Tóm tắt bài giảng công nghệ protein enzyme (phần protein)

Lê Thị Trà My (Tami) Phần 1: PROTEIN CẤU TẠO Polymers of amino acids Có 20 loại khác Gồm: • Amino acids với R khơng phân cực: Gly, Ala, Val, Leu, Ile • Amino acids với R phân cực: Ser, Thr, Cys, Met • Amino acids có tính acid amide: Asp, Asn, Glu, Gln • Amino acids có tính base: Arg, Lys, His • Amino acids chứa vòng thơm Proline: Phe, Tyr, Trp, Pro − Phân cấp cấu trúc: • Cấu trúc bậc 1: thành phần trình tự xếp gốc acid amin nhờ liên kết peptide  quan trọng định pro pro • Cấu trúc bậc 2: lk hydro  Right-hand helix: α-helix  Extended: antiparallel β-sheet  Left-hand helix (rare): α-helix • Cấu trúc bậc 3: lk disunfit  quan trọng thứ o Quyết định tính tan o Quyết định hoạt tính sinh học 1) − − − (phá b3  hoạt tính, phá b1  k protein) • Cấu trúc bậc 2) PHÂN LOẠI protein đơn giản: đc cấu tạo aa (vd : albumin, globulin, prolanin, glutelin, histon) Protein phức tạp : aa + phi protein *MỘT SỐ PROTEIN PHỨC TẠP Nucleoprotein protein + acid nucleic Cromoprotein Lipoprotein Protein + lipit Glycoprotein Phosphoprote in Metaloprotein tập trung nhân tế bào, riboxom nhóm ngoại hợp chất có màu đóng vai trò quan trọng q trính vận chuyển lipit thể Protein + saccharid (monosaccharid, oligosaccharid dẫn xuất chúng) nhóm ngoại acid phosphoric, kết hợp với protein qua –OH Ser Thr Protein + Kim loại 3) CHỨC NĂNG Lê Thị Trà My (Tami) Chất xúc tác SH: enzyme Vận chuyển: hemoglobin Chuyển động: actim-miozin Bảo vệ: interferon Truyền xung TK: opsin+Rhodospin Điều hồ: insulin Kiến tạo chống đỡ học: Keratin, collagen Dự trữ dinh dưỡng: Albumin 4) TÍNH CHẤT điện ly lưỡng tính: dung dịch keo pro – kết tủa pro: Hai yếu tố đảm bảo độ bền dd keo pro • • Sự tích điện dấu phân tử protein (pH ≠pI) Lớp vỏ hydrat bao quanh phân tử protein biến tính pro: tác nhân vật lý (tia cực tím, sóng siêu âm, khuấy học) hóa học (acid, kiềm mạnh, muối kim loại nặng, ) • biến đổi cấu hình bậc 2, khơng phá hủy cấu trúc bậc nhất, kèm theo tính chất tự nhiên ban đầu bị - pI: giá trị pH mà pro trung hòa điện (điểm đẳng điện) - Gốc R tích điện (+) (-)  lưỡng tính - pH = pI  pro trung hòa điện  dễ kết tủa - pro phân tán nước  dd keo sol phân tử lớn  khơng thể hòa tan - pH < pI  (+) - pH > pI  (-)  Tác nhân gây kết tủa protein: to pH Muối: NaCl, (NH4)2SO4 Dung mơi hữu cơ: Ethanol, Acetone 5) TIÊU HĨA-SINH TỔNG HỢP PROTEIN a) Tiêu hóa protein o Trong dày: • Pepsin: chủ yếu thủy phân lk peptide có tham gia a.a mạch vòng lk Ala-Ala, Ala-Ser số liên kết khác o Ruột non Trypsin: thể hoạt lực cao lk peptide có chứa nhóm cacboxyl amino acid (lysine, arginine) Chymotrypsin: hđ tối ưu pH=8, thủy phân lk peptide có nhóm –CO- thuộc amino acid nhân thơm (Phe, Tyr, Trp) Cacboxylpeptidase: peptidase ngắn thủy phân hồn tồn ruột non nhờ Cacboxylpeptidase phân cắt liên kết peptide nằm sát đầu nhóm carboxyl tự Aminopeptidase (trong dịch ruột): phân cắt lk peptide nằm sát đầu nhóm amine tự Ruột già: - Lên men: VSV hữu ích tác động lên