn nhóm phosphate từ ATP đến glucose Mã số của enzyme là 2.7.1.1

Số 2 cho biết enzyme thuNc nhóm 2

Số 7 cho biết enzyme thuNc phân nhóm phosphotranferase

Số 1 cho biết chất nhận là nhóm -OH

Số 1 cuối cùng cho biết số thO tự của enzyme

4 CƠ CHẾ HOẠT ĐỘNG CỦA ENZYME

4.1 Cơ chế hoạt động của enzyme bao gồm ba bước chính

Cơ chất (Substrate) liên kết với enzyme (Enzyme) đM hPnh thành phOc hệ enzyme - cơ chất (E - S complex)

Enzyme xúc tác phản Ong biến đổi cơ chất thành sản phẩm

(Product), tạo thành phOc hệ E-P

Sản phẩm P được giải phóng enzyme E

4.2 Cơ chế xúc tác tổng quát của enzyme

Thông thưHng đM mNt phản Ong xảy ra thP phản Ong đấy cần được cung cấp mNt năng lượng tối thiMu EA nào đó đM đạt trạng thái cực đại về năng lượng (gọi là trạng thái chuyMn tiếp, transition state) Năng lượng EA được gọi là năng lượng hoạt hóa (activation energy) Năng lượng hoạt hóa có ảnh hư^ng tới tốc đN phản Ong Xét phản Ong:

pA + qB → p’C + q’D

Gọi tốc đN v của phản Ong hóa học là tốc đN giảm lượng chất phản Ong theo thHi gian đM tạo ra sản phẩm thP theo phương trPnh trên, ta có:

V = −d [ A ]

dt = k

Ở đây [A], [B] là nồng đN mol/l của chất phản Ong A, B và k là hằng

số tốc đN phản Ong Hằng số k có thM tính theo phương trPnh Arrhenius:

K = A e− Ea

RT

Trong đó: A là tần số va chạm, Ea là năng lượng hoạt hóa (J), R là hằng số khí, T là nhiệt đN tuyệt đối (K) Biến đổi phương trPnh trên, ta được (Thế công thOc) Nên Ea càng lớn thP hằng số k càng nhỏ và tốc

đN v càng nhỏ Do đó, đM làm tăng tốc đN phản Ong thP cơ chế xúc tác chung của enzyme là giảm năng lượng hoạt hóa thông qua nhiều phương pháp khác nhau:

Enzyme hoạt đNng như mNt cái khuôn cho sự định hướng của cơ chất

Enzyme gây tác đNng Ong suất lên cơ chất và làm ổn định trạng thái chuyMn tiếp

Miền hoạt đNng của enzyme cung cấp vi môi trưHng phù hợp cho phản Ong diễn ra

Miền hoạt đNng của enzyme tham gia trực tiếp trong phản Ong xúc tác Tuy nhiên, sau khi phản Ong kết thúc thP miền này được biến đổi như ban đầu đM tham gia nhiều phản Ong xúc tác phía sau

Cũng như các chất xúc tác khác, enzyme không bị phản Ong tiêu thụ ho\c thay đổi (như mNt cơ chất) mà được tái chế đM như mNt enzyme duy nhất thực hiện nhiều vòng xúc tác

Enzyme thưHng có tính đ\c hiệu cao và chỉ hoạt đNng trên mNt số cơ chất (chất phản Ong) nhất định MNt số enzyme có tính đ\c hiệu tuyệt đối ngh_a là chúng chỉ hoạt đNng trên mNt cơ chất

Trong khi những enzyme khác thM hiện tính đ\c hiệu của nhóm và

có thM hoạt đNng trên các nhóm hóa học tương tự không giống nhau, chẳng hạn như liên kết peptit trong các phân tử khác nhau Nhiều enzyme có tính đ\c hiệu lập thM và hoạt đNng trên mNt đồng phân lập thM này nhưng không tác đNng lên đồng phân lập thM khác

5 TÍNH CHẤT CỦA ENZYME

Enzyme có bản chất của mNt protein nên có các thuNc tính lý hóa của protein Các enzyme đa số có dạng hPnh cầu và không đi qua màng bán thấm vP có kích thước lớn

Có thM tan trong nước và các dung môi hữu cơ phân cực, không tan trong các dung môi không phân cực và ete

Dưới tác dụng của nhiệt đN khiến enzyme không bền và bị biến tính khi ^ nhiệt đN cao Môi trưHng acid hay base cũng làm enzyme mất khả năng hoạt đNng Nếu nhiệt đN quá cao, môi trưHng quá axit, môi trưHng quá kiềm thP enzyme sẽ thay đổi hPnh dạng gây khó khăn trong việc liên kết với cơ chất

Enzyme có tính lưỡng tính: tùy vào đN pH của môi trưHng mà nó tồn tại ^ các dạng: cation, anion hay trung hòa điện

Enzyme chia làm hai nhóm: enzyme mNt cấu tử (chỉ chOa protein) và enzyme hai cấu tử (trong phân tử còn có nhóm không phải protein) Trong phân tử enzyme hai cấu tử có hai phần là apoenzym và coenzym

Cũng như các chất xúc tác nói chung, enzyme à mNt chất xúc tác sinh học có đầy đủ tính chất của mNt chất xúc tác thông thưHng làm tăng nhanh tốc đN phản Ong với cưHng đN xúc tác vượt xa so với các chất xúc tác vô cơ Enzyme xúc tác có tốc đN phản Ong thưHng lớn

khác

Enzyme không quyết định chiều hướng của phản Ong => không đóng vai trò là chất tham gia phản Ong trong phương trPnh phản Ong

