1.1.4.1. Cấu tạo hoá học của enzyme
Enzyme là chất xúc tác sinh học, nhờ có enzyme mà các phản ứng sinh hóa học xảy ra với một tốc độ rất nhanh, chính xác, nhịp nhàng, hiệu quả cao và tiết kiệm năng lượng (Trần Tố, 2008 [22]).
Theo tác giả Lương Đức Phẩm (1982)[9] enzyme còn gọi là fecenzyme
thường gọi tắt là “enzyme”. Những tên gọi này tuy khác nhau nhưng cùng một ý nghĩa. Enzyme từ chữ Hy Lạp có nghĩa là “trong nấm enzyme”, còn fecenzyme có nghĩa là “lên enzyme” theo chữ Latin. Như vậy enzyme, fecenzyme, enzyme đều có chung một nghĩa.
Bản chất của enzyme là protein vì cũng được cấu tạo từ các acid amin. Nó là thành phần cấu trúc của màng, trong ty lạp thể, trong máu, trong sinh dịch...
Trong cuộc sống sinh vật xảy ra rất nhiều phản ứng hóa học, với một hiệu suất rất cao, mặt dù ở một điều kiện bình thường về nhiệt độ, áp suất, pH. Sở dĩ như vậy vì nó có sự hiện diện của chất xúc tác sinh học được gọi chung là
enzyme.
Như vậy, enzyme là các protein xúc tác các phản ứng hóa học. Trong các phản ứng này, các phân tử lúc bắt đầu của quá trình được gọi là cơ chất (substrate), enzyme sẽ biến đổi chúng thành các phân tử khác nhau. Tất cả các quá trình trong tế bào đều cần enzyme. Enzyme có tính chọn lọc rất cao đối với cơ chất của nó.
1.1.4.2. Tính đặc hiệu của enzyme
Enzyme là những protein có khả năng xúc tác đặc hiệu cho các phản ứng hoá học là chất xúc tác sinh học, bản chất hoá học của phần lớn enzyme là protein, nó chỉ được xác định đúng đắn từ sau khi kết tinh được enzyme. Giống như các protein hình hạt khác, các enzyme có thể hoà tan trong nước, trong dung dịch
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
muối loãng, nhưng không tan trong dung môi không phân cực, dung dịch enzyme có tính chất của dung dịch keo của nước. Khi hoà tan enzyme vào nước, các phân tử nước lưỡng cực sẽ kết hợp với cacbon, các nhóm ion hoặc các nhóm phân cực trong phân tử enzyme tạo thành lớp vỏ hydrat, lượng nước hydrat này có vai trò quan trọng đối với các phản ứng sinh hoá.
Tính đặc hiệu cao của enzyme là một trong những thành phần chủ yếu giữa enzyme với các xúc tác khác. Mỗi enzyme chỉ có khả năng chuyển hóa một số chất nhất định, theo kiểu phản ứng nhất định. Đặc tính tác dụng lựa chọn cao này gọi là tính đặc hiệu hoặc tính chuyển hoá của enzyme. Các yếu tố ảnh hưởng đến vận tốc, phản ứng, nồng độ enzyme, bản chất và nồng độ các chất phản ứng, nhiệt độ, pH của môi trường, các ion kim loại, các chất vô cơ và hữu cơ khác.
Đa số các enzyme có tính chọn lọc đối tượng tác động một cách rõ rệt, mỗi một enzyme chỉ tác động lên một cơ chất, một kiểu phản ứng hoặc một loại phản ứng, có nghĩa là tác dụng của enzyme có tính đặc hiệu. Hiện tượng này có liên quan đến cấu trúc phân tử và trung tâm hoạt động của enzyme.
Có 4 kiểu đặc hiệu của enzyme:
- Đặc hiệu tuyệt đối: Mỗi enzyme chỉ xúc tác phản ứng cho một loại cơ
chất nhất định.
Ví dụ: Enzyme urease chỉ phân hoá urea chứ không ảnh hưởng tới metylurea.
- Đặc hiệu tương đối: Enzyme loại này xúc tác phân hóa một kiểu liên kết,
không chịu ảnh hưởng của chất tạo ra liên kết đó.
