báo cáo tiểu luận các phương pháp tổng hợp hữu cơ hiện đại chương 6 xúc tác sinh học

<span class="text_page_counter">Trang 1</span><div class="page_container" data-page="1">

<b>TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÔN ĐỨC THẮNGKHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG</b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 3</span><div class="page_container" data-page="3">

<b>4. CƠ CHẾ HOẠT ĐỘNG CỦA ENZYME...8</b>

4.1 Cơ chế hoạt động của enzyme bao gồm ba bước chính...8

4.2 Cơ chế xúc tác tổng quát của enzyme...8

<b>5. TÍNH CHẤT CỦA ENZYME...10</b>

<b>6. ỨNG DỤNG CỦA ENZYME...11</b>

6.1 Trong đời sống... 11

<b>2.2 Trong sản xuất... 12</b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 4</span><div class="page_container" data-page="4">

Cơ thM ngưHi có thM tạo ra hai loại enzyme chính là loại enzyme tiêu hóa và enzyme chuyMn hóa. Các loại enzyme tiêu hóa hóa được tiết ra trong tuyến nước bọt, dạ dày, tuyến tụy và ruNt non giúp cơ thM tiêu hóa thực phẩm. Trong khi đó, các loại enzyme chuyMn hóa lại được sản sinh trong các tế bào, giúp cơ thM tổng hợp năng lượng và sử dụng năng lượng. Những năng lượng này có vai trị đ\c biệt quan trọng, là yếu tố giúp con ngưHi có khả năng hít th^, suy ngh_, di chuyMn…

Enzyme xúc tác cho các phản Ong sinh học (sinh chuyMn hóa).

</div><span class="text_page_counter">Trang 5</span><div class="page_container" data-page="5">

1.2 Đặc điểm chung của enzyme

1.2.1 Enzyme có tính đặc hiệu rất cao và hiệu lực xúc tác rất lớn

Mỗi enzyme đều có có tác dụng chọn lọc đối với mỗi cơ chất ho\c mNt loại cơ chất và với mNt phản Ong nhất định. Tính chất xúc tác chọn lọc này được gọi là đ\c hiệu của enzyme.

Tính đ\c hiệu của enzyme do cấu trúc của trung tâm hoạt đNng quyết định.

Có những enzyme có tính đ\c hiệu tuyệt đối:MNt enzyme chỉ xúc tác cho mNt cơ chất nhất định.Ví dụ: Urease chỉ thủy phân urê

Arginase chỉ thủy phân arginin

Có nhiều enzyme có tính đ\c hiệu tương đối:

MNt enzyme có thM tác dụng cả 1 nhóm cơ chất có cấu trúc gần giống nhau.

Ví dụ : Glucozidase xúc tác thủy phân cả mNt nhóm cơ chất glucozid có liên kết ozid.

Esterase có thM tác dụng vào liên kết este của các acid béo với ethanol.

Có enzyme có tính đ\c hiệu khơng gian rất ch\t chẽ:

Ví dụ: L-a.a oxydase chỉ xúc tác quá trPnh khử amin oxy hóa a.a dãy L, khơng tác dụng trên a.a dãy D.

Có enzyme có tính đ\c hiệu kép:

</div><span class="text_page_counter">Trang 6</span><div class="page_container" data-page="6">

Enzyme có tác dụng đ\c hiệu với cả 2 cơ chất có cấu trúc hồn tồn khác nhau.

Ví dụ: Aminoacid-ARNt synthetase đ\c hiệu với cả a.a và cả ARNt.1.2.1 Enzyme làm giảm năng lượng hoạt hóa nhiều hơn so với chất

xúc tác thơng thường khác

Cần 18 Kcal/mol nếu khơng có chất xúc tácCần 11,7 Kcal/mol nếu có m\t của PtCần 2 Kcal/mol khi có m\t của catalase

1.2.3 Những phản ứng enzyme thường xảy ra với tốc độ nhanh ở nhiệt độ sinh lý bình thường của cơ thể

1.2.4 Enzyme có bản chất là protein đặc hiệu do tế bào sống tổng

chi phối, điều khiển của tế bào và của cơ thể

Hoạt tính của enzyme chịu ảnh hư^ng của nhiều yếu tố như: nhiệt đN, ánh sáng, Ph môi trưHng,...

