thực phẩm
Quá trình oxy hóa các hợp chất hữu cơ ở cơ thể sinh vật do hệ enzyme oxy hóa – khử xúc tác. Các enzyme này có tên gọi chung là oxydoreductase. Bên cạnh các enzyme thủy phân, nhóm enzyme này có ý nghĩa to lớn đối với công nghệ thực phẩm.
Như đã đề cập, oxy phân tử trong điều kiện sinh học hầu như không có khả năng oxy hóa cơ chất mà cần phải được hoạt hóa dưới tác dụng của các enzyme đặc hiệu – các chất hoạt hóa oxy – oxydase. Mặt khác, muốn cho hydro hoặc electron của cơ chất bị oxy hóa có thể chuyển sang oxy hoặc chất nhận khác cũng phải hoạt hóa chúng nhờ enzyme đặc biệt – các chất hoạt hóa hydro – dehydrongenaza và vận chuyển chúng bằng các chất chuyển trung gian.
Đa số các phản ứng oxy hóa – khử sinh học là phản ứng tách hydro ra khỏi cơ chất. enzim xúc tác quá trình tách hydro gọi là dehydrogenaza. Sơ đồ cơ chế tác dụng của chúng có thể biểu diển như sau:
dehydrogenaza
AH2 + B A + BH2
Tất cả các dehydrogenaza đều là enzim lưỡng cấu tử - các proteit. Tính đặc hiệu của chúng do phần proteit của enzim quyết định. Một số codehydrogenaza có thể là cấu tử của nhiều hệ enzimdehydrogenaza khác nhau.
Theo bản chất của chất nhận hydro người ta chia dehydrogenaza ra làm hai nhóm chính sau
- Các dehydrogenaza hiếu khí, là những enzim có khả năng hoạt hóa hydro của
cơ chất và chuyển nó trực tiếp cho oxy không khí.
- Các dehydrogenaza yếm khí là những enzim không có khả năng chuyển
hydro trực tiếp cho oxy không khí mà chuyển hydro cho một chất chuyển trung gian nào đó.
Theo bản chất của nhóm ngoại dehydrogenaza được phân ra thành:
- Dehydrogenaza piridin
- Dehydrogenaza flavin.
Coenzim của các piridin là nicotinamitadenindinucleotit (NAD) hoặc
nicotinamitadenindinucleotit phosphat (NADP).NAD và NADP còn có các tên gọi tương ứng là coenzim I, codehydrogenaza I và coenzim II, codehydrogenaza II. Các dehydrogenaza piridin thuộc nhóm enzim dehydrogenaza yếm khí.
Nhóm ngoại của các dehydrogenaza flavin là flavinmononucleotit FMN hay
flavinadenindinucleotit FAD có riboflavin (vitamin B2) trong thành phần
Một số enzim flavin là chất chuyển trung gian( dehydrogenaza yếm khí), một số khác là dehydrogenaza hiếu khí hay là oxydaza flavin.
Dehydrogenaza rất phổ biến trong mô động vật, thực vật và vi sinh vật. chúng tham gia vào các quá trình hô hấp hiếu khí hoặc yếm khí. Hàm lượng của chúng trong cơ thể khác nhau, thậm chí trong mô và cơ quan khác nhau của một cơ thể cũng rất khác nhau.
Trong tiến trình oxy hóa sinh học codehydrogenaza piridin là các chất tiếp nhận hydro đầu tiên. Chúng có công thức cấu tạo như sau:
nicotinamit CH N CH N N C NH2 N C NH2 CONH2 C C CONH2 C C + + N N N adenin N N N CH CH HC CH HC CH HOCH
HOCH HCOH +2H HCOH O O HOCH O O
HOCH HCOH -2H HCOH riboza CH CH CH CH CH2 O O CH2 CH2 O O CH2
O P O ~ P O O P O ~ P O
OH O OH OH
CH N CH N N C NH2 N C NH2 CONH2 C C CONH2 C C + + N N N N N N CH CH HC CH HC CH HOCH
HOCH HCOH +2H HCOH O O HOCH O O
HOCH HCOH -2H HCOH CH CH CH CH CH2 O O CH2 CH2 O O CH2 O P O ~ P O O P O ~ P O OH O OH OH NADP NADP.H + H AH2 NAD FAD.H2 O2 A NAD.H2 FAD H2O2
AH2 NAD metylen xanh - H2
A NAD.H2 metylen xanh
Cấu tạo của NADP cũng giống như của NAD chỉ khác nhau trong thành phần có ba gốc axit phosphoric.
