Giáo trình Công nghệ sinh học đại cương: Phần 2

Các động vật già không thể sử dụng trong sản xuất pho mát bồi vì với tuổi già hơn thì sự sản sinh của rennin bị giảm đi, thay vào đó là proteinase khác - pepsin không thể sử dụng trong[r]

Chương

V I R U S V À C Ô N G N G H Ệ S I N H H Ọ C V I R U S

Virus m ộ t ký sinh p hổ b i ế n hầu h ế t c c c thể sống từ đ n g i ả n đế n phức tạp M ọ i c thể sống từ v i k h uẩn đế n trồng, vật n u ô i n g ười đề u c ó t hể bị lấn c n g bởi virus Virus g â y n h i ề u bệnh dịch nguy h iểm n h bệnh lở m m long m ó n g , bệnh bò điên, bệnh c ú m H N , bệnh SARS, bệnh H I V / A I D n h i ề u bệnh k h c Virus c ò n n g u y ê n n h â n m ộ t số bệnh t r u y ề n n h iễm nguy h iểm n h virus epstein bar, virus bệnh v i ê m gan B (Hepatitis B), virus v i ê m gan c (Hepatitis C) dẫn đế n ung thư

Ngồi ra, virus có khả cài genom n ó vào genom sinh vật chủ chuyển tải thông tin di truyền từ thể sống sang thể sống k h c n ê n c ó thể gây n h i ề u b i ế n dị hay dạng đột b i ế n không mong muốn Trong nhũng n ă m gần đây, vừus đã đố i tượng nghiên cứu quan trọng nhiều lĩnh vực công nghệ sinh học, n g số đ ó , số virus sử dụng làm vector phục vụ công tác chuyển gen

5.1 LỊCH SỬ PHÁT HIỆN RA VIRUS

N g ười ta phát virus n hờ n g h i ê n cứu tìm k i ế m t c n h â n g â y bệnh k h ả m thuốc Bệnh n y l m cho còi cọc m u sắc p h i ế n l bị k h ả m N ă m 1883, A Mayer phát h i ệ n thấy bệnh k h ả m thuốc bệnh lây n h iễm cho rằng tác n h â n gây bệnh m ộ t loài v i k h uẩn nhỏ b é k h ô n g thể n h ì n t hấy k í n h h iển v i Ô n g ta thành c ô n g gây lây n h iễm bệnh n h â n tạo c c h phun dịch c h i ế t bị bệnh lên khoe Quan sát chất dịch d ưới k í n h h iển v i A M a y e r k h ô n g quan sát thấy tác n h â n g â y bệnh

Đế n c u ố i n ă m 1880, D Ivanowsky, m ộ t n h khoa học n g ười Nga cho bệnh k h ả m thuốc gây bởi m ộ t v i k h uẩn n hỏ b é c ó k h ả n ă n g l ọ t qua m n g lọc vi khuẩn Ô n g đã d ù n g m n g lọc c ó k h ả n ă n g l o i trừ v i k h uẩn để lọc chất c h i ế t từ c â y bệnh Dịch c h i ế t thu qua m n g lọc v i k h uẩn vẫn c ó k h ả n ă n g g â y bệnh ô n g g ọ i độc t ố sau lọc

N ă m 1897 Martinus Beiferinck, n h sinh học H Lan cho thấy bệnh g â y bởi thể sống nhỏ đơn giản v i khuẩn, l i c ó k h ả n ă n g sinh sản C â y khoe sau phun dịch chiết từ bệnh bị n h iễm bệnh, chất dịch từ c â y mới n h iễm bệnh l i gây n h iễm bệnh cho k h c T h í nghiệm đã lặp l i nhiều t h ế hệ n g ười ta thấy tác nhân gây bệnh c ó thể sinh sản tác n h â n n y k h ô n g bị loãng y ế u k h i chuyển từ n ọ sang Ô n g cho b i ế t :

- K h ô n g thể nuôi cấy tác n h â n gây bệnh m ô i trường dinh d ưỡn g n h â n tạo - T c n h â n gây bệnh k h ô n g bị g i ế t bằng cồn

N ă m 1935, \Vendell M Stanley, m ộ t n h khoa học M ỹ k ế t t i n h c c hạt tác n h â n g â y bệnh m n g y n g ười ta g ọ i virus k h ả m thuốc ( T M V - tobaco mosaic virus)

Trong n ă m 1950, T M V virus k h c quan sát t hấy bằng k í n h h iển v i đ iệ n tử, virus n hỏ nhất c ó đ ườn g k í n h chỉ khoảng 20nm H t virus cấu trúc đơn g i ả n bởi m ộ t sợi axit nucleic nằm m ộ t lớp vỏ bọc protein

5.2 ĐẶC ĐIỂM CHUNG TRONG CÂU TRÚC CỦA VIRUS

Genom virus rất đ n giản, c ó t hể m ộ t sợi A D N k é p , m ộ t sợi A D N đ n , m ộ t sợi A R N k é p m ộ t sợi A R N đ n A D N virus c ó t hể p h â n tử sợi thẳng sợi vòng, đ ó c ó t hể g m gen t ố i đ a vài t r ă m gen

5.2.1 Vỏ bọc virus (capsid envelop)

Virus c ó thể c ó lớp vỏ, lóp g ọ i vỏ capsid, lớp g ọ i lớp bao envelop Capsid m ộ t lớp vỏ protein bọc bên genom virus Cấu trúc vỏ capsid đa dạng tạo bởi tiểu phần nhỏ g ọ i capsomeres - tiểu phần vài loại protein khác vỏ envelop lóp m n g phủ ngồi vỏ capsid có vai trò giúp virus lây n h iễm t ế bào T h n h phần vỏ bọc protein

5.2.2 Sinh sản virus tế bào sinh vật chủ

Virus m ộ t k ý sinh n ộ i b o bắt buộc, chỉ c ó k h ả n ă n g b iểu h i ệ n sinh sản b ê n t ế b o sống Mỗi virus c ó t hể c ó m ộ t vài sinh vật chủ đặc thù:

- Các virus nhận b i ế n t ế b o chủ n hờ t n g tác thuận giữa protein vỏ b ê n n g o i virus m ộ t receptor đặc thù bể mặt t ế b o chủ

- M ộ t vài virus c ó k h ả n ă n g k ý sinh n h i ề u sinh vật chủ, c ó t hể vài lồi sinh vật, ví dụ: virus c ú m gà (bird A u H N ) virus d i (rabies)

K h ả n ă n g k ý sinh m ộ t số virus mang tính đặc h i ệ u cao:

- M ộ t vài virus c ó k h ả n ă n g lây n h iễm m ộ t lồi: ví dụ virus lây n h iễm v i k h uẩn E.coli

- M ộ t vài virus c ó t hể k ý sinh m ộ t l o i m ô m ộ t loài: virus g â y c ả m l n h người c ó thể lây n h iễm c c t ế b o phần đ ườn g h ô hấp, virus A I D S c ó thể b m vào receptors đặc thù t ế b o bạch cầu

Chu trình sinh sản lây n h iễm virus g m bước: - Genom virus t h â m nhập v o b ê n t ế b o chủ

- Virus sử dụng c c vật l i ệ u t ế b o chủ để n h â n genom virus sản xuất c c protein vỏ virus (capsid envelop)

