Enzyme là protein có hoạt tính xúc tác. Người ta đã khám phá ra rằng các enzyme đã xúc tác cho hầu hết các phản ứng hóa học xảy ra trong cơ thể sống, đảm bảo cho các quá trình chuyển hóa các chất trong cơ thể sống tiến hành với tốc độ nhịp nhàng, cân đối, theo nhưng chiều hướng xác định. Như vậy, enzyme đã đảm bảo cho sự trao đổi thường xuyên giữa cơ thể sống và môi trường bên ngoài, nghĩa là đảm bảo cho sự tồn tại của cơ thể sống.
Enzyme được tạo ra trong tế bào sinh vật bằng một quá trình tổng hợp hết sức phức tạp. Chúng tham gia phản ứng cả trong tế bào sống và cả khi được tách khỏi tế bào sống.
Enzyme có hiệu suất xúc tác cực lớn. Nó có thể gấp hàng trăm, hàng nghìn, hàng triệu lần các chất xúc tác vô cơ và hữu cơ khác. Điều quan trọng nữa là enzyme có thể thực hiện hoạt động xúc tác trong điều kiện nhẹ nhàng, ở áp suất và nhiệt độ bình thường của cơ thể, pH môi trường gần pH sinh lý.
Mỗi enzyme chỉ có khả năng xúc tác cho sự chuyển hóa một hay một số chất nhất định theo một kiểu phản ứng nhất định. Sự tác dụng có tính lựa chọn cao này gọi là tính đặc hiệu của enzyme.
Enzyme có thể hòa tan trong nước, trong dung dịch muối loãng, trong các dung môi hữu cơ có cực, nhưng enzyme không tan trong dung môi không phân cực. Ngược lại, enzyme trong dung dịch dễ dàng bị kết tủa bởi các yếu tố vật lý và hóa học vốn làm kết tủa protein.
Giống như protein, enzyme không bền và bị giảm hoạt tính đối với các tác nhân gây biến tính protein như nhiệt độ, môi trường aicd, kiềm mạnh hay muối kim loại nặng. Mức độ giảm hoạt tính của enzyme tương ứng với mức độ biến tính của protein enzyme.
Enzyme có hai loại đó là enzyme một thành phần và enzyme hai thành phần. - Enzyme một thành phần thì chỉ có phần protein, những enzyme này thường xúc tác cho phản ứng thủy phân.
- Enzyme hai thành phần gồm có: phần protein và phần phi protein. Phần protein gọi là apoenzyme, phần phi protein gọi là coenzyme hay nhóm ngoại.
Đến nay người ta đã xác định được rằng phần lớn enzyme trong tế bào đều có cấu trúc bậc bốn bao gồm nhiều tiểu đơn vị, các tiểu đơn vị này có thể liên kết với nhau bằng liên kết hydro, liên kết cộng hóa trị hoặc một số liên kết khác.
Trong quá trình xúc tác, chỉ một phần nhỏ của phân tử enzyme tham gia kết hợp đặc hiệu với cơ chất, phần đó được gọi là trung tâm hoạt động của enzyme và nó quyết định hoạt tính xúc tác của enzyme. Trung tâm hoạt động của enzyme bao gồm nhiều nhóm chức khác nhau của acid amin, các nhóm chức của coenzyme, phân tử nước liên kết và trong nhiều trường hợp có cả ion kim loại.
a. Cơ chế tác dụng của enzyme
Theo quan quan điểm hiện nay trong phản ứng có xúc tác enzyme, nhờ sự tạo thành phức hợp trung gian enzyme-cơ chất mà cơ chất được hoạt hóa, bởi lẽ khi cơ chất kết hợp vào enzyme do kết quả của sự cực hóa, sự chuyển dịch của electron và sự biến dạng của các liên kết tham gia trực tiếp vào phản ứng dẫn đến thay đổi động năng cũng như thế năng, kết quả làm cho phân tử cơ chất trở nên hoạt động hơn, nhờ đó tham gia vào phản ứng dễ dàng hơn.
Qua nhiều dẫn liệu thực nghiệm cho thấy rằng quá trình tạo thành phức enzyme cơ chất (ES) và biến đổi phức này thành sản phẩm (P), giải phóng enzyme tự do (E) thường trải qua ba giai đoạn như ở sơ đồ sau:
E + S ES P + E
- Giai đoạn thứ nhất: enzyme kết hợp với cơ chất bằng liên kết yếu tạo thành phức hợp enzyme cơ chất (ES) không bền, phản ứng này xảy ra rất nhanh và đổi hỏi năng lượng hoạt hóa thấp.
- Giai đoạn thứ hai: Xảy ra sự biến đổi cơ chất dẫn tới sự kéo căng và phá vỡ các liên kết đồng hóa trị tham gia phản ứng.
- Giai đoạn thứ ba: Tạo thành sản phẩm và giải phóng enzyme dưới dạng tự do.
b. Các yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng của enzyme
- Nhiệt độ
Nhiệt độ ảnh hưởng rất lớn đến phản ứng enzyme. Tốc độ phản ứng enzyme không phải lúc nào cũng tỷ lệ thuận với nhiệt độ phản ứng. Tốc độ phản ứng chỉ tăng đến một giới hạn nhất định. Vượt quá nhiệt độ đó, tốc độ phản ứng enzyme sẽ giảm và dẫn đến mức triệt tiêu.