Khả năng của các dehydrogenaza kỵ khí bứt hydro ra khỏi một cơ chất nhất định phụ thuộc vào bản chất của protein enzim. Dưới tác dụng của dehydrogenaza yếm khí, hai nguyên tử hydro được chuyển từ cơ chất sang NAD hay NADP. Khi đó một nguyên tử hydro dính vào nguyên tử cacbon trong vòng piridin của vitamin PP. còn electron thứ hai kết hợp với điện tích dương của nguyên tử nito. Proton thứ hai gắn vào nguyên
tử oxy tích điện âm của axit phosphoric. Các piridinnucleotit khử này , đặc biệt là
NAD.H2và NADP.H2 được hoạt hóa bằng enzim flavin có khả năng phản ứng với oxy
hoặc với xitocrom c hay với metylen xanh.
Dehydrogenaza yếm khí oxy hóa các chất khác nhau : axit lactic, malic, isoxitric, glutamic, rượu.... có nghĩa là các dehyrogenaza yếm khí hay các dehydrogenaza piridin thường khử hydro (oxy hóa ) các chất có nhóm –CHOH- thành chất có nhóm –CO -
ví dụ:
NAD+
CH3CHOHCOOH CH3COCOOH + NADH + H+
Người ta đã biết có khoảng 200 enzim piridin đó là các enzim xúc tác sự oxy hóa
khử trong quá trình lên men và hô hấp chẳng hạn như: malat-dehydrogenaza, ß-
oxybutyratdehydrogenaza....
Dehydrogenaza flavin
Nhóm dehydrogenaza flavin có suxinatdehydrogenaza. NAD.H2- dehydrogenaza,
nitratreductaza, và nhiều enzim khác. Suxinatdehydrogenaza và NAD.H2-
dehydrogenaza là hai cấu tử quan trọng của chuổi hô hấp chúng đóng vai tròn các chuyển hydro, suxinatdehydrogenaza xúc tác phẩn ứng tách hydro của suxinat và
chuyển electron cho hệ xitocrom còn NAD.H2- dehydrogenaza thì tiếp nhận hydro từ
NAD.H2 rồi sau đó cũng chuyển electron cho hệ xitocrom
Do riboflavin có màu vàng và là nhóm ngoại của các enzim flavin nên các enzim này gọi tên là enzim “vàng” hay flavoproteit trong các flavin người ta phân biệt flavinadenindinucleotit(FAD) và flavinmononucleotit(FMN).
Đa số flavoproteit chứa FAD và có một số ít chứa FMN trong thành phần dạng oxy
hóa của flavin nhận electron và proton từ NAD.H2 hay NADP.H2 và chuyển thành
dạng khử ( không màu ) khi ấy xảy ra sự phân bố lại electron trong izalloxazin:
H3C N N O H3C N NH O
+2H
H3C N NH -2H H3C NH NH
O O
Ở ti thể , NAD.H2 bị oxy hóa bởi NAD.H2 - xitocrom c : reductaza hay là
NAD.H2 - dehydrogenaza . các enzim này tách từ ti thể phức hợp NAD.H2 - xitocrom
c: reductaza gồm có :
- NAD.H2 - dehydrogenaza-flavoproteit(FN) chứa FMN;
- xitocrom b và C1 ; - Ubikinon- coenzim Q; - sắt phihem( Fep.h).
Một số phản ứng do dehydrogenaza flavin xúc tác , như phản ứng khử hydro của axetyl-coenzim A không chỉ có nhóm ngoại của dehydrogenaza mà cần có cả
flavoproteit thực hiện việc chuyển electron từ FAD.H2 - dehydrogenaza sang hệ
xitocrom. Vì thế flavoproteit này gọi là flavoproteit chuyển vận electron hay flavin chuyển vận electron.
Flavoprotein có thể bỏ qua dehydrogenaza piridin( piridinnucleotit) mà tương tác trực tiếp với cơ chất hô hấp. ví dụ suxinatdehydrogenaza oxy háo trực tiếp suxinat bằng cách chiếm lấy hydro của nó rồi chuyển cho hệ xitocrom Và oxy không khí phức hợp enzim xúc tác suxinat bao gồm suxinatdehydrogenaza ( có nhóm ngoại FAD),
xitocrom C1, b, C, Ubikinon, Fe phihem và xitocromdehydrogenaza.