cellulose, bột, đường - Thối rửa: vi khuẩn gây thối, chủ yếu E.coli tác động lên protein lại, phân giải thành indol, scatol, phenol, cresol, H 2S, CO2, N2….1 phần đào thải theo phân, phần lớn hấp thu ruột già  TĨM TẮT Protein o pH: 1,5-2,5 pepsin HCl pepsinogen Dạ dày Polypeptide pH: 7-8 Trypsinogen Ruột non trypsin Chymotrypsinogen Procacboxylpeptidase Proaminopeptidase Acid Amin b) Phân giải acid amin: gồm khử amine Chuyển amine Chuyển carboxyl • Khử amine: cách oxi hóa Gồm giai đoạn o Oxh a.a  iminacid Chymotrypsin C.peptidase A.peptidase o Thủy phân tự phát imin acid để tạo α-ketonic acid NH 4+ Khử amine cách oxy hóa L-glutamate L-glutamate chuyển vào ti thể tác động enzyme l-glutamate dehydrogenase có coenzyme (coe) NAD NADP+ bị khử amin cách oxh Glutamate + H2O NAD NADP+ α-Ketoglutare + NH4+ Khử amine cách oxy hóa amino acid khác Xảy bào tương nhờ enzyme L-amino acid oxidase L-Amino acid • L-amino acid oxidase α-ketonic acid Chuyển amine: nhóm a-amin amino acid  ngun tử carbon keto-acid  amino acid trở thành keto-acid keto-acid biến thành amino acid tương ứng Phản ứng tổng qt q trình chuyển amin sau: PP(phosphopyridoxal) + Amino acid IPPA (phosphopyridoxamin) + Ketoacid I PPA (phosphopyridoxamin) + Keto-acid II  PP (phosphopyridoxal) + Amino acid II Ở động vật: chất cho nhóm amin chủ yếu: glutamic acid (dễ tổng hợp từ α-ketoglutamate-sp cacbohydrat lipid) Chất nhận nhóm amin chủ yếu: pyruvate oxaloacetate (tạo αketoglutamate) Phản ứng giải độc NH3 xảy gan, não: enzyme tổng hợp glutamin Khử carboxyl: Ở động vật, thường gặp gan, thận vách ruột amin tương ứng Enzyme xúc tác: decarboxylase có coenzyme pyridoxal phosphate Các amino acid tham gia vào phản ứng khử carboxyl: His, Tyr, Glu, – oxy tryptophan, Cys 3,4-dihydroxy phenylalanine Các amine hữu có vai trò sinh học định thể Ví dụ: + histamine hình thành từ histidine, chất có tác dụng giãn mạch, co trơn tăng tính thấm thành mạch + Ở não có γ-amino butyrate chất hình thành từ glutamate, có tác dụng điều hòa hoạt động hệ thần kinh Các amine sau hết tác dụng phân giải theo đường khử amine cách oxy hóa nhờ enzyme amino-oxydase để tạo NH4+ aldehyde Các aldehyde bị oxy hóa tạo thành carboxylic acid tiếp tục thối hóa đến CO2 H2O Amine  NH4+ + aldehyde carboxylic  CO2 + H2O c) Sinh tổng hợp protein: giai đoạn Sao mã ADN thành ARN Xử lý RNA • - - Giải mã tổng hợp protein Sự giải mã mRNA thành chuỗi polipeptit gồm bốn giai đọan: - Giai đọan họat hóa axit amin - Giai đọan khởi đầu tổng hợp chuỗi polipeptit (AUG) - Giai đoạn kéo dài chuỗi polipeptit - Giai đoạn kết thúc chuỗi polipeptit tách khỏi riboxom (UAA, UAG, UGA) 6) SỰ BIẾN ĐỔI CỦA PROTEIN TRONG CHẾ BIẾN VÀ BẢO QUẢNS Gồm: thủy phân biến tính • Thủy phân: Protein → peptide + acid amin Các acid anim bị chuyển hóa qua phản ứng dezamin, decacboxyl hóa tạo hợp chất rượu, aldehyde, ceton, mercaptan gây màu mùi, vị khó chịu, gây ngộ độc Biến tính : pH, nhiệt độ, độ ẩm, … kết tủa, vón cục, đơng tụ, chức sinh học 7) ỨNG DỤNG • Tạo cấu