<b>2. CẤU TẠO</b>

Enzyme là những protein có phân tử lượng từ 20.000 đến 1.000.000 dalton (có kích thước nhỏ nhất là Ribonuclease 12.700 dalton)Enzyme được cấu tạo từ các L – α – axitamin kết hợp với nhau b^i liên kết peptit. Dưới tác dụng của các peptithydrolase, axit ho\c kiềm các enzyme bị thủy phân hoàn toàn tạo thành các L – α – axitamin. Trong nhiều truHng hợp ngồi axit amin cịn thu được những thành phần khác, ngưHi ta chia thành hai nhóm:

Nhóm enzyme đơn cấu tử (enzym đơn giản): enzyme chỉ được cấu tạo mNt thành phần hóa học duy nhất là protein.

</div><span class="text_page_counter">Trang 7</span><div class="page_container" data-page="7">

Nhóm enzyme đa cấu tử (enzym phOc tạp): enzyme có hai thành phần:

Phần protein được gọi là feron hay apoenzyme. Apoenzyme thưHng quyết định tính đ\c hiệu cao của enzyme và làm tăng hoạt tính xúc tác của coenzyme.

Phần khơng phải protein gọi là nhóm ngoại “agon”: như ion kim loại, vitamin, glutation dạng khử, nucleotide và dẫn xuất este phosphat của monosacaride,… TrưHng hợp khi nhóm ngoại tách khỏi phần “apoenzyme” (khi cho thẩm tích qua màng bán thấm) và có thM tồn tại đNc lập thP những agon đó cịn có tên riêng là coenzyme. Phần agon quyết định kiMu phản Ong mà enzyme xúc tác, trực tiếp tham gia trong phản Ong và làm tăng đN bền của apoenzyme đối với các yếu tố gây biến tính.

Cấu trúc bậc 4 của enzyme

Trong nhiều trưHng hợp, các chuỗi polypeptide có cấu trúc bậc ba cóthM kết hợp với nhau tạo thành phân tử enzyme có cấu trúc bậc bốn.Như vậy cấu trúc bậc bốn là cách sắp xếp đ\c trưng trong không

</div><span class="text_page_counter">Trang 8</span><div class="page_container" data-page="8">

gian của các chuỗi polypeptide riêng biệt trong phân tử enzyme. Đến nay ngưHi ta đã xác định rằng số lớn các enzyme trong tế bào đều có cấu trúc bậc bốn.

So với các enzyme monomer, các enzyme có cấu trúc bậc bốn có những điMm sai khác sau đây:

Có trọng lượng phân tử tương đối lớn, vào khoảng hơn 100.000Phân tử thưHng chOa mNt vài trung tâm hoạt đNng, có khi có đến 3,4trung tâm hoạt đNng

Khả năng tương tác của mNt trung tâm hoạt đNng với cơ chất sẽ phụthuNc vào trạng thái chOc năng của các trung tâm hoạt đNng khác.

<b>3. DANH PHÁP</b>

Tên gọi của enzyme là tên gọi của cơ chất hay của kiMu phản Ong mà nó xúc tác cNng với đi “ase”, ví dụ urease, hydrolase,… kiMu gọi tên này cịn thiếu chính xác. ĐM khắc phục tPnh trạng đó, HNi Hóasinh học quốc tế đã đề nghị sử dụng mNt hệ thống danh pháp và phân loại trên cơ s^ bản chất của phản Ong được xúc tác. Theo hệ thống này, toàn bN enzyme được gọi tên theo bản chất của phản Ong được xúc tác và bản chất của các chất cho, chất nhận trong phản Ong và được chia thành 6 nhóm chính.

