tổng quan về enzyme

1/21/2019

CÔNG NGHỆ ENZYME
(2 tín chỉ)

TS. Nguyễn Hoàng Minh
Bộ môn CNSH-K.Hóa-ĐHBK

0961544787

Tổng quan enzyme

2

1


1/21/2019

Ứng dụng của enzyme
• Y học:
• Nattokinase tan huyết khối
• Protease: sx mt nuôi vsv sinh kháng sinh, thuốc hỗ trợ
tiêu hóa
• Urease định lượng ure
• Glucose oxidase xác định glucose trong nước tiểu

Tổng quan enzyme

3

Ứng dụng-hóa học
• Dùng enzyme cố định để tổng hợp các hợp chất mong muốn
(glutathion, acid béo, alcaloid, hormone…)
• Xử lý nước thải, sản xuất cồn, amino acid
• Làm thuốc thử trong hóa phân tích

Tổng quan enzyme

4

2


1/21/2019

Ứng dụng công nghiệp
• Protease: làm mềm thịt
• Rennin- phomat
• Pectinase: nước trái cây, rượu vang, mứt…

• Cellulase: tăng giá trị của nguyên liệu (agar, đại mạch), phế liệu nông
nghiệp.
• Amylase: bánh mì, glucose, rượu, bia
Tổng quan enzyme

5

3

1/21/2019

ĐỀ CƢƠNG CHI TIẾT
Chương 1: TỔNG QUAN ENZYME
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•

Định nghĩa enzyme
Lịch sử
Cách gọi tên và cách phân loại
Bản chất hóa học của enzyme
Cấu trúc
Sinh tổng hợp và đặc điểm enzyme
Đặc hiệu enzyme
Cơ chế xúc tác của enzyme:
Động học phản ứng enzyme
Phương thức thực nghiệm xác định các tham số động học
Nhân tố ảnh hưởng đến hoạt tính xúc tác của enzyme:
Phương pháp khảo sát và phát hiện các nhóm chức năng của TTHĐ của enzyme

Các dạng phân tử của enzyme

ĐỀ CƢƠNG CHI TIẾT
Chương 2: NGUYÊN LIỆU VÀ QUY TRÌNH SẢN XUẤT CHẾ PHẨM ENZYME
•
•
•
•

Động vật
Thực vật
Vi sinh vật
Quy trình sản xuất chế phẩm enzyme

4


1/21/2019

ĐỀ CƢƠNG CHI TIẾT
Chương 3: SẢN XUẤT CÁC CHẾ PHẨM ENZYME TỪ VSV
•
•
•
•
•

Nguyên lý điều hòa quá trình sinh tổng hợp enzyme.
Phân lập, tuyển chọn và cải tạo giống VSV cho enzyme có hoạt lực cao.
Phương pháp bảo quản giống VSV.

Môi trường nuôi cấy VSV sinh tổng hợp enzyme
Tách và tinh chế enzyme từ VSV

ĐỀ CƢƠNG CHI TIẾT
Chương 4: ENZYME CỐ ĐỊNH
•
•
•
•
•
•
•
•

Giới thiệu chung.
Chất mang
Enzyme
Một số phương pháp chủ yếu tạo enzyme cố định
Một số liên kết trong việc cố định enzyme
Ảnh hưởng của sự cố định đến hoạt tính của enzyme
Các reactor chứa enzyme cố định
Sử dụng enzyme cố định trong y học và trong công nghiệp

5


1/21/2019

ĐỀ CƢƠNG CHI TIẾT
Chương 5: NHỮNG XU HƢỚNG MỚI TRONG CÔNG NGHỆ ENZYME

• Sàng lọc enzyme
• Công nghệ protein

Tài liệu tham khảo
• Trevor Palmer. Understanding enzymes. Ellis Horwood.1991.
• Bryan Cooper. Enzymes in Industry: Production and Applications. Wiley.
2007
• Đặng Thị Thu. Công nghệ enzym. NXB KH&KT.2004
• Nguyễn Đức Lượng. Công nghệ enzym. NXB ĐHQG TP HCM.2004

Tổng quan enzyme

12

6


1/21/2019

Đánh giá học phần
• Chuyên cần: 10%
• Bài tập về nhà: 10%
• Seminar: 10%
• Giữa kỳ: 20%
• Cuối kỳ: 50%

Tổng quan enzyme

13

Yêu cầu về seminar
Mỗi nhóm (5-6 sv) chọn một Bài Báo Khoa Học liên quan đến enzyme
(lớp trưởng nộp danh sách tên bài báo trước khi làm để tránh trùng lặp)
• Tiểu luận (50%) : Tổng quan về enzyme (5-10 trang).
Trình bày tất cả thông tin liên quan đến enzyme quan tâm.