5.2.3 C c h ế n h iễm b ệ n h v i r u s

V í dụ: T- even phage sử dụng phần đ u ô i để b m v o t h n h t ế b o chủ v b m A D N vào t ế b o chủ K h i genom virus v o t ế b o n ó l m thay đổi c c c h n g t r ì n h hoạt động t ế b o chủ bắt đầu n h â n

Có cách nhãn genom virus:

- A D N - > A D N , n ế u genom virus A D N sợi k é p , A D N virus n h â n b ả n g i ố n g n h A D N t ế b o , virus sử dụng A D N polymerase t ế b o chủ để n h â n b ả n A D N n ó

- A R N - > A R N , t ế b o chủ k h ô n g c ó enzym để n h â n A R N virus, đ a số A R N virus c ó chứa gen m ã hoa A R N replicase - m ộ t enzym sử dụng A R N virus l m k h u ô n để tổng hợp A R N tương đổng

- A R N - A D N - A R N , m ộ t vài virus c ó k h ả n ă n g m ã hoa reverse transcriptase - m ộ t enzym tổng hợp A D N từ sợi k h u ô n A R N virus

Vỉrus sử dụng vật liệu tế bào chủ để sinh sản:

- Các gen virus sử dụng enzym, ribosome, t A R N , axit a m i n , A T P , nucleotid yật l i ệ u k h c t ế b o chủ để n h â n genom v sản x uất c c protein vỏ vừus

- Các t iểu phần virus g m axit nucleic vỏ virus lắp r p v tạo h n g t r ă m đế n h n g n g h ì n virus k h c p h vỡ t ế b o chủ lây sang t ế b o k h c C c tiểu phần vừu s c ó thể tự l p r p ống n g h i ệ m k h i t r ộ n A R N c c protein vỏ với để tạo m ộ t virus h o n chỉnh

ARN (genom virus) > f

ADN virus

Phiên mã Phiên mã genom

> V

mARN virus ARN virus tế bào vật chủ để tạo virus > f

ARN virus tế bào vật chủ để tạo virus

> f V

Protein virus > Virus

5.2.4 C h u t r ì n h s i n h sản v i r u s k ý sinh v i k h uẩn

C c virus k ý sinh v i khuẩn g ọ i bacteriophage, hay v i ế t g ọ n phage, t i ế n g V i ệ t g ọ i thực k h uẩn hay siêu v i k h uẩn ( S V K ) C ó k iểu chu trình sinh sản S V K : lytic l y s o g è n i c

5.2.4.1 Chu trình hoại sinh (lytic)

V í dụ, chu trình lytic S V K T4 x ả y g m giai đ oạ n sau:

- S V K T b m v o m n g t ế b o chủ: T4 nhận b i ế t t ế b o chủ n hờ c ó tương đổng protein sợi đ u ô i virus repceptor đặc thù m n g n g o i v i k h uẩn E.coli

- Genom t h â m nhập v o t ế b o để l i phần vỏ protein T b ê n n g o i t ế b o - C c hydrolytic e n z y m (enzym t h ú y p h â n ) p h â n huy A D N t ế b o chủ E.coli T ế b o chủ bắt đầu m ã phiên m ã genom virus M ộ t enzym virus enzym p h â n huy A D N t ế b o chủ A D N S V K k h ô n g bị ảnh hưởng c ó chứa cytosine b i ế n đổi v ậ y A D N virus k h ô n g chịu ảnh hưởng bởi enzym t h ú y p h â n A D N t ế b o chủ

- Virus sử dụng nucleotid (được p h â n huy từ t ế b o chủ) để n h â n genom virus - T ế b o chủ sản x uất l o i protein vỏ lắp r p protein để tạo đ u ô i phage, sợi đuôi (tail fibers) đầu virus (polyhedral heads)

- Các t iểu phần virus tự lắp r p để tạo hạt virus h o n chỉnh - P h â n huy t ế b o chủ g i ả i p h ó n g hạt virus:

+ Genom virus sản sinh lysozyms p h â n g i ả i m n g t ế b o v i k h uẩn

+ Á p lực t hẩm t hấu l m p h vỡ t ế b o v g i ả i p h ó n g h n g t r ă m virus từ m ộ t t ế b o chủ

+ Các virus mới c ó t hể lây n h iễm t ế b o chủ lân cận

Chu kỳ lytic (lytic cycle) k é o dài 20 - 30 phút nhiệt độ ° c Trong giai đ oạ n n y mật độ quần thể T tăng lên h n g t r ă m lần

Cơ chế tự vệ vi khuẩn

- V i k h uẩn c ó t hể thay đổi receptor bằng m ộ t độ t b i ế n , n hờ v ậ y virus k h ô n g thể nhận biết receptor để b m g â y bệnh

- Các enzym cắt g iới hạn v i k h uẩn nhận b i ế t cắt c c A D N l , đ ó c ó A D N siêu v i khuẩn N h n g A D N c h í n h v i k h uẩn c ó c c thay đổi hoa học k h ô n g bị p h â n huy bởi enzym cắt c h í n h n ó Enzym cắt g iới hạn enzym tự nhiên v i k h uẩn c ó k h ả n ă n g cắt A D N l , x ú c tác cắt A D N t h n h m ả n h nhỏ

Trong chu kỳ hoại sinh, vi khuẩn siêu vỉ khuẩn liên tục tiến hoa

- Hầu n h v i khuẩn c ó c h ế chống siêu v i k h uẩn c ó h i ệ u

5.2.4.2 Chu kỳ tiêm sinh (Lysogenic cycle)

M ộ t số virus c ó thể c ù n g chung sống với t ế b o chủ bằng c c h cài genom c h ú n g vào genom t ế b o Sau k h i c i genom m ì n h v o genom t ế b o c h ủ , sinh sản với t ế b o chủ n h n g virus k h ô n g hoạt động cho đế n k h i bắt đầu chu kỳ lytic C c virus n h g ọ i temperate virus c h ú n g c ó chu kỳ sống: Lysogenic l y t i c

Phage X (E Lederberg, 1951) m ộ t ví dụ Chu kỳ t i ề m sinh phage X d iễn theo trình tự sau:

- Phage X gắn v o b ề mặt t ế b o v i k h uẩn E c o l i - Phage À tiêm A D N n ó v o t ế b o chủ

- A D N phage c ó thể bắt đầu chu kỳ t i ề m sinh hoặc h o i sinh (lytic)

Trong q u trình t i ề m sinh, A D N phage cài v o m ộ t vị trí đặc t h ù n o đ ó nhiên sắc thể v i k h uẩn trở t h n h t i ề n phage (prophase) Hầu h ế t c c gen prophage ở trạng thái k h ô n g hoạt động Gen prophage m ã hoa m ộ t protein k ì m h ã m l m ức c h ế hầu hết c c gen prophage Prophage genom n h â n lên n h i ề u lần c ù n g với q u trình p h â n chia t ế b o chủ c ó t hể t n t i t ế b o c h ủ n h i ề u t h ế hệ Đế n m ộ t t hời đ iểm nhất định, A D N phage c ó t hể t c h k hỏi A D N t ế b o chủ c ó thể bắt đầu chu kỳ hoại sinh

