Enzyme là chất xúc tác sinh học (biocatalysators), nó cho phép các phản ứng cần thiết cho sự sống và sự sinh sản của tế bào diễn ra ở một vận tốc cao và với tính chất đặc thù không tạo ra sản phẩm phụ như ở các phản ứng thông thường.
Enzyme có mặt trong tế bào của mọi sinh vật, không những chỉ xúc tác cho phản ứng trong cơ thể sống mà còn xúc tác cho cả các phản ứng ngoài tế bào (in vitro).
Bản chất enzyme là protein có cấu trúc bậc I, bậc II, bậc III và đôi khi bậc IV.
Đôi khi thành phần protein này không đủ cho hoạt động xúc tác của enzyme mà
cần phải có sự hiện diện của một “đồng yếu tố” (cofactor) (Nguyễn Phước Nhuận và ctv, 2003).
2.3.2 Enzyme protease
♦ Giới thiệu chung
Hình 2.5 Cấu trúc protease của Aspergillus Oryzae Aspartic
Nhóm enzyme protease (peptit – hidrolase 3.4) xúc tác quá trình thuỷ phân liên kết liên kết peptit (-CO-NH-)n trong phân tử protein, polypeptit đến sản phẩm cuối cùng là các axit amin. Ngoài ra, nhiều protease cũng có khả năng thuỷ phân liên kết este và vận chuyển axit amin.
Protease cần thiết cho các sinh vật sống, rất đa dạng về chức năng từ mức độ tế bào, cơ quan đến cơ thể nên được phân bố rất rộng rãi trên nhiều đối tượng từ vi sinh vật (vi khuẩn, nấm và virus) đến thực vật (đu đủ, dứa...) và động vật (gan, dạ dày bê...). So với protease động vật và thực vật, protease vi sinh vật có những đặc điểm khác biệt. Trước hết hệ protease vi sinh vật là một hệ thống rất phức tạp bao gồm nhiều enzyme rất giống nhau về cấu trúc, khối lượng và hình dạng phân tử nên rất khó tách ra dưới dạng tinh thể đồng nhất. Cũng do là phức hệ gồm nhiều enzyme khác nhau nên protease vi sinh vật thường có tính đặc hiệu rộng rãi cho sản phẩm thuỷ phân triệt để và đa dạng.
♦ Phân loại Protease
Dixon phân loại protease theo vị trí tác động. Theo đó, protease được phân chia thành hai loại: Endopeptidase và Exopeptidase.
* Endopeptidase cắt các liên kết peptide nằm sâu trong mạch polypeptide. Dựa vào động học của cơ chế xúc tác, endopeptidase được chia thành bốn nhóm:
+ Serin proteinase: là những proteinase chứa nhóm –OH của gốc serine trong trung tâm hoạt động và có vai trò đặc biệt quan trọng đối với hoạt động xúc tác của enzyme. Nhóm này bao gồm hai nhóm nhỏ: chymotrypsin và subtilisin. Nhóm chymotrypsin bao gồm các enzyme động vật như chymotrypsin, trypsin, elastase.
Nhóm subtilisin bao gồm hai loại enzyme vi khuẩn như subtilisin Carlsberg, subtilisin BPN. Các serine proteinase thường hoạt động mạnh ở vùng kiềm tính và thể hiện tính đặc hiệu cơ chất tương đối rộng.
+ Cysteine proteinase: Các proteinase chứa nhóm –SH trong trung tâm hoạt động. Cystein proteinase bao gồm các proteinase thực vật như papayin, bromelin, một vài protein động vật và proteinase ký sinh trùng. Các cystein proteinase thường hoạt động ở vùng pH trung tính, có tính đặc hiệu cơ chất rộng.
+ Aspartic proteinase: Hầu hết các aspartic proteinase thuộc nhóm pepsin.
Nhóm pepsin bao gồm các enzyme tiêu hóa như: pepsin, chymosin, cathepsin, renin. Các aspartic proteinase có chứa nhóm carboxyl trong trung tâm hoạt động và thường hoạt động mạnh ở pH trung tính.
+ Metallo proteinase: Metallo proteinase là nhóm proteinase được tìm thấy ở vi khuẩn, nấm mốc cũng như các vi sinh vật bậc cao hơn. Các metallo proteinase thường hoạt động vùng pH trung tính và hoạt độ giảm mạnh dưới tác dụng của EDTA.
* Exopeptidase thủy phân liên kết peptide ở hai đầu tận cùng của mạch polypeptide. Dựa vào vị trí tác động trên mạch polypeptide, exopeptidase được phân chia thành hai loại:
+ Aminopeptidase: xúc tác thủy phân liên kết peptide ở đầu N tự do của chuỗi polypeptide để giải phóng ra một amino acid, một dipeptide hoặc một tripeptide.
+ Carboxypeptidase: xúc tác thủy phân liên kết peptide ở đầu C của chuỗi polypeptide và giải phóng ra một amino acid hoặc một dipeptide.
Ngoài ra, protease được phân loại một cách đơn giản hơn thành ba nhóm:
- Protease acid: pH 2-4 - Protease trung tính: pH 7-8 - Protease kiềm: pH 9-11
2.3.3 Chức năng sinh học của protease vi khuẩn
Theo nhiều tác giả, protease có rất nhiều chức năng rất quan trọng đối với sự sống.
- Protein ngoại bào: có chức năng phân giải protein và cơ chất cao phân tử khác có trong môi trường dinh dưỡng thành các dạng phân tử thấp để vi sinh vật hấp thụ (Tiêu Thị Ngọc Thảo, 2008).