Oxidase: oxi nhận e.

Reductase: đưa H và điện tử vào cơ chất.

Oxygenase (hydroxylase): gắn oxi vào cơ chất.

</div><span class="text_page_counter">Trang 9</span><div class="page_container" data-page="9">

Transfersase (Vận chuyển): A-X + B A + B-X

-Transcetolase (transaldolase): chuyMn đơn vị 2C hay 3C vào cơ chất.Acyl-, methyl-, glucosyl-transferase, phosphorylase.

Kinase: chuyMn gốc P từ ATP vào cơ chất.Thiolase: chuyMn nhóm CoA-SH vào cơ chất.Polymerase

Esterase: thủy phân liên kết este.

Glucosidase: thủy phân liên kết glycoside.Protease: thủy phân liên kết peptid.

Phosphatase: thủy phân este photphat, tách gốc P.

Phospholipase: thủy phân este photphat trong photpho lipid.Amidase: thủy phân liên kết N-osid.

Desaminase: thủy phân C-N, tách nhóm amin.Nuclease: thủy phân este photphat trong RNA, DNA.

Aldolase: tách mNt nhóm -CHO ra khỏi cơ chất.Lyase: tách phân tử khơng có nước tham gia.Hydratase: gắn vào cơ chất mNt phân tử nước.Dehydratase: tách 1 nước ra cơ chất.

Synthase: gắn 2 cơ chất không cần ATP.

</div><span class="text_page_counter">Trang 10</span><div class="page_container" data-page="10">

Isomerase (Đồng phân) Racemase: đồng phần D-L.Epimerase: 2 chất khác nhau ^ 1C.Isomerase: đồng phân ceton andehit.

Mutase: chuyMn nhóm hóa học giữa các nguyên tử trong mNt phân tử.

Ligase (Kết gắn phân tử)

Synthetase: gắn 2 cơ chất nhH ATP.

Ligase: gắn 2 đoạn DNA.

Mỗi nhóm, phân nhóm được ký hiệu bằng mNt mã số đ\c trưng gồm 4 số cách nhau bằng các dấu chấm.

Ví dụ: ATP + D-Glucose ADP + D-Glucose-6-phosphate

Tên hệ thống của enzyme là ATP:glucose phosphotranferase. Tên gọi này cho thấy enzyme xúc tác sử vận chuyMn nhóm phosphate từ ATP đến glucose. Mã số của enzyme là 2.7.1.1.

Số 2 cho biết enzyme thuNc nhóm 2.

Số 7 cho biết enzyme thuNc phân nhóm phosphotranferase.Số 1 cho biết chất nhận là nhóm -OH.

Số 1 cuối cùng cho biết số thO tự của enzyme.

<b>4. CƠ CHẾ HOẠT ĐỘNG CỦA ENZYME</b>

4.1 Cơ chế hoạt động của enzyme bao gồm ba bước chính

Cơ chất (Substrate) liên kết với enzyme (Enzyme) đM hPnh thành phOc hệ enzyme - cơ chất (E - S complex).

</div><span class="text_page_counter">Trang 11</span><div class="page_container" data-page="11">

Enzyme xúc tác phản Ong biến đổi cơ chất thành sản phẩm (Product), tạo thành phOc hệ E-P.

Sản phẩm P được giải phóng enzyme E.