5.3 MỘT SỐ BỆNH VIRUS NGUY HẠI

Virus g â y rất n h i ề u bệnh n g ười , độ n g vật, thực vật kể v i k h uẩn M ộ t số bệnh virus rất thường gặp n h c ú m Đặc đ iểm quan trọng bệnh virus k h i mắc bệnh virus, việc chữa bệnh gặp n h i ề u k h ó k h ă n

D ưới đ â y c h ú n g ta tham khảo ba bệnh virus n g ười : bệnh b i l i ệ t , c ú m H I V / A I D S Các bệnh n y đề u c ó chung m ộ t đặc đ iểm đề u virus c ó g e n o m A R N gây

5.3.1 Virus bại liệt

m ộ t c h ế p hẩm vacxin từ virus bại liệt đã bị g i ế t chết v k h ô n g c ò n k h ả n ă n g sinh sản c thể n g ười , n h n g c ó k h ả n ă n g g â y m iễn dịch

5.3.2 Virus cúm (Influenza Flu)

L virus g â y bệnh nguy h iểm đường h ô hấp l m chết h n g triệu n g ười Virus c ú m c ó thể lây n h iễm n g ười , l ợ n , gà, vịt, h ả i cẩu ngựa Vừu s c ú m c ó genom phân tử A R N bao bọc bởi lớp vỏ protein (vỏ capsid) m ộ t lớp m n g c ó nguồn gốc từ t ế b o sinh vật chủ ( m n g envelop)

Virus c ú m c ó c c spike (cái que gai) tạo bởi l o i protein k h c virus g ọ i Neuraminidase Haemagglutinin Spike đ ó n g vai trò quan trọng lây n h iễm t ế b o chủ

Những thay đổi thường x u y ê n Ương ưì n h tự axit amin hai protein vỏ virus dẫn đế n xuất h i ệ n liên tục chủng mới Các chủng mới c ó thể sinh sản c c bệnh n h â n có phản ứng m iễn dịch manh đố i với chủng cũ

Chủng c ú m mới x uất h i ệ n k h i đ a số cá thể quần thể sinh vật chủ c h a h ì n h thành h ệ m iễn dịch k h n g bệnh m ộ t c c h h i ệ u đã g â y dịch c ú m lây lan nhanh chóng

5.3.3 Virus gây suy giảm hệ miễn dịch HIV/AIDS

Virus gây suy g i ả m h ệ m iễn dịch thuộc n h ó m retrovirus, genom virus n y A R N K h i A R N virus t h â m nhập v o t ế b o n ó enzym c h é p ngược (inverted transcriptase) x ú c tác chuyển hoa t h n h A D N Đ â y m ộ t dạng c A D N virus P h â n tử c A D N c ó thể cài v o n h iễm sắc thể t ế b o chủ tạo m ộ t dạng t i ề n virus t i ề m sinh (provirus) Provirus c ó thể nằm y ê n qua n h i ề u lần p h â n b o cho đế n k h i bắt đầu hoạt động sinh sản, tạo virus mới

H I V lây n h iễm c c t ế b o h ệ m iễn dịch, chủ y ế u lây n h iễm c c đạ i thực b o (macrophage) t ế b o C D Positive T - c e l l

Virus H I V v ậ n chuyển theo m u , lây n h iễm qua đ ườn g m u đường sinh dục T h ô n g thường c ó m ộ t giai đ oạ n ố m ngắn, sốt x uất h i ệ n k h n g thể chống l i H I V m u C ó thể phải t h n g sau k h i bị n h iễm H I V , c thể mới c ó biểu h i ệ n H I V dương tính qua thử k h n g thể

Bệnh A I D S x ả y k h i thể k h n g c ị n k h ả n ă n g chống l i lây n h iễm bệnh vi khuẩn, nấm , virus k h c T i ế p theo virus n h iễm v o c c l o i t ế b o k h c n h h ệ thần kinh trung ương gây bệnh thần k i n h , trí M ộ t vài l o i ung t h c ũ n g liên quan đế n giai đ oạ n phát triển nhất định bệnh A I D S

virus B iểu h i ệ n p h t bệnh đầu tiên xuất h i ệ n c c hạch k h i đ ó t ế b o C D v t ế b o T bị chết h n g loạt h ệ m iễn dịch bắt đầu suy y ế u

5.4 CÁC CHIÊN LƯỢC BẢN PHÒNG CHỐNG BỆNH VIRUS

D ưới đ â y c h i ế n lược c c ô n g nghệ sinh học p h ò n g chống bệnh virus:

- Sản xuất sử dụng c c vacxin t r u y ề n thống - T o c c vacxin tái tổ hợp (recombinant vacxin)

- T o c c A R N đố i nghĩa (antisense R N A ) c t hể c h ủ , k h i virus t h â m nhập v o t ế b o chủ, c c A R N đố i nghĩa bắt cặp với c c A R N (sense R N A ) virus v l m cho virus bất hoạt

- T o c c s i A R N ( A R N ngắn, - nucleotid) t ế b o c h ủ , k h i c ó virus c n g c c A R N ngắn bắt cặp với c c trình tụ t n g đồ n g sợi A R N virus l m cho A R N virus bị p h â n huy Đ â y m ộ t c ô n g nghệ mới đời c h a đầy 10 n ă m l i đ â y , c ó tác dụng p h ò n g chống bệnh virus rất h i ệ u

T i ê m v o c t hể chủ c c trình tự A R N sợi k é p c c s i A R N , c c t r ì n h t ự A R N k é p t ế b o n h â n thực c ó t hể bị c c enzym Dicer cắt t h n h c c s i A R N C c s i A R N t h â m nhập v o t ế b o v g â y bất hoạt virus

Chương

P R O T E I N V À C Ô N G N G H Ệ E N Z Y M

6.1 GIỚI THIỆU VẾ PROTEIN

Protein quy định hầu h ế t c c đặc tính t ế b o v c t hể sống D o v ậ y c h ú n g ta c ó thể nói protein tạo c c c t hể sống m ộ t c c h đặc thù, k h ô n g t r ù n g lặp đa dạng T h n h tựu gần đ â y C h n g trình genom n g ười (2003) cho b i ế t c thể người c ó chứa khoảng 30.000 gen, n h n g đã từ lâu n g ười ta ước tính c t hể n g ười chứa khoảng 30.000 c c l o i protein k h c mỗi protein đề u c ó chức riêng biệt (E.s Grace, 1997)

Protein cấu trúc bởi 20 axit amin k h c M ộ t protein v o l o i n hỏ nhất chẳng hạn n h insulin c ó chứa h n 50 axit amin k h i đ ó đ a số c c protein k h c lớn n h i ề u (chứa từ vài t r ă m đế n h n 1000 c c axit amin)

T í n h đặc thù protein enzym trình tự c c axit amin p h â n tử protein tạo

Trình tự c c axit amin p h â n tử protein l i trình tự nucleotid gen quy định Chỉ cần thay đổi m ộ t axit amin cấu trúc protein ta c ó thể tạo thay đổi rất lớn hoạt tính, t h ậ m c h í l m thay đổi hẳn chức n ă n g protein Trong cấu trúc enzym c ó m ộ t v ù n g quy định tính đặc thù n ó g ọ i "trung t â m hoạt h ó a " Trung t â m n y c ó thể coi v ù n g rất nhạy c ả m đố i với c c độ t b i ế n C c độ t biến gen cần l m thay đổi ý nghĩa m ộ t codon gen c ó t hể dẫn đế n thay t h ế m ộ t axit amin n y m ộ t axit amin k h c "trung t â m hoạt h ó a " c ó thể dẫn đế n thay đổi t o n b ộ hoạt tính chức n ă n g protein/enzym đ ó