Cơ chế tác dụng của xinatdehydrogenaza: enzim này khử xitocrom khi có mặt suxinat; xitocrom khử tới lượt minh lại bị oxy hóa bởi xitocromdehydrogenaza
COOH COOH CH2 dehydrogenaza CH + ½ O2 + H2 O CH2 CH COOH COOH
Axit suxinic Axit fumaric
nói chung , các dehydrogenaza flavin thường xúc tác cho phản ứng khử hydro của cơ chất có cấu trúc - CH2 - CH2 - thành sản phẩm có cấu trúc - CH= CH- H H C C + FAD C C H H H H No không no
Các enzyme hoạt hóa oxy phân tử là những enzyme có khả năng chuyển trực tiếp hydro (hoặc electron) cho oxy phân tử cũng như hoạt hóa oxy phân tử làm cho nó có khả năng kết hợp trực tiếp vào cơ chất tạo ra peroxyt hữu cơ.
Các enzyme hoạt hóa oxy tiêu biểu là xitocromoxydaza, polyphenoloxydaza, ascorbatoxydaza, peroxydaza, catalaza, các oxydaza flavin (enzyme flavin hiếu khí).
Nhóm enzyme hoạt hóa oxy bao gồm một số lượng lớn enzyme khác nhau. Tùy thuộc vào bản chất của kim loại có trong thành phần nhóm ngoại của chúng mà các oxydaza cuối có thể chia làm hai nhóm nhỏ:
• Sắt proteit (Fe – proteit)
• Đồng proteit (Cu – proteit).
Fe – proteit
Fe – proteit là những chất xúc tác hai cấu tử có nhóm ngoại là hemin (Fe – pocphirin).
Trong quá trình xúc tác, Fe của enzyme chịu những chuyển hóa oxy hóa khử thuận nghịch.
Hệ xitocrom và catalaza, peroxydaza là những Fe – proteit quan trọng thuộc nhóm này.
Hệ xitocrom
Chỉ có một số nhỏ enzyme flavin ở dạng khử có khả năng chuyển hydro nhận được của mình cho oxy không khí. Nhìn chung, giữa các dehydrogenaza flavin và oxy không khí còn có một hệ enzyme trung gian nữa đó là hệ xitocrom.
Xitocrom – chất màu tế bào – là những pfotit phức tạp có nhóm ngoại là hemin. Cấu tạo của xitocrom c là một trong những xitocrom có thể biểu diễn bằng sơ đồ sau:
Hiện nay, người ta đã biết được trên 20 xitocrom khác nhau. Xitocrom rất phổ biến trong tự nhiên. Chúng có trong động vật, thực vật, nấm men, vi khuẩn hiếu khí và một số vi khuẩn kỵ khí bắt buộc.
Vai trò của các xitocrom trong tế bào sống là chuyển electron cho oxy. Fe của
xitocrom có khả năng oxy hóa – khử thuận nghịch. Dạng oxy hóa (chứa Fe3+) của
xitocrom nhận electron từ nguyên tử hydro của dehydrogenaza flavin và chuyển sang
dạng khử, khi đó Fe3+ chuyển thành Fe2+ (Fe3+ + e → Fe2+).
Nguyên tử hydro của flavin bị lấy mất electron trở thành ion hydro:
H – e → H+. Dạng khử (chứa Fe2+) của xitocrom chuyển electron nhận được cho
dạng oxy hóa của xitocrom thứ hai đứng sau nó và lại trở về dạng oxy hóa ban đầu, lúc này Fe2+ chuyển thành Fe3+ (Fe2+ - e → Fe3+).
Do có khả năng oxy hóa khử thuận nghịch nên quang phổ hấp thụ của chúng thay đổi và nhờ những nghiên cứu về quang phổ hấp thụ, người ta nhận biết được ba
nhóm xitocrom chính là a, b và c. Keilin tìm ra xitocrom a, b, và c1. Okunuki tìm ra
xitocrom c. Ngày nay, người ta mới chỉ biết chính xác được 5 xitocrom nhóm c, 8 xitocrom nhóm b, và 3 xitocrom nhóm a. Ngoài ra, trong thực vật, nấm men và vi khuẩn người ta còn tìm được xitocrom f.