• Slide (20%) : 5 phần (đặt vấn đề, mục tiêu nghiên cứu, quy trình nghiên cứu, kết quả và thảo luận, kết
luận).
bày logic.

Yêu cầu trong phần đặt vấn đề, làm nổi bật phần ứng dụng nổi bật của enzyme. Hình ảnh rõ ràng, ít chữ và trình

• Thuyết trình (10% - 10 phút), trả lời câu hỏi (10% - 10 phút).
Mỗi nhóm cử ra một bạn nhóm trưởng. Mỗi nhóm sẽ bốc thăm thứ tự để làm MC cho nhóm khác.
Nôp bản mềm và bản cứng của tiểu luận và slide một tuần trước khi báo cáo.
Thời gian báo cáo: sau khi học xong 5 chương.

Tổng quan enzyme

14

7


1/21/2019

Yêu cầu về seminar

Ý tưởng mới liên quan đến enzyme
Nhóm tự lên ý tưởng và thiết kế quy trình công nghệ.

Yêu cầu tính mới, sáng tạo, kinh tế.

• Tiểu luận (50%) : Tổng quan về enzyme (5-10 trang).
Trình bày tất cả thông tin liên quan đến enzyme quan tâm.

• Poster (20%): trình bày ý tưởng của nhóm trong 10 phút
• Thuyết trình (15% - 10 phút), trả lời câu hỏi (15% - 10 phút).

Tổng quan enzyme

15

Chƣơng 1
TỔNG QUAN ENZYME
• Được tạo ra như thế nào?

• Cấu trúc?
• Chức năng của enzyme trong tự nhiên?
• Điểm nổi bật của enzyme?
• Động học enzyme?

8


1/21/2019

Định nghĩa
• Enzyme là chất xúc tác sinh học. Chúng được tạo ra trong
các tế bào sống.
• Chúng làm tăng tốc độ phản ứng hóa học xảy ra trong tế bào

sống, và nó không bị phá hủy hay biến mất sau phản ứng.
• Các chất tham gia phản ứng được xúc tác bởi enzyme được
gọi là cơ chất.

Tổng quan enzyme

17

Ưu điểm của enzyme
• Enzyme có hiệu suất xúc tác cực kỳ lớn, có tính đặc hiệu cao, tác
dụng trong điều kiện êm dịu, có ý nghĩa cao trong y học và thực
phẩm do tính an toàn sinh học.
• Tạo sản phẩm chất lượng cao, ít lẫn sản phẩm phụ, dễ tinh sạch
• Enzyme không độc và có khả năng bị phân giải (thân thiện với môi
trường).
• Có thể tạo ra dựa vào sự tổng hợp của vsv.
Tổng quan enzyme

18

9


1/21/2019

Tổng quan enzyme

19

Tổng quan enzyme

20

10


1/21/2019

Lịch sử phát triển enzyme

Van Helmont
Trước TK 17:
lên men rượu,
muối dưa, làm
tương và nước
chấm dựa vào
kinh nghiệm

Năm 1600:
-sự tiêu hóa là sự
chuyển hóa hóa học
của thức ăn
- Ferment: tác nhân gây
nên sự chuyển biến các
chất

Spalanzani
Năm 1783:
-Dịch dạ dày tiêu hóa
thức ăn

Gittlieb Kirhoff
Năm 1814:
-nước chiết của mầm
đại mạch có khả năng
chuyển hóa tinh bột
thành đường ở nhiệt
độ thường