6.1.1 V a i t r ò p r o t e i n

Protein

Protein enzym Protein cấu trúc Protein chất hoạt tính sinh học

/ ị X Xúc tác tồn q

trình sinh hoa tế bào thể

Tạo cấu trúc mức phân tử nhiễm sắc thể, lục lạp, ty thể, tế bào, mô, quan, prótein vận động ỏ mơ vận chuyển ỏ tế bào máu

- Hocmon sinh trưởng, phát triển; - Các kháng thể khả miễn dịch;

6.1.2 Cấu t r ú c c ủ a p r o t e i n

Protein polymer gồm nhiều monomer (có tên chung axit amin) tạo thành M ộ t sợi polymer g m m ộ t số axit amin g ọ i polypeptid Cấu trúc chung axit amin:

NH2

I

R — c — H C O O H

Cấu trúc khác axit amin nhóm R định Protein tạo

20 axit amin k h c (bảng 6) C c axit amin liên k ế t với bằng cầu n ố i covalent (đồng hoa trị) g ọ i cầu n ố i peptid Cầu n ố i n y tạo bởi phản ứng hoa học n h ó m cacboxyl ( C O O H ) axit amin n y với n h ó m amino axit amin k h c :

I H — N _

H I H — N _

c

j — c — ( Ì

Ri li 0 H

1

à 1 — c — ( li Ri Ỏ

H H H I - N H I -N H é—C-(OH H li R2 o

H ì -N H c—c li R2 o

OH H ) _ N — H

I N

H I

c — C - O H I ý R3

H I

c — C - O H R3 Õ

I I H H I ụ I H

I

H - N - ộ — C - N - ộ — C - N -ẹ— C - O H + H20 — •

ĩ lí ĩ H ĩ ị

Rị Ở R2 Ỏ R3 Ổ

Kết tạo mạch peptid dài (protein) gồm axit amin kết nối với tương tự n h phản ứng

Bảng 6.1 Tên 20 axit amin tạo nên phân tửprotein

Tên axit amin Ký hiệu Tên axit amin Ký hiệu

Alanine M a Leucine Lêu

Arginine Arg Lysine Lys

Asparagine Asn Methionine Mét

Aspartic acid Asp Phenylalanine Phe

Cysteine Cys Proline Pro

Glutamine Gìn Serine Ser

Glycine Gly Threonine Thr

Histidine His Tryptophan Trp

Glutamate Giũ Tyrosine Tyr

Cấu trúc k h ô n g gian protein rất phức tạp, g m mức cấu trúc k h c (sơ đồ 6.1) M ộ t số k iểu liên k ế t y ế u h ì n h t h n h giữa c c n g u y ê n tử c ù n g m ộ t sợi polypeptid n g u y ê n tử thuộc sợi polypeptid k h c tạo cấu trúc k h ô n g gian đặc thù protein C c k iểu liên k ế t y ế u k h đ a dạng: liên k ế t hydrogen, liên k ế t tĩnh đ iệ n (electrostatic) liên k ế t V a n der Waals

Cấu trúc bậc (Prímary structure): C c axit amin k ế t n ố i với t h n h m ộ t

sợi polypeptid thẳng g ọ i cấu trúc bậc m ộ t

Cấu trúc bậc hai (secondary structure): H ì n h t h n h lực liên k ế t n g u y ê n

tử axit amin gần sợi polypeptid m c h thẳng tạo t h n h Cấu trúc bậc thường c ó dạng sợi xoắn (oe H e l i x )

Cấu trúc bậc (Tetiary structure): C c m c h polypeptid cấu trúc bậc m ộ t c ó thể

gấp khúc lực liên k ế t y ế u tạo n ê n cấu trúc bậc V í dụ, cấu trúc bậc p h â n tử mioglobin

Cấu trúc bậc (Quaternary structure): Trong m ộ t số c c protein, n h i ề u

sô sợi polypeptid c ó cấu trúc bậc liên k ế t l i tạo t h n h cấu trúc bấc V í dụ, cấu trúc bậc phân tử hemoglobin Cấu trúc bậc c ó thể h ì n h t h n h giữa c c sợi polypeptid khác c c sợi giống

N h i ề u protein c ó cấu trúc chặt c h ẽ h ì n h cầu: enzym k h n g t hể protein c ó cấu trúc h ì n h cầu quan trọng nhất, k h i protein sợi t h n h phần cấu trúc quan trọng m c sợi tóc

Primary

structur* Secondary structurc s trúc tu re Tertiary Quatomary structurc

ị ca, 1 GI V

-Ệ

E&-1 ***J E&-1 | t f Ị h i n n tefÉ ***J | t f Ị h i n n tefÉ

Aminci acid reKÍdues rHelix Poiyp«ptlde chuin AKKembli.-d stibuniu

Sơ đồ 6.1 Cấu trúc không gian protein (theo Neỉson and Cox, 2000)

Cấu trúc không gian protein yếu tố định chức protein

trong t ế b o Cấu trúc k h ô n g gian protein quy định bởi trình tự axit amin cấu trúc bậc m ộ t n ó Cấu trúc bậc ba bậc bốn protein c ũ n g quy định bởi cấu trúc bậc m ộ t polypeptid tạo n ê n protein đ ó T r ì n h tự axit amino quy định vai trò gốc R liên k ế t đặc thù protein n y với t h n h phần khác t ế b o

6.2 CÔNG NGHỆ ENZYM

Cơ thể sống thực nhà máy hoa chất khổng lồ mà người biết

Enzym h ệ thống sống sản sinh để x ú c tác c c phản ứng sinh hoa cần cho tồn t i h ệ thống sống đ ó Chất x ú c tác (catalyst) c c tác n h â n hoa học c ó t hể l m thay đổi tốc độ m ộ t phản ứng hoa học n h n g k h ô n g bị b i ế n chất hay p h â n huy phản ứng m n ó x ú c t c

Enzym protein c ó k h ả n â n g x ú c tác c c phản ứng hoa học với b ả n c hất c c chất xúc tác sinh học (biocatalysts) Đế n nay, n g ười ta cho b i ế t c ó h n g n g n e n z y m c c loại, x ú c tác phản ứng sinh hoa đặc thù t ế b o M ộ t số c c phản ứng p h â n g i ả i thức ăn t h n h axit amin, đ ườn g chất b é o đ n g i ả n c ó t hể thực h i ệ n với xúc tác enzym vài phút N ế u k h ô n g c ó c c enzym tham gia, c c p h ả n ứng tương tự n h c ó t hể phải k é o dài vài chục n ă m

Enzym sau k h i t c h k hỏi t ế b o sống vẫn c ó t hể x ú c t c c c p h ả n ứng hoa học i n vitro K h ả n ă n g c c enzym c ó t hể bảo t n k h ả n ă n g x ú c tác c c p h ả n ứng sinh hoa học khai t h c sản x uất c ô n g nghiệp g ọ i C ô n g n g h ệ enzym