Trong hệ hô hấp thường có bốn xitocrom: b, c1, c và aa3. các xitocrom trong chuỗi hô hấp tương ứng với thế oxy hóa khử của chúng. Các xitocrom thường kết gắn trên màng ti thể. Ở vi khuẩn chúng khu trú trên màng vi khuẩn.
Trong quá trình oxy hóa sinh học, electron từ enzyme flavin trung gian chuyển
cho xitocrom b rồi lần lược qua c1, c đến xitocromoxydaza (aa3) là một oxydaza cuối.
Xitocromoxydaza chuyển electron trực tiếp cho oxy phân tử. Oxy kết hợp với electron dưới tác dụng của xitocromoxydaza bị ion hóa và sau đó liên kết với ion hydro tạo thành nước:
½ O2 + 2e → O2-
2H+ + O2- → H2O.
Peroxydaza
Hiện nay, người ta đã biết có ít nhất là bốn peroxydaza:
• Peroxydaza thực vật thượng đẳng
• Peroxydaza mô động vật (vecdoperoxydaza)
• Peroxydaza của sữa (lactoperoxydaza)
• Xitocromoxydaza (có trong nấm men và một số thực vật thượng đẳng).
Peroxydaza là những enxyme hai cấu tử hem và protein. Về phương diện thành phần hóa học và cơ chế tác dụng thi peroxydaza được nghiên cứu kỹ hơn cả. Nhóm ngoại của enzyme này hoàn toàn giống Fe – pocfirin (hemin đỏ) của hemoglobin và catalaza. Fe trong peroxydaza ở dạng hóa trị ba. Theo quan điểm của đa số các nhà nghiên cứu thì hóa trị của Fe trong nhóm ngoại của peroxydaza không thay đổi trong quá trình xúc tác.
Cơ chế tác dụng của peroxydaza có thể khái quát như sau :
AH2 + H2O → A + 2H2O
Như vậy là peroxydaza xúc tác sự oxy hóa cơ chất bằng hydro peroxyt. Trong đó, nó phân hủy hydro peroxyt :
2H2O2 → 2H2O + 2O
giải phóng ra oxy nguyên tử. Sau đó, oxy nguyên tử oxy hóa thành các chất khác nhau.
Các cơ chất có thể bị oxy hóa bởi peroxydaza khi có hydro peroxyt là:
• Hầu hết các phenol ( pirocatechin, pirogalol, acid galic, benzidin,
phenilendiamin, …)
• Các amin thơm
Theo Bach, peroxydaza có vai trò quan trọng bậc nhất đối với các quá trình oxy hóa xảy ra trong cơ thể. Enzyme này có thể xúc tác sự oxy hóa không những chỉ nhờ hydro peroxyt mà còn nhờ peroxyt hữu cơ khác . Nó có thể sử dụng cả peroxyt của acid béo không no tạo thành dưới tác dụng của lipoxydaza peroxyt của carotenoit. Polyphenol ở trạng thái tự do cũng như ở các dạng hợp chất phức tạp (glucozit, chất chát, …) và các amin thơm là những cơ chất phổ biến của peroxydaza thực vật.
Ngoài ra, peroxydaza còn có khả năng hoạt động như là oxydaza thực thụ, nghĩa là xúc tác sự oxy hóa cơ chất bằng oxy phân tử khi không có hydro peroxyt.
Các quá trình oxy hóa khử do peroxydaza tiến hành là những mắt xích quan trọng trong chuỗi các quá trình trao đổi chất và năng lượng.
Catalaza
Catalaza cũng như peroxydaza, rất phỏ biến trong động vật (nhiều ở gan, thận, hồng cầu), thực vật, vi sinh vật và một số vi khuẩn yếm khí bắt buộc.
Catalaza cũng là hemoprotit giống như peroxydaza. Catalaza của thực vật chỉ chứa một nhóm hemin trong phân tử. Còn catalaza động vật lại có bốn hemin. Trong quá trình xúc tác Fe của nhóm ngoại không thay đổi hóa trị.
Catalaza xúc tác sự phân hủy hydro peroxyt, giải phóng ra oxy phân tử. Catalaza có hai tác dụng:
- Khi nồng độ H2O2 cao, nó xúc tác phân hủy H2O2 tạo ra oxy phân tử theo cơ
chế sau:
2H2O2 → 2H2O + O2
Trong phản ứng này có hai phân tử H2O2 tham gia một phân tử H2O2 hoạt động
như là chất nhường electron, phân tử kia – chất nhận electron.