Tổng quan enzyme

Anselme Payen
Năm 1833:
-Thu nhận được
enzyme diastate (phân
giải tinh bột thành
đường)

21

Lịch sử phát triển enzyme

Theodor Swann
Năm 1836:
-Tách được pepsin

Louis Pasteur
1856:
Enzyme “có tổ
chức” và

enzyme “không
có tổ chức”

Whilhem Kuhne
1877:
Sử dụng enzyme
để chỉ “enzyme
không có tổ
chức” và
ferment ~
Enzyme “có tổ
chức
Tổng quan enzyme

1871:
enzyme như một
chất hóa học, xúc
tác không phụ
thuộc vào hoạt
động sống của vi
sinh vật

1897:
Dịch chiết nấm
men thu được
không chứa tế bào
và có khả năng lên
men rượu
22

11


1/21/2019

Lịch sử phát triển enzyme

1894:
Lock and Key Theory

1913:
Michaelis Menten Kinetics

1922:
làm thuần khiết enzyme
bằng phương pháp hấp
phụ chọn lọc

1926:
Tinh thể hóa
urease

Tổng quan enzyme

23

Lịch sử phát triển enzyme
1944:
DNA nhiễm sắc thể
chứa thông tin di

truyền, bắt đầu cho
công nghệ di truyền
(Avery)

1930
Tinh thể hóa pepsin
1931
Tinh thể hóa trypsin

1953:
cấu trúc phân tử
DNA được khám
phá (Watson và
Crick)

1951:
trình tự amino acid
của chuỗi beta thuộc
insuline (enzyme có
cấu trúc bậc một) đã
được giải mã (Sanger
và Tuppy)

Tổng quan enzyme

1965:
alcalase được sử dụng
như chất phụ gia trong
công nghệ tẩy rửa
(Novozymes)

1960:
Sản xuất glucose nhờ
ứng dụng enzyme
alpha-amylase
1960:
protease từ Bacillus
licheniformis - phương pháp
nuôi cấy chìm (Novozymes)
24

12


1/21/2019

Lịch sử phát triển enzyme
1974:
sản xuất thành
công glucose
isomerase cố định

1982:
sản xuất insulin có
nguồn gốc từ người
bằng công nghệ tái tổ
hợp (genetech-Eli Lily)

1988:
enzyme Lipolase

thương mại đầu
tiên được sản xuất
từ chủng biến đổi
gen (Novo, Lion
Corporation)

Đầu những năm 1980:
công nghệ thông tin
được sử dụng mạnh
mẽ để phân tích cấu
trúc tinh thể của
protein

2010:
20% thị trường
hóa chất liên
quan đến công
nghệ sinh học
(biofuel)

Cuối những năm 80:
công nghệ protein phát triển,
tạo ra nhiều sản phẩm protein
tái tổ hợp với chi phí sản xuất
thấp hơn, tạo tiền đề sử dụng
enzyme trong công nghiệp.

1981: Ribozyme
Tổng quan enzyme

Tổng quan enzyme

25

26

13


1/21/2019

Tổng quan enzyme

27

Cách gọi tên và phân loại enzyme
• Tên thông thường: trypsin, pepsin, renin…
• Tên hệ thống: tên cơ chất đặc hiệu của nó + tên của kiểu phản
ứng mà nó xúc tác+ đuôi “ase”.
• ví dụ enzyme xúc tác cho sự thủy phân ure (carbamid) có tên hệ thống
là Carbamid-aminohydrodase (tên thường dùng là urease)

Tổng quan enzyme

28

14


1/21/2019

Cách gọi tên và phân loại enzyme
• Oxydoreductase: các enzyme xúc tác cho phản ứng oxy hóakhử
• Transferase: các enzyme xúc tác cho các phản ứng chuyển vị
• Hydrolase: các enzyme xúc tác cho phản ứng thủy phân
• Lyase: các enzyme xúc tác cho phản ứng phân cắt không cần
nước, loại nước tọ thành nối đôi hoặc kết hợp phân tử nước
vào nối đôi
• Isomerase các enzyme xúc tác cho phản ứng đồng phân hóa
• Ligase xúc tác phản ứng tổng hợp có sử dụng liên kết giàu
năng lượng ATP
Tổng quan enzyme