Trong n h ó m protein, enzym c h i ế m vị trí quan trọng n hất v ề số lượng v chất lượng Enzym c c protein đ ó n g vai trị x ú c tác k h n g t hể t h i ế u đố i với c c phản ứng hoa học t ế b o Mỗi enzym x ú c tác m ộ t phản ứng đặc thù m ộ t số enzym chỉ hoạt hoa đ iề u k i ệ n m ô i trường thích hợp Mặc d ù mỗi t ế b o đề u c ó tất c c gen cần t h i ế t cho sinh tổng hợp tất c c enzym c t hể T u y nhiên, b o quan k h c n h ty t hể, lục lạp hay c c m ô k h c n h rễ, đề u c ó h ệ thống enzym k h c hoạt độ n g

Mỗi enzym tổng hợp t h ô n g qua biểu h i ệ n gen hay h ệ đ iề u h n h hoạt hoa gen/hệ gen m ố i quan h ệ tương tác chặt với c c y ế u t ố n ộ i sinh v m i trường ngồi như:

- Giai đ oạ n p h t triển p h â n hoa t ế b o v m ô c t hể đ a b o - Các y ế u t ố m ô i trường

- T r ì n h tự c c q u trình sinh hoa x ả y đ ó mỗi enzym tham gia c ó vị trí k h n g gian thời gian x c định t ế b o

E n z y m tổng hợp k h i n o đ â u , số lượng n h i ề u hay ít, t r o n g đ iề u k i ệ n n o enzym n y k h c tổng hợp - Đ iề u đ ó quy định bới h ệ đ iề u h n h gen thể h i ệ n tính tổ chức mỗi h ệ thống enzym D o đ ó , n g h i ê n cứu hệ điề u h n h sinh tổng hợp c c enzym n ó i r i ê n g protein n ó i chung mấu chốt đố i với thành c ô n g n h i ề u l ĩ n h vực c ô n g nghiệp sinh học

T ê n m ộ t enzym t h ườn g g h é p t ê n gọi m ộ t c chất, chất n ề n enzym đ ó cộng với n h ó m "ase" c u ố i V í dụ, c c enzym t h ú y p h â n protein t h n h axit amin g ọ i protease proteinase Proteinase c ũ n g c ó t hể c ó c c tên t h ô n g dụng k h c như: pepsin, trypsin, bromelin Amilase c ũ n g c ó c c n h ó m k h c n h alpha-amylase, beta-amylase, đề u c c enzym p h â n g i ả i tinh bột n h n g k h c n h i ề u hoạt hoa cấu trúc

6.2.1 Vai trò sinh hoa học enzym

E n z y m l m t ă n g nhanh tốc độ phản ứng việc l m g i ả m mức n ă n g lượng tới hạn m c chất p h ả i đạ t đế n để phản ứng c ó thể x ả y

V í dụ: phản ứng phân giải đường sucrose (Ci2H22Ou) t h n h đ ườn g glucose

ữuctose c ó tham gia phân tử nước x ả y n h sau:

Phản ứng n y g m q u trình p h â n cắt p h â n tử sucrose t h n h p h â n tử p h â n tử nước thành H+ OH" tạo liên k ế t hoa học mới để tạo glucose íructose

Năng lượng hoạt hoa phản ứng hoa học:

N ă n g lượng cần để làm p h vỡ liên k ế t hoa học c c chất tham gia phản ứng lượng k hởi đầu phản ứng g ọ i n ă n g lượng hoạt hoa K ý h i ệ u EA

Năng lượng hoạt hoa c ó thể nhiệt lượng m p h â n tử tham gia phản ứng cần hấp thụ để làm vỡ liên k ế t hoa học c h ú n g N ă n g lượng n y lấy từ m ô i trường ngồi có tác dụng làm cho liên k ế t hoa học b ê n chất tham gia phản ứng k h ô n g c ò n bền vững - đ â y đ iề u k i ệ n để tạo sản p hẩm mới Sau k h i chất mới tạo với liên k ế t hoa học ổn định, n n g lượng g i ả i p h ó n g m ô i trường N ế u lượng g i ả i p h ó n g lớn h n so với n ă n g lượng hấp thụ ban đầu ( lớn EA)

thì phản ứng g ọ i phản ứng toa nhiệt

Q u trình chuyển hoa chất ln l u ô n phụ thuộc v o n ă n g lượng tự chứa nó: đ â y n ă n g lượng tự chất A - B C- D k ý h i ệ u E | Sau k h i chất hấp thụ nhiệt lượng từ b ê n n g o i c ó n ă n g lượng tự cao đạt trạng thái n â n g lượng E'i ( Kị = E j + EA) trạng thái n ă n g lượng E'ị c c chất tham gia

phản ứng k é m b ề n vững hơn, giàu k h ả n ă n g chuyển hoa h n Trạng thái n y chất g ọ i trạng thái chuyển t i ế p Trạng thái n ă n g lượng sản phẩm tạo thành sau phản ứng A - c B - D thấp h n k ý h i ệ u E2 M ứ c độ c h ê n h lệch n ă n g

lượng tự chất tham gia phản ứng sản p hẩm sau phản ứng g ọ i AG (Sơ đồ 6.2)

Cl 2H2 20 „ + H20 Q H A + - Q H A

A ^ ~ B I Trạng thái chuyển tiếp: chất tham c,—D I gia phản ứng hấp thu lượng Ex

và trở bền vững Năng lượng

tự E' I Chất tham gia phản ứng A-B / C-D / E|

ị Sản phẩm AG

A - C B - D t

Trong trường hợp phản ứng phản ứng toa nhiệt n ă n g lượng A G l m ộ t số d n g N ă n g lượng EA g ọ i g iới hạn n ă n g lượng Đ iểu đ ó c ó nghĩa l c c chất A B

và C D c ó thể phản ứng với n ế u c c chất n y được hấp t hụ m ộ t n ă n g lượng EA

t ố i thiểu để đạt trạng thái n ă n g lượng E ' l Trạng thái n ă n g lượng E ' l trạng t h i c h u y ê n t i ế p k h i c c chất tham gia phản ứng sẵn sàng chuyển hoa N ế u n â n g lượng EA q u lớn ,

có nghĩa h ệ thống phải t i ế p thu n h i ề u nhiệt lượng hay cần k í c h lên n h i ệ t độ cao đ ê phản ứng c ó thể x ả y ra, c ó thể k é o theo huy d i ệ t t ế b o sống D o v ậ y , đế phản ứng hoa học x ả y cá c đ iề u k i ệ n nhiệt độ m ô i trường k h ổn định c thê sông cần đế n vai t r ò enzym Ở đ â y , enzym c ó tác dụng l m g i ả m n h u cầu hấp thụ nhiệt n ă n g cá c chất tham gia phản ứng k í c h hoạt tốc độ c c p h ả n ứng hoa học h ệ thống