trúc gel cho sản phẩm • - - Các protein bị biến tính tập hợp lại thành mạng luới khơng gian có trật tự → tạo gel Bản chất gel protein Vd: giò lụa, phomat, bánh mì, … sản phẩm có kết cấu khung từ gel protein Khả tạo gel protein sử dụng để tạo độ cứng, độ đàn hồi, cải thiện khả hấp thụ nước, tạo độ dày, tạo lực liên kết nhũ phần, làm bền nhũ tương bọt • Khả tạo màng - Gelatin có khả tạo màng nhờ liên kết hydro - Màng hình thành gelatin có tính thuận nghịch, tan chảy 30 độ C tái lập nhiệt độ thấp • Khả tạo bột nhão protein kết cấu xốp sản phẩm -Glutenin hợp phần tạo độ đàn hồi, lực cố kết mức độ chịu nhào trộn -Gliađin có tính lưu, tính kéo dãn khả trương nở làm tăng thể tích bánh - - - • Khả nhũ hóa Protein hấp phụ vào bề mặt liên pha giọt dầu phân tán pha nước liên tục tạo tính chất lý độ dày, độ nhớt, độ đàn hồi, độ cứng giúp khơng hợp giọt Tùy thuộc pH, ion hóa nhóm bên protein  tạo lực đẩy tĩnh điện làm nhũ tương bền • Khả tạo bọt Protein hấp phụ vào bề mặt liên pha tạo màng mỏng, đàn hồi bao quanh bóng bọt Các protein có khả tạo bọt: lòng trắng trứng, protein đậu nành, … • Khả cố định mùi Protein liên kết với hợp chất bay phân cực (VD: cồn) nhờ lk hydro Các hợp chất bay PTL thấp cố định vào gốc acid amin nhờ tương tác kỵ nước Một số hợp chất bay cố định vào protein nhờ liên kết đồng hóa trị • Các sản phẩm protein từ máu Hệ tuần hồn người – lít máu, chiếm 8,5 – 9% trọng lượng thể Máu gồm: hồng cầu (99% số tế bào máu); bạch cầu; tiểu cầu lơlửng dịch huyết tương Huyết tương = huyết (albumin, globulin, …) +fibrinogen Vai trò máu: vận chuyển oxy, chất dinh dưỡng, enzyme, hormone,… Các dạng sản phẩm từ máu:  Máu tồn phần: thu nhận vơ trùng từ người hiến máu, truyền máu trực tiếp cung cấp BC, TC nhân tố dòng máu khác nhau, immunoglobulin thành phần bổ sung huyết tương  Albumin huyết thanh: loại protein chủ yếu 60% tổng số protein huyết tương Tinh lọc từ huyết thanh, huyết tương thai - α1 – antitrypsin, glycoprotein huyết → khí thủng (emphysema) - Các chất chống đơng máu: + Heparin: chất glucosaminglycan Chiết xuất từ màng nhầy ruột heo/ phổi bê + Hirudin: peptide chống đơng máu từ tuyến nước bọt đĩa (hirudomedicinalis) + Ancrod: serine protease chống độc từ nọc rắn lục Malaysia, xúc tác phân cắt firin + Các tác nhân làm tan máu: t-Pa, urokinase, streptokinase điều trị nhồi máu tim, tắc mạch, đột quỵ • Hormon nhân tố tăng trưởng Protein Insulin Nguồn gốc Tuyến tụy heo, bò Ứng dụng Bệnh tiểu đường Glucagon Tuyến tụy heo, bò Làm tăng đường huyết Hormone kích thích tạo buồng trứng (FSH – Follicle stimulating hormone) Tuyến n heo/nước tiểu phụ nữ sau mãn kinh Cảm ứng siêu rụng trứng ĐV Trị rối loạn chức sinh sản người Gonatrophin màng ối người (hCG – human chrionic gonatrophin) Nước tiểu phụ nữ mang thai Trị rối loạn chức sinh sản người Hormone hồng thể (LH – Luteinizing hormone) Thùy trước tuyến n Kích thích tạo hormon sinh dục estrogen progesteron nữ, testosteron nam • Các cytokine: interleukin interferon Cytokine: nhân tố