Ở nhiệt độ mà tại đó enzyme thể hiện hoạt tính xúc tác cao nhất (vận tốc của phản ứng enzyme cao nhất) được gọi là nhiệt độ thích hợp. Mỗi enzyme có một nhiệt độ hoặc một khoảng nhiệt độ thích hợp, càng xa nhiệt độ thích hợp vận tốc phản ứng của enzyme càng giảm. Đường biểu diễn ảnh hưởng của nhiệt độ đến vận tốc phản ứng của nhiều enzyme có dạng như Hình 1.4.
V Vmax
topt to
Hình 1.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ tới tốc độ phản ứng enzyme
Trong công nghệ sản xuất và bảo quản các sản phẩm thực phẩm, yếu tố nhiệt độ thường được sử dụng để điều hòa các phản ứng enzyme theo chiều mong muốn.
- Giá trị pH
pH môi trường ảnh hưởng rõ rệt đến phản ứng enzyme vì nó ảnh hưởng đến mức độ ion hóa của cơ chất, enzyme và ảnh hưởng đến độ bền của enzyme. Chính vì thế pH ảnh hưởng rất lớn đến phản ứng enzyme. Đa số các enzyme bền trong khoảng pH 5÷9 và độ bền của enzyme có thể tăng lên khi có mặt cơ chất.
V Vmax
pHopt pH
Hình 1.5. Ảnh hưởng của pH tới tốc độ phản ứng
Ở pH mà tại đó trạng thái ion hóa của enzyme và cơ chất thực hiện một cách tốt nhất được gọi là pH thích hợp. Một enzyme có thể có một độ pH thích hợp hoặc một khoảng pH thích hợp. Đường biểu diễn ảnh hưởng của pH đến vận tốc phản ứng của nhiều enzyme như ở Hình 1.5.
Người ta thường sử dụng ảnh hưởng của pH để điều hòa phản ứng trong bảo quản, chế biến lương thực thực phẩm, trong tuyển chọn giống vi sinh vật.
- Nồng độ enzyme
Trong điều kiện thừa cơ chất, vận tốc phản ứng tuyến tính vào nồng độ enzyme: V
Vmax
[E]opt [E]
Hình 1.6. Ảnh hưởng của nồng độ enzyme tới tốc độ phản ứng
Thời gian đầu khi tăng nồng độ enzyme thì vận tốc phản ứng tăng nhưng đến một giai đoạn nào đó nếu ta tiếp tục tăng nồng độ enzyme thì cũng không làm tăng vận tốc phản ứng vì trong môi trường lúc này không còn cơ chất để tác dụng.
Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của nồng độ enzyme đến tốc phản ứng enzyme như Hình 1.6.
- Nồng độ cơ chất
Năm 1913, hai nhà khoa học Leonom và Michaelis và Maud Menten đưa ra mô hình động học để giải thích tính chất động học của phản ứng enzyme và đã lập được phương trình biễu diễn mối quan hệ giữa vận tốc phản ứng với nồng độ cơ chất của enzyme (Hình 1.7).
Hai nhà khoa học trên đã đưa ra mô hình chuyển hóa trong phản ứng enzyme với một cơ chất duy nhất như sau:
Gọi [Eo] là nồng độ enzyme ban đầu
[ES] là nồng độ enzyme đi vào phản ứng tạo phực hợp không gian ES. [E] = [Eo] - [ES]
Km là hằng số phân ly của cả quá trình đồng thời biểu thị ái lực giữa enzyme và cơ chất. [ES] biễu thị vận tốc phản ứng [Eo] biểu thị Vmax = V Phương trình Michaelis-Menten Nếu [S] >> Km thì v→V Nếu [S] << Km thì v nhỏ Nếu [S] = Km thì v = 1/2V
Để thuận lợi hơn trong việc xác định Km và Vmax năm 1934 Linewear và Burk đã đưa ra phương trình bằng cách nghịch đảo cả hai vế phương trình Michaelis- Menten. Phương trình như sau:
Phương trình này là phương trình tuyến tính có dạng y = ax + b, đường biểu diễn nó là một đường thẳng sẽ cắt trục tung tại 1/Vmax và cắt trục hoành ở -1/Km và độ nghiêng bằng Km/Vmax như Hình 1.8.
Hình 1.8. Đồ thị biểu diễn phương trình Linewear và Burk - Các chất hoạt hóa
Các chất hoạt hóa là những chất khi có mặt chúng trong môi trường phản ứng sẽ làm tăng hoạt độ của enzyme một cách trực tiếp hay gián tiếp. Các chất hoạt hóa có thể là các anion, các ion kim loại, các chất hữu cơ có cấu trúc phức tạp. Các chất này chỉ có tác dụng hoạt hóa ở một nồng độ nhất định. Vượt quá nồng độ này chúng sẽ gây ức chế hoạt động của enzyme.