Sản p hẩm

Sơ đồ 6.3 Năng lượng hoạt hóa phản ứng hóa học chuyển hóa chất

Enzym khơng thể làm thay đổi lượng AG (là độ chênh lệch lượng tự

của chất đầu c u ố i q u trình phản ứng) N ó c ó t h ệ l m g i ả m nhiệt n ă n g m chất tham gia phản ứng cần t i ế p thu để phản ứng x ả y T r ê n đổ thị ta t hấy lượng El c (phản ứng c ó tham gia x ú c tác enzym) thấp h n so với E ' j N h v ậ y

ta c o i EA g iới hạn n ă n g lượng phản ứng k h ô n g c ó tham gia enzym v à EM

g iới hạn n ă n g lượng phản ứng c ó tham gia enzym EA lớn h n EA (sơ

đồ 6.3)

T ó m l i , q u trình phản ứng, enzym + c chất tạo tổ hợp enzym - cơ làm thay đổi n ă n g lượng c chất g i ú p chuyển hoa c chất t h n h sản p hẩm với tốc độ phản ứng tăng C ô n g thức tổng hợp phản ứng x ú c tác bởi enzym, đ ó E enzym, A chất, B sản p hẩm biểu h i ệ n n h sau:

E n z y m c ó t hể l m tăng tốc độ phản ứng lên h n g t r i ệ u lần V í dụ, enzym catalase d ù n g c ô n g nghiệp dệt, Ì p h â n t catalase c ó t hể chuyển hoa X l o6 =

triệu p h â n tử hydrogen peroxide thành nước oxy m ộ t p h ú t

M ộ t đặc trưng quan trọng enzym hoạt tính n ó H o t tính m ộ t enzym đ o số p h â n tử c chất chuyển hoa t h n h sản p hẩm m ộ t đ n vị thời gian m ộ t p h â n tử enzym trường hợp c chất nồng độ b ã o hoa Trong đ a số trường hợp hoạt tính đặc thù enzym biểu h i ệ n ịimol c chất/phút/mg enzym ( U / m g protein)

6.2.2 Một số đặc tính quan trọng enzym

Enzym c ó m ộ t số c c thuộc tính c d ưới đ â y :

6.2.2.1 Tính đặc thù enzym

Emyrn xúc tác phản ứng với chất đặc thù:

Enzym c ó tính đặc thù rất cao, n ó x ú c tác phản ứng sinh hoa định, mỗi enzym c ó t hể nhận b i ế t v x ú c t c q u t r ì n h b i ế n đổi m ộ t vài c chất nhất định

Tính đặc thù enzym cấu trúc bậc m ộ t cấu t r ú c k h ô n g gian enzym quy định N ế u thay đổi cấu trúc k h ô n g gian enzym thay đổi nồng độ hoặc độ p H m ô i trường c ó t hể l m cho enzym mất hoạt hoa

Enzym với tính đặc thù cao c ũ n g c ó t hể nhận b i ế t k h c hai c chất c ó cấu trúc rất giống

Enzym có tính đặc thù khơng gian

Mỗi enzym c ó m ộ t vị trí k h ô n g gian x c định t ế b o , m ô c quan Mỗi c quan tử t ế b o c ó những enzym h ệ thống enzym đặc thù thích hợp với chức n ă n g n ó V í dụ c c enzym A D N - polymerase, A R N - polymerase hoạt hoa n h â n t ế b o n ộ i b o quan c ó chứa A D N n h lục lạp, ty t hể

Enzym có tính đặc thù thời gian

Các enzym tổng hợp theo trình tự thời gian m ộ t c h uỗi phản ứng sinh hoa, những thời đ iểm cụ t hể chu kỳ p h â n b o thời đ iểm x c định q u trình phát t r iển c t hể V í dụ, thời kỳ phát dục t ế b o l u ô n k è m theo hoạt hoa m ộ t loạt c c gen c c enzym tương ứng m thời kỳ sinh trưởng trước đ ó c h ú n g k h ô n g hoạt độ n g

T í n h đặc thù v ề vị trí k h ô n g gian thời gian enzym y ế u t ố q u y ế t định tính đặc thù p h â n hoa chức n ă n g tổ chức sống

thù V i ệ c m ô h ệ thống m n g sinh học đ ó c ó x ế p t ố i ưu h ệ t h n g enzym c ó thể mang l i độ t p h quan trọng n g n h c ô n g nghiệp hoa sinh

6.2.2.2 Một số đặc tính quan trọng khác enzym

- Enzym x ú c tác b i ế n đổi hoa học c c c chất, n h n g b ả n t h â n enzym k h ô n g bị tiêu huy q u trình x ú c tác đ ó

- Với c ó mặt enzym, tốc độ phản ứng hoa học x ả y rất cao - M ộ t lượng enzym n hỏ c ó t hể c h ế b i ế n m ộ t lượng c chất lớn

- Enzym c ó thể hoạt hoa c c đ iề u k i ệ n nhiệt độ k h c từ - 1 ° c c c độ p H từ2 -

- M ộ t số enzym chỉ hoạt hoa đ iề u k i ệ n c ó mặt c c y ế u t ố đồ n g thời (cofactors) Cofactors c ó t hể c c lon k i m l o i c c nucleotid hay v i t a m i n

- N hờ tính đặc thù enzym, c ô n g nghiệp enzym c ó t hể tạo c c sản p hẩm có chất lượng cao, độ tinh k h i ế t cao, sản p hẩm phụ, v ậ y dễ t i n h

- Enzym c ó thể sản x uất bởi c c v i sinh vật quy m ô lớn m k h ô n g cần đế n c c thiết bị chịu hoa chất

- V ì enzym m ộ t p h â n tử protein, n ó c ó t hể bị p h â n rã ( b i ế n t í n h ) c c n n g độ p H nhiệt độ định k h uấy trộn mạnh Trong trường hợp cần t h i ế t để p h â n hủy enzym n g ười ta cần t ă n g độ p H hay nhiệt độ đủ H o t t í n h enzym v ậ y rất dễ điề u k h iển Enzym c ó t hể dễ p h â n huy v ậ y c ó l ợ i cho k iểm s o t m ô i t r ườn g

6.2.3 Trung tâm hoạt hoa enzym

Trong phản ứng, c chất enzym tạo m ộ t tổ hợp enzym + c chất C chất gắn v o m ộ t v ù n g x c định enzym g ọ i trung t â m hoạt hoa n hờ c c liên k ế t y ế u n h liên k ế t hydro liên k ế t l o n Sau k h i c chất c h u yển hoa t h n h sản p hẩm , sản p hẩm rời trung t â m hoạt hoa n h ườn g c hỗ cho c c p h â n t c chất mới

Phản ứng x ả y nhanh đế n mức m ộ t p h â n t enzym c ó t hể b i ế n đổi h n g n g h ì n phân tử c chất Ì giây Hầu h ế t c c phản ứng enzym c h i ề u : phản ứng x u ô i phản ứng ngược l i C h i ề u phản ứng phụ thuộc n h i ề u v o nồng độ t n g đố i chất sản p hẩm

T n g tác giữa "trung t â m hoạt hoa" enzym c chất giống n h t n g tác ổ khoa c h ì a khoa, đ ó cấu trúc k h n g gian enzym đặc biệt quan trọng, đ ó trình tự c c axit amin trung t â m hoạt hoa đ ó n g vai t r ò q u y ế t địn h đố i với tính đặc h i ệ u enzym

t â m hoạt hoa) c ó t hể g â y thay đổi mức hoạt hoa, hoặc đ iề u k i ệ n hoạt hoa t ố i ưu, độ b ề n vững enzym m k h ô n g thay đổi chức n ă n g (tính đặc h i ệ u ) n ó D o c n g nghệ gen c ó t hể tác động l m thay đổi m ộ t số tính chất enzym