4.2 Cơ chế xúc tác tổng quát của enzyme

Thông thưHng đM mNt phản Ong xảy ra thP phản Ong đấy cần được cung cấp mNt năng lượng tối thiMu EA nào đó đM đạt trạng thái cực đại về năng lượng (gọi là trạng thái chuyMn tiếp, transition state). Năng lượng EA được gọi là năng lượng hoạt hóa (activation energy). Năng lượng hoạt hóa có ảnh hư^ng tới tốc đN phản Ong. Xét phản Ong:

pA + qB → p’C + q’D

Gọi tốc đN v của phản Ong hóa học là tốc đN giảm lượng chất phản Ong theo thHi gian đM tạo ra sản phẩm thP theo phương trPnh trên, ta có:

V = ^{−d [ A ]}

dt = k

Ở đây [A], [B] là nồng đN mol/l của chất phản Ong A, B và k là hằng số tốc đN phản Ong. Hằng số k có thM tính theo phương trPnh Arrhenius:

K = _{A e}<small>− EaRT</small>

</div><span class="text_page_counter">Trang 12</span><div class="page_container" data-page="12">

Trong đó: A là tần số va chạm, Ea là năng lượng hoạt hóa (J), R là hằng số khí, T là nhiệt đN tuyệt đối (K). Biến đổi phương trPnh trên, tađược (Thế công thOc). Nên Ea càng lớn thP hằng số k càng nhỏ và tốcđN v càng nhỏ. Do đó, đM làm tăng tốc đN phản Ong thP cơ chế xúc tác chung của enzyme là giảm năng lượng hoạt hóa thơng qua nhiềuphương pháp khác nhau:

Enzyme hoạt đNng như mNt cái khuôn cho sự định hướng của cơ chất.

Enzyme gây tác đNng Ong suất lên cơ chất và làm ổn định trạng thái chuyMn tiếp.

Miền hoạt đNng của enzyme cung cấp vi môi trưHng phù hợp cho phản Ong diễn ra.

Miền hoạt đNng của enzyme tham gia trực tiếp trong phản Ong xúc tác. Tuy nhiên, sau khi phản Ong kết thúc thP miền này được biến đổinhư ban đầu đM tham gia nhiều phản Ong xúc tác phía sau.

Cũng như các chất xúc tác khác, enzyme không bị phản Ong tiêu thụho\c thay đổi (như mNt cơ chất) mà được tái chế đM như mNt enzyme duy nhất thực hiện nhiều vòng xúc tác.

Enzyme thưHng có tính đ\c hiệu cao và chỉ hoạt đNng trên mNt số cơchất (chất phản Ong) nhất định. MNt số enzyme có tính đ\c hiệu tuyệt đối ngh_a là chúng chỉ hoạt đNng trên mNt cơ chất.

Trong khi những enzyme khác thM hiện tính đ\c hiệu của nhóm và có thM hoạt đNng trên các nhóm hóa học tương tự khơng giống nhau,chẳng hạn như liên kết peptit trong các phân tử khác nhau. Nhiều enzyme có tính đ\c hiệu lập thM và hoạt đNng trên mNt đồng phân lập thM này nhưng không tác đNng lên đồng phân lập thM khác.

<b>5. TÍNH CHẤT CỦA ENZYME</b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 13</span><div class="page_container" data-page="13">

Enzyme có bản chất của mNt protein nên có các thuNc tính lý hóa của protein. Các enzyme đa số có dạng hPnh cầu và khơng đi qua màng bán thấm vP có kích thước lớn.

Có thM tan trong nước và các dung môi hữu cơ phân cực, không tan trong các dung môi không phân cực và ete.

Dưới tác dụng của nhiệt đN khiến enzyme khơng bền và bị biến tính khi ^ nhiệt đN cao. Môi trưHng acid hay base cũng làm enzyme mất khả năng hoạt đNng. Nếu nhiệt đN quá cao, môi trưHng quá axit, môitrưHng quá kiềm thP enzyme sẽ thay đổi hPnh dạng gây khó khăn trong việc liên kết với cơ chất.

Enzyme có tính lưỡng tính: tùy vào đN pH của mơi trưHng mà nó tồn tại ^ các dạng: cation, anion hay trung hòa điện.