điều hòa, kích thích TB thuộc hệ miễn dịch bạch cầu tổng hợp Các cytokine glycoprotein hay polypeptide, SX TB khơng tổ chức thành tuyến - Interleukin: 15 loại (IL-1 – IL-15), IL-2 ngiên cứu kĩ nhất, có vai trò chống TB ung thư nhiễm virus liệu pháp miễn nhiễm Interferon: loại cytokenin, sx tb cảm thụ với virus, có đặc tính đường ức chế hoạt động mRNA ức chế sinh sản virus, ảnh hưởng đến sinh trưởng phát triển (sự phân hóa) tb khối u tb bình thường được sử dụng chất điều trị khơng đặc hiệu cho nhiễm trùng virus • Các vaccine kháng thể - Vaccine: chế phẩm có tính kháng ngun  tạo miễn dịch đặc hiệu chủ động  tăng sức đề kháng thể vk sống giảm độc lực vsv bị bất hoạt/chết sản phẩm tinh chế từ vsv - Kháng thể: phân tử immunoglobulin ( chất glycoprotein) tb lympho B tương bào (biệt hóa từ lympho B) tiết để hệ miễn dịch nhận biết vơ hiệu hóa tác nhân lại VK, VR 8) NGUỒN THU NHẬN PROTEIN - Các yếu tố cần lưu ý • Đặc tính kỹ thuật protein • Dễ kiếm • Chi phí sản xuất • An tồn • Khác: quyền, chấp nhận khách hàng - Nguồn thu nhận: • VSV vi khuẩn (B subtilis, B amylolyquefacien, nhiều lồi bacilli, lactobacillli treptomyces) nấm mốc (Aspergillus, Pennicillium, Mucor, Rhizopus) - nấm men (S cerevisae) o u cầu: -Thời gian nhân đơi ngắn -Có khả tạo thành 40-70% protein -Tiêu hố tối đa chất dinh dưỡng mơi trường -Khơng gây bệnh đem vào mơi trường độc tố -Có sức bền cao - Dễ tách khỏi dịch ni cấy o Có nhiều thuận lợi: + Sản xuất lượng lớn thời gian ngắn - +Sản xuất dễ dàng, tốn chi phí + Bền protein tương tự từ ĐV, TV + Dễ dàng tác động gen ĐV, TV  Tảo đơn bào đa bào: Chlorella, Spirulina, Scenedesmus Tảo đơn bào có hàm lượng protein cao: 40-50% chất khơ, Spirulina 70% Protein tảo thuộc loại protein hồn hảo có chất lượng cao: lysine tảo > lysine lúa mạch Tổng số a.a khơng thay pro cao, 42% Tảo chứa nhiều protein vitamin: B12, C  SX thức ăn  Nấm men vi khuẩn  Nấm men + Nấm men giàu protein VTM + Sinh khối nấm men chứa khoảng 75-80% nước, 20-25% chất khơ + Protein nấm men gần giống protein nguồn gốc động vật - Tiêu chuẩn giống nấm men để sản xuất protein: + Có khả đồng hố nhiều nguồn cacbon khác nhau, loại pentose (xylose, arabinose) axid hữu + Có khả phát triển nhanh, có sức đề kháng cao nồng độ CO + Sản lượng cao, sinh khối chứa nhiều chất dinh dưỡng có giá trị (hàm lượng protein cao, có nhiều axit amin khơng thay thế, vitamin ) + Kích thước tế bào tương đối lớn để dễ tách li tâm + Chịu đựng nhiệt độ tương đối cao, làm biến đổi pH mơi trường - Trong sản xuất nấm men thường dùng chủng thuộc ba giống Saccharmyces, Candida Torulopsis  Vi khuẩn + Tốc độ sinh trưởng nhanh + Dùng nhiều chất + pH cần giữ 5-7, khơng  nguy nhiễm vi khuẩn gây bệnh + Khó thu hồi li tâm + Hàm lượng axit amin chứa S thấp + Khi dùng vi khuẩn Gram âm để sản xuất SCP (single cell protein) cần lưu ý khả sản sinh độc tố chúng  Nấm mốc xạ khuẩn -ít sử dụng - Protein giá trị -Về kĩ thuật ni cấy, hệ sợi phát triển thành búi chằng chịt nên trở ngại đến việc sục khí khuấy trộn • Nguồn thực vật Đặc điểm nguồn protein TV: - Các protein quan trọng từ TV tìm thấy nguồn ng/liệu sinh học khác -Sự sinh trưởng TV - Các TV bậc cao có khuynh hướng tích lũy nhiều chất thải khơng bào Một số protein TV quan trọng: - Hệ thống protein đậu tương -Monellin Thaumatin chất tự nhiên có độ cao Monellin, từ trái Dioscoreophyllum cumminsii mọc West Africa,fsaccharose = 100 000 Thaumatin từ trái nhiệt đới Thaumatococcus danielli - Amylase từ malt -Protease từ thực vật • Nguồn động vật: protein thực phẩm, protein trị liệu, protein máu, enzyme - Nhược điềm : tác nhân gây bệnh ng/liệu thơ → Biện pháp phòng ngừa: sử dụng mơ lấy từ ĐV khơng mang bệnh, sử dụng protein tinh sạch, ni cấy tế bào ĐV • Protein tái tổ hợp - Các r-protein sản xuất từ VK nấm men, sau từ ĐV, TV chuyển gen - Hiện nay: sx chủ yếu protein trị liệu, số enzyme, kháng thể chẩn đốn trị bệnh Từ hệ r-protein cải tiến→ có nhiều đặc tính ưu việt nhờ đột biến điểm định hướng tác động lên gen, acid amin • Protein tổng hợp hóa học - Phổ biến: pp Merrifield (Merrifield solid phase synthesis) - Sự thêm vào liên tục theo thứ tự acid amin  tạo thành chuỗi peptide gắn bề mặt hạt polystyrene có chứa nhóm phản ứng chloromethyl (CH2Cl) - PP Merrifield sử dụng để tổng hợp peptide/polypeptide dài khoảng 60 acid amin - PP native chemical  120 acid amin Ngun tắc: acid amin riêng lẻ ủ với di-tert butyldicarbonate → dẫn xuất acid amin tert – butoxycarbonyl amide (BOC-amide) Nhóm BOC bảo vệ nhóm amin acid amin, đảm bảo việc thêm vào acid amin để tạo chuỗi peptide thực qua nhóm carboxyl acid amin - B1: BOC-acid amin kết hợp hạt thực mt kiềm - B2: xử lý với acid trifluoroacetic để tách nhóm BOC Acid amin thứ hai bảo vệ nhóm BOC thêm vào - B3: hình thành lên kết peptide [...]... động vật: protein thực phẩm, protein trị liệu, các protein máu, enzyme - Nhược điềm : tác nhân gây bệnh trong ng/liệu thô → Biện pháp phòng ngừa: sử dụng mô lấy từ ĐV không mang bệnh, sử dụng protein đã được tinh sạch, nuôi cấy tế bào ĐV • Protein tái tổ hợp - Các r -protein đầu tiên được sản xuất từ VK và nấm men, sau đó từ ĐV, TV chuyển gen - Hiện nay: sx chủ yếu là các protein trị liệu, một số enzyme, ... trở ngại đến việc sục khí và khuấy trộn • Nguồn thực vật Đặc điểm của nguồn protein TV: - Các protein quan trọng từ TV cũng có thể tìm thấy trong các nguồn ng/liệu sinh học khác -Sự sinh trưởng của TV - Các TV bậc cao cũng có khuynh hướng tích lũy nhiều chất thải trong không bào Một số protein TV quan trọng: - Hệ thống các protein đậu tương -Monellin và Thaumatin là 2 chất tự nhiên có độ ngọt cao nhất... men, sau đó từ ĐV, TV chuyển gen - Hiện nay: sx chủ yếu là các protein trị liệu, một số enzyme, kháng thể chẩn đoán và trị bệnh Từ thế hệ r -protein đầu tiên được cải tiến→ có nhiều đặc tính ưu việt hơn nhờ đột biến điểm định hướng tác động lên gen, acid amin • Protein tổng hợp hóa học - Phổ biến: pp Merrifield (Merrifield solid phase synthesis) - Sự thêm vào liên tục theo thứ tự của các acid amin 