Các chất hoạt hóa thường làm nhiệm vụ chuyển các nhóm hydrogen hoặc những chất có khả năng phá vỡ một số liên kết trong phân tử tiền enzyme hoặc các chất có tác dụng phục hồi các nhóm chức năng trong trung tâm hoạt động của enzyme.
- Các chất kìm hãm
Các chất kìm hãm hoạt động của enzyme thường là các chất có mặt trong phản ứng enzyme, làm giảm hoạt tính enzyme nhưng không bị enzyme làm thay đổi tính chất hóa học, cấu tạo hóa học và tính chất vật lý của chúng. Các chất gây kìm hãm hoạt động của enzyme bao gồm các ion, các phân tử vô vô cơ, các chất hữu cơ và cả protein thường được ký hiệu là I.
Các chất gây biến tính protein là những chất kìm hãm không đặc hiệu của enzyme. Nhiều chất khác không làm biến tính protein enzyme nhưng vẫn làm giảm hoạt độ xúc tác của nó theo cơ chế khác. Cơ chế kìm hãm của các chất kìm hãm có thể là thuận nghịch hoặc không thuận nghịch.
Tùy thuộc vào bản chất tạo phức EI, bản chất của chất kìm hãm, người ta chia ra những chất kìm hãm như sau:
- Chất kìm hãm cạnh tranh: là những chất có cấu tạo gần giống như cơ chất, nó sẽ chiếm chỗ của cơ chất trên trung tâm hoạt động của enzyme vì vậy làm vận tốc phản ứng giảm. Nếu nồng độ cơ chất nhỏ hơn nhiều so với nồng độ chất ức chế cạnh tranh thì vận tốc phản ứng enzyme ngừng.
- Chất kìm hãm không cạnh tranh: là những chất có cấu tạo khác hẳn với cơ chất, nó chiếm vị trí khác với vị trí của cơ chất trên trung tâm hoạt động của enzyme vì vậy làm cấu trúc không gian của enzyme thay đổi, kết quả là làm phản ứng enzyme ngừng.
- Kìm hãm bởi sản phẩm của phản ứng: các sản phẩm của phản ứng có thể đóng vai trò như chất kìm hãm không cạnh tranh.
- Kìm hãm do thừa cơ chất: khi phức ES được tạo thành rất có thể có một cơ chất gắn với phức này, làm chúng không thể chuyển hóa tiếp tục được.
c. Ứng dụng của enzyme
- Trong hóa phân tích: để định tính và định lượng các chất.
- Trong y học: có thể sử dụng enzyme để chữa bệnh, để sản xuất các sinh tố và các chất kháng sinh.
- Trong công nghiệp:
+ Trong công nghiệp xà phòng, enzyme dùng làm chất tẩy rửa dầu mỡ công nghiệp. + Trong công nghiệp dệt: dùng enzyme amylase để khử hồ trên vải...
- Trong công nghệ thực phẩm:
+ Sử dụng amylase trong chế tạo men bia, bánh mì, sử dụng enzyme amylase để sản xuất glucose từ tinh bột, thay cho phương pháp dùng acid HCl (hiệu suất 96÷97%).
+ Sử dụng protease làm mềm thịt, thủy phân màng tế bào gan cá để trích ly dầu cá, trong công nghiệp sản xuất nước mắm, tinh chế guanin ...
+ Ứng dụng cellulase thủy phân bào mòn màng cellulose để trích ly chất keo trong rong biển.
+ Sử dụng pectinase để tăng hiệu suất ép nước quả và làm trong dịch quả, chống hiện tượng kết tủa trắng của nước quả trong quá trình bảo quản.
d. Nguồn sản xuất enzyme
Enzyme có trong mọi tế bào của động vật, thực vật và vi sinh vật. Do vậy người ta có thể thu nhận enzyme từ các nguồn này để sử dụng trong công nghiệp. Một số nguyên liệu dùng làm nguồn nguyên liệu để tách chiết enzyme là:
- Từ thực vật: nhựa đu đủ tách papain, hạt đậu tương tách urease, thân và quả dứa tách bromelin ...
- Từ động vật: từ một số mô và cơ quan động vật người ta có thể thu nhận nhiều enzyme khác nhau như từ dạ dày có thể thu được pepsin, từ tụy tạng thu được trypsin, chymotrypsin ...
- Từ vi sinh vật: đây là đối tượng thích hợp nhất để sản xuất enzyme. Sử dụng vi sinh vật để sản xuất enzyme có những ưu điểm sau:
Có thể chủ động quá trình sản xuất.
Chu kỳ sinh trưởng phát triển của vi sinh vật ngắn do đó có thể sản xuất enzyme từ vi sinh vật trong một thời gian ngắn từ 36 giờ.
Có thể định hướng việc tổng hợp enzyme ở vi sinh vật theo hướng sản xuất chọn lọc với lượng lớn.
Giá thành các chế phẩm enzyme từ vi sinh vật thấp hơn so với các chế phẩm enzyme từ các nguồn khác vì môi trường nuôi cấy vi sinh vật t ương đối đơn giản, rẻ tiền.