Enzyme chia làm hai nhóm: enzyme mNt cấu tử (chỉ chOa protein) vàenzyme hai cấu tử (trong phân tử cịn có nhóm khơng phải protein). Trong phân tử enzyme hai cấu tử có hai phần là apoenzym và coenzym.

Cũng như các chất xúc tác nói chung, enzyme à mNt chất xúc tác sinh học có đầy đủ tính chất của mNt chất xúc tác thông thưHng làm tăng nhanh tốc đN phản Ong với cưHng đN xúc tác vượt xa so với các chất xúc tác vơ cơ. Enzyme xúc tác có tốc đN phản Ong thưHng lớn

khác.

Enzyme không quyết định chiều hướng của phản Ong => khơng đóng vai trị là chất tham gia phản Ong trong phương trPnh phản Ong.

Trong quá trPnh xúc tác, lượng enzyme không thay đổi, cũng như mọi chất xúc tác khác, enzyme làm giảm năng lượng hoạt hóa cần

</div><span class="text_page_counter">Trang 14</span><div class="page_container" data-page="14">

thiết của các phản Ong hóa học. Nói cách khác năng lượng hoạt hóa phản Ong được giảm đi nhiều khi có sự xúc tác của enzyme.

Chất Oc chế khơng cạnh tranh uncompetitive inhibitors: Gắn với enzym và cơ chất sau khi chúng đã liên kết với nhau nhằm làm chậm phản Ong, kéo dài thHi gian hPnh thành sản phẩm.

Chất Oc chế không đảo ngược (irreversible inhibitors): Gắn và làm bất hoạt v_nh viễn enzyme.

<b>6. ỨNG DỤNG CỦA ENZYME</b>

6.1 Trong đời sống6.1.1 Y dược

Enzyme có mNt vị trí quan trọng trong y học. Đ\c biệt là các phương pháp định lượng và định tính enzyme trong hóa học lâm sàng và phịng thí nghiệm chẩn đốn.

Ví dụ như phân tích xác định nồng đN cơ chất như glucose, ure, cholesterol… với sự hỗ trợ của enzyme, định lượng ure bằng enzymeurease.

Bên cạnh đó, enzyme cịn được dùng làm thuốc, chẳng hạn như sử dụng protease làm thuốc tắc nghẽn tim mạch, tiêu mủ vết thương, làm thông đưHng hơ hấp, chống viêm, làm thuốc tăng tiêu hóa

</div><span class="text_page_counter">Trang 15</span><div class="page_container" data-page="15">

protein; sử dụng amylase phối hợp với coenzyme A, cytochrome C, ATP, carboxylase đM chế thuốc điều trị bệnh tim mạch, bệnh thần kinh, phối hợp với enzyme thủy phân đM chữa bệnh thiếu enzyme tiêu hóa.

2.1.2 Hóa học

Enzyme được Ong dụng trong hóa học là do enzyme có cảm Ong cao đối với nhiệt đN, pH và những thay đổi khác của môi trưHng. MNt trong số những Ong dụng là dùng chế phẩm enzyme làm chất mang đM gắn phOc hợp enzyme xúc tác cho phản Ong nhiều bước trong quy trPnh tổng hợp glutathion, acid béo, alcaloid, sản xuất hormone, …

Cũng như sử dụng trong công nghệ xử lý nước thải, sản xuất alcohol,amino acid, …

Enzyme cũng được sử dụng trong nghiên cOu cấu trúc hóa học như: dùng enzyme protease đM nghiên cOu cấu trúc protein, dùng enzyme endonuclease đM nghiên cOu cấu trúc nucleic acid,… Ngồi ra, enzyme cịn được dùng làm thuốc thử trong hóa phân tích.