Trong quá trPnh xúc tác, lượng enzyme không thay đổi, cũng như mọi chất xúc tác khác, enzyme làm giảm năng lượng hoạt hóa cần

thiết của các phản Ong hóa học Nói cách khác năng lượng hoạt hóa phản Ong được giảm đi nhiều khi có sự xúc tác của enzyme

Chất ức chế enzyme:

ĐM đảm bảo các hệ thống hoạt đNng chính xác, đôi khi hoạt đNng của enzyme có thM bị Oc chế theo mNt số cách:

Chất Oc chế cạnh tranh (competitive inhibitors): Ngăn cơ chất gắn với enzyme bằng cách ganh đua với cơ chất đM gắn vào enzyme Chất Oc chế không cạnh tranh non-competitive inhibitors: Gắn vào enzyme nhưng không phải vị trí hoạt đNng nhằm giảm hiệu suất làm việc của enzyme

Chất Oc chế không cạnh tranh uncompetitive inhibitors: Gắn với enzym và cơ chất sau khi chúng đã liên kết với nhau nhằm làm chậm phản Ong, kéo dài thHi gian hPnh thành sản phẩm

Chất Oc chế không đảo ngược (irreversible inhibitors): Gắn và làm bất hoạt v_nh viễn enzyme

6 ỨNG DỤNG CỦA ENZYME

6.1 Trong đời sống

6.1.1 Y dược

Enzyme có mNt vị trí quan trọng trong y học Đ\c biệt là các phương pháp định lượng và định tính enzyme trong hóa học lâm sàng và phòng thí nghiệm chẩn đoán

Ví dụ như phân tích xác định nồng đN cơ chất như glucose, ure, cholesterol… với sự hỗ trợ của enzyme, định lượng ure bằng enzyme urease

Bên cạnh đó, enzyme còn được dùng làm thuốc, chẳng hạn như sử dụng protease làm thuốc tắc nghẽn tim mạch, tiêu mủ vết thương, làm thông đưHng hô hấp, chống viêm, làm thuốc tăng tiêu hóa

protein; sử dụng amylase phối hợp với coenzyme A, cytochrome C, ATP, carboxylase đM chế thuốc điều trị bệnh tim mạch, bệnh thần kinh, phối hợp với enzyme thủy phân đM chữa bệnh thiếu enzyme tiêu hóa

2.1.2 Hóa học

Enzyme được Ong dụng trong hóa học là do enzyme có cảm Ong cao đối với nhiệt đN, pH và những thay đổi khác của môi trưHng MNt trong số những Ong dụng là dùng chế phẩm enzyme làm chất mang đM gắn phOc hợp enzyme xúc tác cho phản Ong nhiều bước trong quy trPnh tổng hợp glutathion, acid béo, alcaloid, sản xuất hormone, …

Cũng như sử dụng trong công nghệ xử lý nước thải, sản xuất alcohol, amino acid, …

Enzyme cũng được sử dụng trong nghiên cOu cấu trúc hóa học như: dùng enzyme protease đM nghiên cOu cấu trúc protein, dùng enzyme endonuclease đM nghiên cOu cấu trúc nucleic acid,… Ngoài

ra, enzyme còn được dùng làm thuốc thử trong hóa phân tích

2.2 Trong sản xuất

2.2.1 Nông nghiệp

Có thM dùng enzyme đM sản xuất thOc ăn cho đNng vật nhằm tăng giá trị dinh dưỡng của thOc ăn thô, tăng hệ số sử dụng thOc ăn Các enzyme được sử dụng với mục đích này thưHng là các enzyme thuỷ phân như amylase, proteinase, đ\c biệt là cellulase, hemicellulase Chúng thủy phân các chất phân tử lớn thành dạng dễ hấp thụ hơn nên thưHng làm tăng hiệu quả sử dụng thOc ăn, tăng khối lượng đàn gia súc Điều này có ý ngh_a đ\c biệt quan trọng khi chuẩn bị thOc

ăn cho các loài đNng vật còn non như bê con, lợn con, vP hệ thống

tiêu hóa của chúng còn chưa thật thích hợp với việc ăn loại thOc ăn thô

Trong trồng trọt, các loại chế phẩm enzyme khác nhau như

cellulase, hemicellulase, protease và amylase được sử dụng đM chuyMn hóa các phế liệu, đ\c biệt là các phế liệu nông nghiệp cải tạo đất phục vụ nông nghiệp Việc sử dụng enzyme vi sinh vật trong sản xuất phân hữu cơ đang được khai thác đM thay thế cho phân bón hóa học

2.2.2 Công nghiệp thực phẩm

Enzyme được sử dụng rất rNng rãi trong công nghiệp thực phẩm góp phần tạo nên sự đa dạng, phong phú và nâng cao chất lượng sản phẩm thực phẩm

Enzyme protease được sử dụng trong công nghiệp chế biến thịt với mục đích làm mềm thịt, tạo thOc ăn dễ tiêu hóa, tạo ra các loại dịch thủy phân giàu protein

Enzyme renin và pepsin được khai thác tính đông tụ sử dụng trong sản xuất phomat

Trong sản xuất nước quả từ các nguyên liệu quả nghiền, nhH enzyme pectinase mà nước quả trong suốt, dễ lọc, hiệu suất tăng Enzyme cellulase giúp làm tăng đN hấp thu, nâng cao phẩm chất về

vị và làm mềm nhiều loại thực phẩm thực vật, điều này giúp tăng chất lượng thực phẩm

Trong mNt số l_nh vực của công nghiệp thực phẩm như sản xuất bánh mP, rượu , bia, … enzyme amylase đã được dùng phổ biến Trong sản xuất bánh mP, chế phẩm amylase đã làm thay đổi hoàn toàn chất lượng của bánh mP cả hương vị, màu sắc, đN xốp,