- Nếu nồng độ H2O2 thấp (không quá 10-9M), catalaza biểu lộ hoạt tính
peroxydaza. Trong điều kiện sinh học (dư cơ chất, nồng độ H2O2 thấp) catalaza hoạt
động hầu như giống peroxydaza. Keilin và Hartree đã chỉ rõ rằng catalaza có khả năng oxy hóa rượu etylic, metylic cũng như formandehit khi có hydro peroxyt được hình thành dưới tác dụng của các oxydaza flavin (alcoldehydrogenaza, xantioxydaza, oxydaza của các axitamin).
Peroxyt tạo thành trong các phản ứng trao đổi chất ở nồng độ nhất định là chất độc
đối với cơ thể, do vậy phải vai trò của catalaza là ngăn ngừa sự tích tụ H2O2.
Cu – proteit
Cu – proteit là những enzyme là những oxydaza cuối rất quan trọng, có chứa nguyên tử đồng trong nhóm ngoại. Các chất tiêu biểu của nhóm enzyme này là polyphenoloxydaza, ascorbatoxydaza.
Polyphenoloxydaza
Polyphenoloxydaza (còn gọi là phenolaza hay phenoloxydaza) xúc tác sự õ hóa các polyphenol khác nhau các dẫn xuất của chúng, cũng như một loạt các monophenol tạo thành các kinon tương ứng khi có oxy phân tử. Chúng khá phổ biến trong thực vật thượng đẳng và vi khuẩn. Polyphenoloxydaza không có tính đặc hiệu cơ chất cao.
Đa số các nhà nghiên cứu cho rằng cơ sở tác dụng của các polyphenoloxydaza là
sự oxy hóa thuận nghịch nguyên tử đồng hóa trị một (Cu+) thành đồng hóa trị hai
(Cu2+). Có một số người cho rằng ion đồng liên kết bền vững với protein của enzyme và
không thay đổi hóa trị khi phản ứng. Theo quan điểm thứ nhất, phản ứng oxy hóa pirocatechin (một ví dụ điển hình về sự xúc tác của polyphenoloxydaza):
2Cu+ + 2H+ + ½O2 → 2Cu2+ + H2O
Trong điều kiện hô hấp bình thường, các kinon xuất hiện khi oxy hóa polyphenol
lập tức bị khử ngay bởi NAD.H2 và NADP.H2 (các chất này thường bị oxy hóa trong
chuỗi hô hấp), rồi lại bị oxy hóa cho hydro, sau đó lại bị khử, … và từ đây mở ra những đường hướng oxy hóa phụ:
Cở chất → dehydrogenaza piridin → octokinon → Cu – proteit
(polyphenoloxydaza) → O2
Polyphenoloxydaza và polyphenol có trong quả và lá cây, nên khi rau quả bị dập, nát, cắt, thái, … thì sự phối hợp giữa các giai đoạn oxy hóa và khử của sự hô hấp bị phá vỡ, do đó các octokinon được tạo nên khi oxy hoá polyphenol có thể trùng hợp với các chất không có bản chất phenol như axitamin, các amin để hình thành các sản phẩm có màu. Đây là nguyên nhân của hiện tượng thâm đen thường thấy khi cắt táo, khoai tây, khi vò lá chè, thuốc lá, … Hoạt lực xúc tác của polyphenoloxydaza trong các đối tượng này rất cao.
Trong nhóm polyphenoloxydaza có những enzyme oxy hóa các monophenol goi là monophenoloxydaza. Tirozinaza là chất điển hình, nó xúc tác sự oxy axitamin tirozin tạo ra kinon tương ứng (tirozinaza có trong vi khuẩn, nấm men, bột mì và trong động vật).
Sau một loạt chuyển hóa các kinon này cho ra chất xám màu đen gọi là melanin. Đây là nguyên nhân bị thâm đen của bột mì khi bảo quản không tốt.
Polyphenoloxydaza đóng vai trò quan trọng trong hoạt động của cơ thể thực vật. Nhiều tác cho rằng polyphenoloxydaza hoàn thành chức năng của oxydaza cuối, cùng với xitocromoxydaza và ascorbatoxydaza.
Ascorbatoxydaza
Ascorbatoxydaza có chứa trong hầu hết các mô xanh của thực vật và trong tảo nâu, tảo hồng ; có nhiều trong cải bắp, súplơ, bầu bí, dưa chuột, chuối, táo, cà rốt, đào,