6.2.4 Các điều kiện hoạt hoa tối ưu enzym 6.2.4.1 Ảnh hưởng nhiệt độ độ pH

Enzym c ó t hể hoạt hoa đ iề u k i ệ n nhiệt độ k h c từ - 110l )c c c độ

pH từ 2-14

Cấu trúc k h ô n g gian bậc ba protein c ả m ứng với đ iề u k i ệ n m ô i trường Hầu hết c c enzym c ó hoạt tính t ố i đa nhiệt độ t ố i ưu, nhiệt độ t ố i ưu thường nhiệt độ bên t ế b o m từ đ ó enzym sản sinh ( đố i với enzym n ộ i b o ) Đố i với c c enzym ngoại b o (enzym t ế b o t i ế t m ô i trường) nhiệt độ t ố i ưu c ó t hể nhiệt độ m ô i trường đ ó enzym hoạt độ n g T ố c độ phản ứng t ă n g lên c ù n g với tăng nhiệt độ cho đế n k h i đạ t đế n nhiệt độ t ố i ưu N h i ệ t độ cao h n so với nhiệt t ố i ưu c ó thể làm cho hoạt tính enzym g i ả m nhanh c ó t hể l m enzym p h â n rã mất hoạt tính nhiệt độ thấp phản ứng x ả y chậm h n n h n g enzym c ó t hể hoạt độ n g dài h n

Nhiệt độ t ố i ưu cho hoạt hoa đa số c c enzym n g ười v o khoảng ° c , đ ó nhiệt độ t ố i un cho hoạt hoa c c enzym loài v i k h uẩn ưa n ó n g nằm khoảng 70-75°C,

Mỗi enzym c ó độ p H t ố i ưu, t ă n g g i ả m độ p H so với độ p H t ố i ưu đề u l m giảm hoạt tính enzym M ộ t enzym đ n h giá c ó giá trị t h n g m i cao h n n ó c ó khoảng dao độ n g t ố i ưu p H rộng h n , n hờ v ậ y thay đổi n hỏ độ pH k h ô n g l m thay đổi lớn tốc độ phản ứng <:

Độ p H t ố i ưu cho hoạt độ n g đa số c c enzym nằm khoảng p H = - Tuy nhiên c ó ngoại l ệ , ví dụ, pepsin enzym tiêu hoa d d y hoạt động t ố i ưu pH = 2, k h i enzym tiêu hoa trypsin ruột l i thích nghi với m ô i trường k i ề m v hoạt hoa t ố i ưu k h i p H =

6.2.4.2 Cofactors

N h i ề u enzym cần đế n trợ g i ú p c c p h â n tử k h ô n g p h ả i protein để hoạt động Các phân tử n y g ọ i c c y ế u t ố đồ n g thời (coíactors)

V ề chất, c o í a c t o r s c ó t hể chất v ô c n h lon k i m l o i ( k ẽ m , sắt, đồng ) Cofactors c ũ n g c ó thể chất hữu c (trong trường hợp n y cofactors g ọ i coenzym) n h c c vitamin hay nucleotid C c coenzym cần t h i ế t cho hoạt động xúc tác enzym

6.2.4.3 Các chất kìm hãm enzym

Ngược l i , ức c h ế đảo ngược n ế u liên k ế t chất ức c h ế với enzym c c liên k ế t y ế u N h i ề u chất ức c h ế c ó cấu trúc hoa học tương tự với c chất, v ậ y c h ú n g c ó t hể cạnh tranh với c chất liên k ế t với trung t â m hoạt hoa C h ú n g l m g i ả m hoạt tính enzym K iểu ức c h ế n h v ậ y g ọ i là ức chế cạnh tranh

Trái với ức c h ế cạnh tranh ức chế không cạnh tranh: CÁC chất k ì m h ã m enzym k h ô n g tương tác trực t i ế p với trung t â m hoạt hoa g ọ i c c chất k ì m h ã m k h ô n g cạnh tranh C c chất n y thường b m v o phần k h c cấu trúc enzym, làm cho enzym bị b i ế n dạng, hoạt tính enzym bị suy g i ả m bị triệt tiêu M ộ t số chất chất độc c h ú n g c ó tính chất k ì m h ã m hoạt tính enzym V í dụ, D D T parathion ức c h ế c c enzym quan trọng h ệ thần k i n h c ô n t r ù n g , c c chất k h n g sinh diệt khuẩn c h ú n g ức c h ế hoạt động enzym v i khuẩn

C c h ế ức c h ế hoạt tính enzym tổn t i t ế b o c t hể sống v đ ó n g vai trị quan trọng đố i với sống

6.2.4.4 Điều khiển trình trao đổi chất thơng qua chất tăng cường ức chê enzym

M ộ t phần cấu trúc enzym, n h n g xa trung t â m hoạt hoa n ó , allosteric site M ộ t số chất c ó thể b m v o allosteric site l m thay đổi hoạt hoa enzym theo hướng tăng cường ức c h ế

C c enzym m hoạt tính c h ú n g đ iề u k h iển t h ô n g qua allosteric site g ọ i allosteric enzym C c enzym n y cấu tạo bởi hai vài m c h polypeptid Mỗi m ộ t mạch n y l i c ó thể c ó m ộ t trung t â m hoạt hoa riêng c c allosteric sites thường nằm v ù n g liên k ế t m c h polypeptid C c chất t ă n g c ườn g hoặc ức c h ế enzym k h i b m v o m ộ t c c allosteric site c ó t hể l m b i ế n dạng c c đ n vị cấu trúc k h c enzym ảnh hưởng đế n hoạt tính toàn b ộ enzym

Trong số trường hợp chất tăng c ườn g chất k ì m h ã m c ó cấu trúc t n g tự cạnh tranh liên k ế t với allosteric site V í dụ A T P A M P , m ộ t enzym c ó thể bị k ì m h ã m bởi A T P tăng cường A M P N ế u nồng độ A T P t ế b o bị thấp so với nhu cầu sử dụng, chất tăng cường A M P b m v o allosteric site để k í c h hoat enzym chuyển hoa chất n y theo theo hướng tạo A D P sau đ ó A T P N ế u A T P d thừa t ế b o , chất k ì m h ã m (ATP) b m v o allosteric site enzym ức c h ế e n z y m 6.2.4.5 Điều khiển ngược ựeedback regulation)

M ộ t ví dụ k h c q u trình tổng hợp isoleucine từ threonine Q u trình chuyển hoa từ threonine t h n h isoleucine qua bước phản ứng trung gian với tham gia enzym k h c nhau, bắt đầu enzym threonine deaminase K h i chất c u ố i c ù n g c h uỗi phản ứng isoleucine tạo tích l ũ y t ế b o , n ó b m v o allosteric site enzym threonine deaminase l m b i ế n dạng enzym n y K ế t enzym k h ô n g k h ả n ă n g chuyển hoa threonine N h vậy, c c h ế đ iề u k h iển ngược g i ú p cho t ế b o t r n h tổng hợp lượng isoleucine d thừa