<b>2.2 Trong sản xuất</b>

2.2.1 Nơng nghiệp

Có thM dùng enzyme đM sản xuất thOc ăn cho đNng vật nhằm tăng giá trị dinh dưỡng của thOc ăn thô, tăng hệ số sử dụng thOc ăn. Các enzyme được sử dụng với mục đích này thưHng là các enzyme thuỷ phân như amylase, proteinase, đ\c biệt là cellulase, hemicellulase. Chúng thủy phân các chất phân tử lớn thành dạng dễ hấp thụ hơn nên thưHng làm tăng hiệu quả sử dụng thOc ăn, tăng khối lượng đàn gia súc. Điều này có ý ngh_a đ\c biệt quan trọng khi chuẩn bị thOc ăn cho các lồi đNng vật cịn non như bê con, lợn con, ... vP hệ thống

</div><span class="text_page_counter">Trang 16</span><div class="page_container" data-page="16">

tiêu hóa của chúng cịn chưa thật thích hợp với việc ăn loại thOc ăn thô.

Trong trồng trọt, các loại chế phẩm enzyme khác nhau như cellulase, hemicellulase, protease và amylase được sử dụng đM chuyMn hóa các phế liệu, đ\c biệt là các phế liệu nông nghiệp cải tạođất phục vụ nông nghiệp. Việc sử dụng enzyme vi sinh vật trong sảnxuất phân hữu cơ đang được khai thác đM thay thế cho phân bón hóahọc.

2.2.2 Cơng nghiệp thực phẩm

Enzyme được sử dụng rất rNng rãi trong công nghiệp thực phẩm gópphần tạo nên sự đa dạng, phong phú và nâng cao chất lượng sản phẩm thực phẩm.

Enzyme protease được sử dụng trong công nghiệp chế biến thịt với mục đích làm mềm thịt, tạo thOc ăn dễ tiêu hóa, tạo ra các loại dịch thủy phân giàu protein.

Enzyme renin và pepsin được khai thác tính đơng tụ sử dụng trong sản xuất phomat.

Trong sản xuất nước quả từ các nguyên liệu quả nghiền, nhH enzyme pectinase mà nước quả trong suốt, dễ lọc, hiệu suất tăng. Enzyme cellulase giúp làm tăng đN hấp thu, nâng cao phẩm chất về vị và làm mềm nhiều loại thực phẩm thực vật, điều này giúp tăng chất lượng thực phẩm.

Trong mNt số l_nh vực của công nghiệp thực phẩm như sản xuất bánh mP, rượu , bia, … enzyme amylase đã được dùng phổ biến. Trong sản xuất bánh mP, chế phẩm amylase đã làm thay đổi hoàn toàn chất lượng của bánh mP cả hương vị, màu sắc, đN xốp, ...

</div><span class="text_page_counter">Trang 17</span><div class="page_container" data-page="17">

Trong sản xuất bánh kẹo, đưHng maltose thưHng được sử dụng là sản phẩm thủy phân tinh bNt bằng enzyme amylase. Enzyme glucoamylase là yếu tố làm tăng hiệu suất trong sản xuất rượu. Trong sản xuất bia, việc sử dụng amylase có trong các hạt nẩy mầmthay thế malt đã góp phần đáng kM trong việc giảm giá thành.2.2.3 Công nghiệp dệt

Trong công nghiệp dệt, chế phẩm amylase được dùng đM rũ hồ vải trước khi tẩy trắng và nhuNm. Amylase có tác dụng làm vải mềm, cókhả năng nhúng ướt, tẩy trắng và bắt màu tốt. Rũ hồ bằng enzyme không những nhanh, không hại vải, đN mao dẫn tốt mà cịn đảm bảovệ sinh, do đó tăng được năng suất lao đNng.

Trong sản xuất tơ tằm, ngưHi ta dùng protease đM làm sạch sợi tơ. Với công đoạn xử lý bằng enzyme sau khi xử lý bằng dung dịch xà phịng sẽ giúp lụa có tính đàn hồi tốt, bắt màu đồng đều và dễ trang trí trên lụa.

</div>