Protein là một chuỗi polymer dài, mà bao gồm các nhóm amino gắn với nhau bởi các liên kết peptid. Phản ứng liên quan đến việc phá vỡ chuỗi các nhóm amino này thành các mạch, nhánh nhỏ hơn sử dụng nước được gọi là sự thủy phân protein.
H2N – CH – CO – NH – CH – CO – … – NH – CH – COOH + (n -1) H2O
R1 R2 Rn
enzyme H2N – CH – COOH + H2N – CH – COOH + …+ H2N – CH – COOH
R1 R2 Rn
Trong môi trường nước sự thủy phân protein sẽ xả y ra như trong hình 1.1 R1 H R2 R1 H R2
- C - C – N – C - + H- O- H - C – C – OH + H – N – C - H O H H O H
Protein Nư ớc Axitcacboxylic Amino
Hình 1.1. Phản ứng thủy phân protein
Trong suốt quá trình phản ứng, liên kết peptid sẽ được tách ra do sự tấn công neucleophilic bởi phân tử nước, tạo thành acid carboxylic và amin. Nhóm carboxyl và nhóm amino t ự do hình thành sau quá trình thủy phân sẽ nhiều
Nucleo philic
hơn hay ít ion hóa hơn, ph ụ thuộc vào pH của phản ứng thủy phân. Từ đây sẽ hình thành anion RCOO- và cation R-NH3 +.
Theo Alder – Nissen, thêm nước vào trong quá trình thủy phân protein có liên quan đến sự tấn công nucleophilic, các nhóm amino tự do ( -NH2) có thể cũng hoạt động như nucleophilic phản ứng trực tiếp với protein để tách các liên kết peptid. Phản ứng này cũng được xem như sự vận chuyển các peptid sinh ra anion RCOO - và cation R-NH3+. Vì vậy, trong quá trình thủy phân protein, các nhóm amino t ự do hình thành cũng hỗ trợ cho sự phá vỡ, cắt mạch protein. Sự thủy phân protein diễn ra rất chậm ở điều kiện bình thường, ví dụ pH trung tính và nhiệt độ phòng. Sử dụng enzyme chắc chắn sẽ thúc đẩy phản ứng thủy phân, dẫn tới việc cắt mạch chuỗi peptid triệt để hơn, hình thành nhiều phân tử nhỏ hơn, ví dụ các amino acid chính. Enzyme mà xúc tác cho sự thủy phân protein là protease hay proteinase.
Qúa trình thủy phân protein diễn ra:
Protein polypeptide peptid axitamin
Do vậy, tùy mức độ thủy phân, thời gian thủy phân mà n gười ta có thể thu được peptid hay axitamin.
Enzyme là chất xúc tác sinh học mang bản chất là protein có tính đặc hiệu cao, nó có khả năng tương tác lên các liên kết peptid (-CO- NH-) trong phân tử protein và cơ chất tương tự, làm cho các liên kết này bị suy yếu và dễ dàng bị đứt ra khi có yếu tố nước tham gia.
Thông thường, enzyme tác dụng và chuyển hoá c ơ chất trải qua ba giai đoạn :
Giai đoạn I: Enzyme kết hợp với c ơ chất bằng liên kết yếu tạo thành phức hợp enzyme - cơ chất (ES) không bền, phản ứng xảy ra nhanh và đòi hỏi
năng lượng thấp, các liên kết yếu tạo thành giữa enzyme và c ơ chất trong phức hợp ES là: tương tác tĩnh điện, liên kết Hydrogen, liên kết Vandecvan.
Giai đoạn II: Là giai đoạn tạo phức chất hoạt hoá xảy ra sự biến đổi cơ chất, dưới tác dụng của một số nhóm chức trong trung tâm hoạt động của enzyme làm cho cơ ch ất từ chỗ không hoạt động trở thành hoạt động, một số liên kết trong cơ chất bị kéo căng ra và mật độ electron trong cơ chất bị thay đổi.
Giai đoạn III: Là giai đoạn tạo ra sản phẩm của phản ứng và giải phóng enzyme. Đây là giai đo ạn cuối của quá trình phản ứng từ c ơ chất sẽ hình thành sản phẩm và enzyme được giải phóng ra dưới dạng tự do như ban đầu. Hình 1.2 dưới đây minh họa cơ chế xúc tác của protease trong phản ứng thủy phân protein:
E + S ES EP + H - P+ E + P - OH + H - P+
Hình 1.2. Phản ứng thủy phân protein xúc tác bởi protease
Trong đó: E là enzyme, S là cơ ch ất (protein), ES là phức hợp Michaelis giữa enzyme và cơ chất, P và P+ biểu thị kết quả các peptid có kích th ước khác nhau được tách ra. Các đặc tính của protein thủy phân được đánh giá thông qua độ thủy phân và cấu trúc của các peptid tạo thành. Điều này phụ thuộc vào tính chất tự nhiên của protein và tính đặc hiệu của enzyme sử dụng, cũng như việc kiểm soát các thông số của quá trình thủy phân nh ư nhiệt đô, pH,...nó sẽ làm giảm các phụ phẩm của quá trình thủy phân và cải thiện các tính chất và chức năng như: khả năng tạo nhũ, khả năng tạo bọt, độ nhớt, sự tạo gel và khả năng hấp thụ nước,...Giá trị dinh dưỡng của protein thường được giữ nguyên hay tăng lên bởi enzyme thủy phân, khi mà ti ến hành dưới các điều kiện phản ứng nhẹ nhàng. Protein bị cắt mạch thành các đơn vị nhỏ hơn như peptid hay acid amin.
Cách tác động: Endoprotease tiến hành tách các liên kết peptid ở bên trong của nhánh polypeptid, trong khi exopeptidase tách rời các amino acid ở vị trí đầu tiên và cuối cùng của nhánh polypeptid.
Tỷ lệ giữa enzyme và cơ chất xác định tốc độ thủy phân, ban đầu tốc độ thủy phân là cao nhất sau đó giảm dần theo thời gian. Phản ứng thủy phân tạm dừng khi không còn nhiều liên kết peptid sẵn có cho enzyme. Độ thủy phân tối đa có thể đạt được phụ thuộc vào tính chất tự n hiên của protein và đặc trưng của enzyme.