6.2.5 Nguồn gốc số enzym thông dụng

Enzym c ó thể tách c h i ế t từ bất kỳ c thể sống n o M ộ t số enzym c ó nguồn gốc động vật thực vật c ó thể c ó ứng dụng c n g nghiệp, n ô n g nghiệp y học (bảng 6.2) Tuy nhiên, c c enzym c ó nguồn gốc v i sinh vật c c enzym ứng dụng phổ b i ế n nhất với quy m lớn

6.2.5.1 Một sốenzym có nguồn gốc thực vật

- Amilase enzym tách chiết từ hạt nảy mầm củ; - Bromelin protease dứa;

- Papain m ộ t protease nhựa đ u đủ; 6.2.5.2 Một sơienzym có nguồn gốc động vật

- Catalase - m ộ t enzym gan

- Rennet - enzym dịch vị d d y b ị l m đ n g sữa c ô n g nghiệp m t - Pepsin - enzym h ệ tiêu hoa d d y lẹm

- M ộ t số enzym h ệ tiêu hoa từ t u y ế n l ợ n

Bảng 6.2 Một sốenzym quan trọng có nguồn gốc động, thực vật

TT Enzym Nguồn

1 Enzym động vật

Catalase Liver (Gan)

Chymotrypsin Pancreas (Tuyến tuỵ)

Lipase Pancreas (Tuyến tuy)

Rennet Abomasum (Dạ cỏ động vật)

Trypsin Pancreas (Tuyến tuy)

2 Enzym thực vật

Actinidin Quả Kiwi

oe- amylase Mạch nha

p- amylase Mạch nha

Bromelain Nhựa dứa

p- Glucanase Mạch nha

Ficin Nhựa sung (Fig latex)

Lipoxygenase Đậu tương

6.2.5.3 Một số enzym có nguồn gốc vi sinh

Nấm , v i k h uẩn nguồn enzym c c ô n g nghiệp enzym V i sinh vật sản xuất m ộ t số enzym quan trọng đ ó n g vai trị p h â n g i ả i c c đạ i p h â n tử n h t i n h bột, cellulose, protein để tạo c c chất đ n giản h n g ọ i enzym t h ú y p h â n (hydrolyzing enzym) C c enzym t h ú y p h â n g m :

- Amylase: enzym p h â n g i ả i tinh bột t h n h c c đ ườn g c ó p h â n tử lượng n hỏ đường đ n hoa tan

- Protease (hoặc proteinase): p h â n g i ả i protein t h n h axit amin

- Lipase: p h â n g i ả i chất b é o động vật thực vật, dầu b é o t h n h glycerol axit béo

- Cellulase ( g m n h i ề u loại): p h â n g i ả i hợp chất cellulose phức tạp t h n h p h â n tử đường

- Beta - glucanase (hoặc gumase): enzym p h â n g i ả i glucan dextrin - Pectinase: p h â n g i ả i pectin c c chất cacbohydrat c ó n g u n gốc thực vật 6.3 ỨNG DỤNG CỦA CƠNG NGHỆ ENZYM

C n g nghệ enzym bao g m q u trình sản xuất, p h â n l ậ p , t c h c h i ế t , t i n h sạch, sử dụng d ưới dạng hoa tan, c ố định, l o i bioreactor k h c Công nghệ enzym c ó thể g i ả i q u y ế t những vấn đề học b ú a x ã h ộ i n h sản x uất thức ăn, tạo nguồn n ă n g lượng, chẩn đ o n chữa bệnh, bảo v ệ c ả i t h i ệ n m ô i trường sống, n g h i ê n cứu p h â n lập t h i ế t k ế gen Sự p h t t r iển c ô n g n g h ệ enzym gắn l i ề n với phát triển khoa học sinh hoa, c ô n g nghệ v i sinh c c k ỹ n g h ệ k h c Đặc biệt, công nghệ enzym c ô n g nghệ gen hai n g n h khoa học song h n h , bởi enzym c h í n h sản phẩm gen Thay đổi h ệ thống đ iề u k h iển hoạt hoa gen cấu trúc gen c ó thể dẫn đế n thay đổi sinh tổng hợp hoạt tính mỗi enzym

6.3.1 Một sô ứng dụng truyền thống tình hình phát triển cơng nghệ enzym

Bảng 6.3 Công nghệ enzym truyền thống

TT Hướng ứng dụng Các enzym sử dụng

1 Các chất tẩy rửa sinh học

Chủ yếu proteinase sản xuất ngoại bào amylase Cơng nghiệp

bánh mì

- Các a- amylase sản sinh từ nấm men, xúc tác phân giải tinh bột bột mì thành đường Đường tạo nấm men sử dụng

- Các proteinase dùng sản xuất bánh bích quy, làm giảm hàm lượng protein bột mì

3 Cơng nghiệp rượu bia

Các enzym lúa mạch sản sinh giai đoạn ủ men sản xuất bia có vai trò phân giải tinh bột protein thành đường đơn, amino axit, peptid làm thức ăn cho nấm men trình sản xuất cồn

Các enzym sử dụng rộng rãi công nghiệp bia amỵtase, glucanase, proteinase đóng vai trị phân giải polysaccharid protein mạch nha (malt) Enzym gluconase làm cải thiện khả lọc bia Enzym amỵloglucosidase làm giảm lượng bia

Enzym proteinase: giúp bảo tồn chất lượng bia q trình bảo quản Cơng nghiệp sữa Enzym dụng rennin (dịch vị) có nguồn gốc từ dày động

vật non nhai lại bê, cừu, dê Rennin sử dụng công nghiệp sản xuất mát, dùng phân giải protein Các động vật già sử dụng sản xuất mát bồi với tuổi già sản sinh rennin bị giảm đi, thay vào proteinase khác - pepsin sử dụng công nghiệp sản xuất mát Trong năm gần đây, nhu cầu mát tăng lên dẫn đến thiếu hụt rennin

Do vậy.các enzym sản xuất vi sinh vật sử dụng với quỵ mơ tăng lên chế biến sữa Đó lipase, lactase

5 Công nghiệp tinh bột

Các enzym chủ yếu sử dụng amylase, amyloglycosidase glucoamylase đóng vai trị chuyển hoa tinh bột thành glucose nước syrups khác Glucose isomerase chuyển hoa glucose thành íructose (syrups có hàm lượng íructose cao sản xuất từ tinh bột làm tăng độ làm giảm lượng nước syrups) Các enzym bất động (immobilised) sử dụng rộng rãi sản xuất syrups giàu íructose ở Mỹ Nhật châu Âu, việc sử dụng enzym bất động bị hạn chế nhà nước bảo vệ nông dân sản xuất củ cải đường

6 Công nghiệp dệt Các enzym sử dụng amylase enzym vi khuẩn Amylase ứng dụng rộng rãi để phân huy tinh bột công nghiệp dệt Các enzym vi khuẩn đươc sử dung chúng có khả hoạt động nhiệt độ cao đến 100-110°c

7 Công nghiệp da Các enzym sử dụng protease:

- Các protease tìm thấy chó chim câu - Trypsin sản xuất từ nhà giết mổ gia súc - Protease từ vi sinh vật, pancrease từ lợn bị Cơng nghiệp