Ví dụ: Nhóm esterase có lipase cắt mạch este giữa acid béo và rượu (acid béo có thể dài ngắn khác nhau, rượu có thể glycerin hoặc rượu vòng...). Tuy vậy tốc độ phản ứng có thay đổi.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
- Đặc hiệu theo kiểu phản ứng: Enzyme loại này chỉ tác động lên một kiểu phản ứng nhất định.
Ví dụ: Enzyme khử quan tác động lên nhiều acid quan khác nhau
- Đặc hiệu theo kiểu hình học không gian: Enzyme loại này chỉ tác động chọn lọc lên một kiểu của cơ chất, nếu cơ chất này có nhiều đồng phân không gian.
Ví dụ: L- arginin bị phân hoá bồi L- arginase thành omitin và urea, còn D- arginin enzyme này không phân hóa.
Hoặc enzyme lactat-dehydrogenase của bắp thịt chỉ xúc tác chuyển acid lactic kiểu L (+) thành acid pyruvic nhưng không tác động lên kiểu D (-).
1.1.4.3. Cơ chế hoạt động xúc tác của enzyme
Sự kết hợp của cơ chất (S) vào trung tâm hoạt động của enzyme (E) tạo thành phức chất enzyme - cơ chất (ES) là giai đoạn đầu tiên của phản ứng do E xúc tác. Điều này đã được xác nhận qua nhiều dẫn liệu thực nghiệm nhận được khi dùng các phương pháp hoá lý khác nhau. Trong một số trường hợp đã quan sát được phức ES dưới kính hiển vi điện tử hoặc tách được phức ES. Phức ES rất kèm bền vững, nhanh chóng chuyển hoá giải phóng sản phẩm được tạo thành và enzyme tự do, E lại quay vòng xúc tác.
Các loại liên kết chủ yếu được tạo thành giữa E và S trong phức ES là: tương tác tĩnh điện, liên kết hiđro, tương tác Vanđecvan. Mỗi loại liên kết đòi hỏi những điều kiện khác nhau và chịu ảnh hưởng khác nhau khi có nước.
* Tương tác tĩnh điện: Liên kết này được tạo thành giữa nhóm tích điện của cơ chất với nhóm tích điện trái dấu trong phân tử enzyme. Ví dụ trong phản ứng thuỷ phân đipeptit glixit - L - tirosin do cacboxipeptidase A xúc tác, nhóm cacboxyl tích điện âm của cơ chất tương tác với nhóm guanisin tích điện dương của gốc arginin trong phân tử enzyme.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
* Liên kết hiđro được tạo thành theo kiểu A - H … B trong đó hiđro kết hợp với A bằng liên kết cộng hoá trị. Đồng thời tạo thành liên kết yếu với B.
Liên kết hiđro được tạo thành khi khoảng cách giữa A và B vào khoảng 3A0
. Vai trò của liên kết hiđro trong tương tác giữa enzyme và cơ chất được minh hoạ rõ ràng trong tương tác giữa ribonuclease tụy tạng với phần uridin trong cơ chất của nó. Ba liên kết hiđro được tạo thành như sau:
- Giữa nhóm - NH - Trong liên kết peptit của enzyme với nhóm cacboxil của uridin.
- Giữa nhóm - NH- của uriđin với nhóm -OH của treonin trong phân tử enzyme.
- Giữa nhóm -OH trong gốc xerin của enzyme với nhóm cacbonil của uriđin.
* Tương tác Vanđecvan yếu và ít đặc hiệu hơn tương tác tĩnh điện và liên kết hiđro. Vai trò tương tác này thể hiện rõ khi nhiều nguyên tử của cơ chất có thể đồng thời tiếp cận với nhiều nguyên tử của enzyme. Điều này chỉ có thể xảy ra khi có sự ăn khớp về hình dạng giữa cơ chất và enzyme. Vì vậy, mặc dù 1 tương tác Vanđecvan không có tính đặc hiệu nhưng tính đặc hiệu tăng lên khi có điều kiện để đồng thời tạo thành lượng lớn tương tác Vanđecvan.