- Protease nội bào: thường là các peptidase và protease ở dạng tự do hoặc liên kết với các ribosome. Cho đến hiện nay, vẫn chưa biết hết được vai trò của nó.
+ Phân giải peptide từ môi trường ngoài thành amino acid để tổng hợp protein hoặc dùng làm nguồn C, N, S giúp vi sinh vật thích nghi với điều kiện thay đổi của môi trường. Việc phân hủy các protein lạ có tác dụng loại trừ tác động của các độc tố ảnh hưởng đến cơ thể vi sinh vật.
+ Tham gia cải tiến protein, enzyme. Vì vậy protease rất có ý nghĩa trong hình thành và nảy mầm của bào tử vi sinh vật.
+ Phân hủy các protein vô dụng.
2.2.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hoạt động của enzyme protease Theo Tiêu Thị Ngọc Thảo, 2008, các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hoạt động của enzyme protease là:
♦ Nhiệt độ
Đa số các enzyme protease hoạt động ở nhiệt độ thích hợp là từ 30 -50 C, hoạt o
động mạnh nhất khoảng 40oC. Ở nhiệt độ cao protease sẽ bị biến tính, mất hoạt tính
và nhiệt độ đó được gọi là nhiệt độ tới hạn. Dưới 0oC hoạt tính của enzyme sẽ giảm.
♦ pH
Quá trình hoạt động của enzyme phụ thuộc rất rõ rệt vào pH. pH ảnh hưởng đến mức độ ion hóa của cơ chất, trung tâm hoạt động của protease, phức chất giữa protesae và cơ chất, độ bền của enzyme. Hầu hết các enzyme hoạt động ở pH trung tính từ 6,2 - 7,4, pH thích hợp nhất của nhiều enzyme là gần bằng 7.
♦ Thời gian hoạt động
Quá trình hoạt động của enzyme phụ thuộc vào độ bền hoạt tính của protease.
Thông thường, hoạt tính của enzyme giữ từ 60 -82 giờ, sau đó giảm dần. Hoạt tính mỗi enzyme chỉ mạnh ở một thời gian xác định.
♦ Bản chất protease
Các enzyme có bản chất khác nhau sẽ có hoạt độ khác nhau. Các protease cố định có hoạt độ cao hơn các protease tự do.
♦ Chất hóa học
Các chất hóa học trong môi trường đều ảnh hưởng đến hoạt tính của protease:
acid, kiềm đặc, muối kim loại nặng nồng độ cao đều có thể làm protease mất hoạt tính.
2.3.5 Các ứng dụng của enzyme protease
Hiện nay, việc sản xuất chế phẩm ezyme các loại đã và đang phát triển mạnh mẽ trên quy mô công nghiệp. Các chế phẩm ezyme phổ biến như amylase, protease, catalase, lipase, glucoseoxydase các chế phẩm enzyme này không chỉ ứng dụng trong y học mà còn ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghiệp khác nhau, trong nông nghiệp, trong hóa học…
♦ Trong y học:
Sản xuất chất hoạt hóa hoặc kìm hãm protease, sản xuất thuốc tăng khả năng tiêu hoá, thuốc phân hủy máu đông, ngăn nghẽn mạch, tiêu mủ các vết thương, ổ viêm.
♦ Trong hóa học:
Việc ứng dụng enzyme trong hóa học là do enzyme có cảm ứng cao đối với nhiệt độ, pH và những thay đổi khác của môi trường. Một trong những ứng dụng đáng chú ý nhất là dùng chất mang để gắn phức enzyme xúc tác cho phản ứng nhiều bước. Ví dụ tổng hợp glutathion, acid béo, alcohol, amino acid…
Trong nghiên cứu cấu trúc hóa học, người ta sử dụng protease để nghiên cứu cấu trúc protein, dùng endonuclease để nghiên cứu cấu trúc nucleic acid, dùng làm thuốc thử trong phân tích.
♦ Trong công nghiệp thực phẩm:
• Trong sản xuất nước giải khát: protease được ứng dụng trong sản xuất bia.
• Sử dụng protease trong chế phẩm làm mềm thịt, công nghệ sản xuất các dịch thủy phân giàu protein.
• Trong chế biến cá, làm nước mắm, protease được ứng dụng để tăng khả năng thủy phân của chượp cá.
♦ Trong ngành thuộc da:
Protease giúp làm mềm, sạch, tẩy trắng lông, da. Hiện nay, một số cơ sở thuộc da đã ứng dụng enzyme protease và kết quả đem lại hiệu quả rất tốt.
♦ Trong công nghiệp dệt:
Protease thủy phân lớp protein serinsin làm dính bét sợi tơ, làm bong và tách rời sợi tơ tằm giúp giảm đáng kể lượng hóa chất cho vào trong quá trình sản xuất
♦ Trong công nghiệp mỹ phẩm:
Protease được ứng dụng trong sản xuất xà phòng giặt, tắm, bôi dưỡng da, kem đánh răng do nó có khả năng tẩy mồ hôi, vết bẩn protein, tẩy bỏ lớp biểu bì chết, làm cho da sạch, mịn.
♦ Trong kỹ nghệ phim ảnh:
Protease giúp tái sinh các nguyên liệu như phim ảnh, phim Rơnghen…Các enzyme này giúp phân giải lớp nhũ tương gelatin trên phim, giấy ảnh.
♦ Trong nông nghiệp:
Sử dụng các chế phẩm enzyme khác nhau để chuyển hóa phế liệu, đặc biệt là các phế liệu nông nghiệp cải tạo đất phục vụ nông nghiệp, sản xuất phân hữu cơ thay thế phân hóa học. Bổ sung enzyme trong sản xuất thức ăn chăn nuôi.