* Đối với enzyme tổng hợp: Enzyme tổng hợp thường được gọi là enzyme ngoại sinh để phân biệt với enzyme nội sinh, là những enzyme sinh ra trong cơ thể.
Enzyme tổng hợp làm tăng tỷ lệ tiêu hoá thức ăn và năng suất động vật theo hai cơ chế:
Một là kết hợp với enzyme nội sinh phân giải các hợp chất thành những chất có kích thước đủ nhỏ để hấp thu. Như vậy, việc lựa chọn enzyme thức ăn sao cho có tác dụng hỗ trợ cho enzyme nội sinh trong việc phân giải chất dinh dưỡng của thức ăn là cần thiết.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Hai là enzyme thức ăn phải giảm được độ nhớt sinh ra trong quá trình tiêu hoá thức ăn vì chính độ nhớt sinh ra trong quá trình tiêu hoá (digesta viscosity) cản trở sự hấp thu thức ăn. Một vài hợp chất khi giải phóng khỏi vách tế bào đã hình thành các gel làm tăng độ nhớt trong ruột. Thường các khẩu phần chứa nhiều polysacharide không phải tinh bột (non- starch polysaccharides - NSP) gây ra hiện tượng này. Động vật non, đặc biệt là gia cầm rất nhậy cảm với sự biến đổi độ nhớt sinh ra trong quá trình tiêu hoá.
Để tăng cường hai cơ chế trên, enzyme thức ăn thường được sản xuất dưới dạng những chế phẩm đa enzyme (multienzyme) để phân giải đồng thời nhiều
hợp chất. Ví dụ: nếu dùng -glu- canase thì chỉ phá vỡ được vách nội nhũ của
hạt đại mạch mà không phân giải được protein chứa trong tế bào chất (aleuronne layer), để phân giải được pro- tein trong lớp tế bào chất này phải cần thêm cả enzyme cellulase và pentosanase.
Và ngoài ra phải đặc biệt quan tâm đến mối quan hệ tương tác giữa enzyme với các thực liệu khác nhau trong khẩu phần. Ví dụ bổ sung pentosanase vào khẩu phần lúa mạch đen thì thấy có ảnh hưởng xấu đến pH, độ nhớt và tỷ lệ
tiêu hoá chất khô khẩu phần lợn con, tuy nhiên bổ sung -glucanase vào khẩu
phần lúa mạch đen hay pentosanase hay -glucanase vào khẩu phần đại mạch thì
không thấy có ảnh hưởng xấu trên đây.
1.1.4.4. Các yếu tố tác động đến tốc độ phản ứng enzyme
Enzyme cũng như mọi chất xúc tác có nguồn gốc vô cơ khác, chỉ ảnh hưởng tới tốc độ phản ứng, làm hệ thống phản ứng chóng đạt đến giai đoạn cân bằng động. Tuỳ theo yếu tố nồng độ và trạng thái cân bằng hoá học mà enzyme làm tăng tốc độ theo hướng này hoặc hướng khác.
Nhưng vì enzyme là những chất xúc tác sinh học có bản chất protein và hoạt động xúc tác ở các vật thể sống nên chúng chịu tác động của một số yếu tố
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
như nhiệt độ: Nếu nhiệt độ cao (> 70 - 80oC) làm enzyme bị tê liệt và phá huỷ do rối loạn về cấu trúc phân tử, làm hỏng trung tâm hoạt động được tạo nên từ các acid amin. Nếu tác động của nhiệt chưa thật sâu sắc thì enzyme có khả năng khôi phục lại cấu trúc và do đó hoạt động xúc tác của enzyme vẫn còn.
Enzyme cũng rất nhạy cảm với phản ứng môi trường và mỗi enzyme có vùng pH hoạt động tốt nhất riêng cho mình nên khi pH thay đổi sẽ ảnh hưởng tới độ phân ly các nhóm chức cấu tạo nên trung tâm hoạt động của enzyme.
Ngoài ra enzyme còn chịu tác động của nồng độ cơ chất, với một lượng xúc tác rất nhỏ cũng có khả năng thực hiện phản ứng cho một lượng cơ chất lớn gấp nhiều lần.