29

Cách gọi tên và phân loại enzyme

Tổng quan enzyme

30

15


1/21/2019

Thành phần cấu tạo của enzyme

Tổng quan enzyme

31

Cofactor và coenzyme
APOENZYME

HOLOENZYME

Quyết định:
 Tính đặc hiệu
 Hoạt tính xúc tác của cofactor

Quyết định:
 kiểu phản ứng
 Độ bền của enzyme
Tổng quan enzyme

32

16


1/21/2019

Coenzyme
• Tác nhân chuyển nhóm
(Hydro, điện tử, các
nhóm khác)
• Có 2 loại:
• coenzyme tham gia quá
trình trao đổi chất (ATP, Sadenosinemethionine, 5,6,7,8tetrahydrobiopterin)

• coenzyme được chuyển
đổi từ vitamin

Tổng quan enzyme

33

Ví dụ về cofactor của enzyme catalase
• Có 4 cofactor gắn chặt (heme)
• Xúc tác chuyển đổi H2O2 thành H2O và O2

Tổng quan enzyme

34

17


1/21/2019

Tổng quan enzyme

35

Cấu trúc của enzyme
Enzyme là các protein hình cầu tan trong nước, có chứa ít nhất
một trung tâm hoạt động.

Tổng quan enzyme

36

18


1/21/2019

Cấu trúc bậc bốn của enzyme
• Các enzyme có cấu trúc bậc bốn là enzyme oligomer hoặc
polymer do nhiều đơn vị nhỏ cấu tạo nên được gọi là protomer
(tiểu phần dưới đơn vị), mỗi đơn vị nhỏ là một chuỗi
polypeptide.
• Các protomer: giống hoặc khác nhau về cấu tạo và chức năng.
• Các tiểu phần tương tác với nhau bằng các kiểu liên kết kỵ
nước, liên kết hydrogen, một số khác nhờ liên kết disulfide.
Tổng quan enzyme

37

Tổng quan enzyme

38

19


1/21/2019

Trung tâm hoạt động

Vùng chứa vị trí gắn và vị trí xúc tác gọi là trung tâm hoạt động
của E. Đây là phần của phân tử E kết hợp với S, trực tiếp xúc tác
phản ứng hóa học chuyển hóa phức chất trung gian ES tạo
thành P. Sau phản ứng, TTHĐ được tiếp tục sử dụng.

Tổng quan enzyme

39

Trung tâm hoạt động
• Nhiều nhóm chức năng khác nhau của các amino acid, phân tử
nước liên kết và nhiều khi có cả cofactor.
• Nhóm chức năng của các amino acid bao gồm:
•
•
•
•
•
•
•

nhóm –SH của cysteine;
-OH của serine, threonine, và tyrosine;
ε-NH2 của lysine;
-COOH của glutamic acid, aspartic;
vòng imidazol của histidine;
indol của tryptophan,;
nhóm guanidine của arginine

Tổng quan enzyme

40

20


1/21/2019

Tổng quan enzyme

41

Fructose-1,6-bisphosphate aldolase

grey for carbon, red for
oxygen, blue for
nitrogen, and orange for
phosphorus

fructose-1,6-bisphosphate aldolase

Tổng quan enzyme

42

21


1/21/2019

Tổng quan enzyme

43

Tổng quan enzyme

44

Cấu trúc dị lập thể

22


1/21/2019

Đặc điểm của enzyme
• Đặc điểm hóa học
• Đặc điểm acid-base
• Độ hòa tan

Tổng quan enzyme

45

Đặc điểm hóa học
• Phụ thuộc nhóm cạnh bên của các amino acid định lượng enzyme
• Ví dụ:
• arginine + α-naphthol (sodium hypochlorite) màu đỏ (phản ứng
Sakaguchi)
• trytophan + glyoxylic acid (H2SO4)màu tím (phản ứng Hopkins-Cole)

• Tyrosine + mercuric sulpate + sodium(gia nhiệt) màu đỏ (phản ứng
Millon).

Tổng quan enzyme

46

23


1/21/2019

Đặc điểm acid-base
• Tổng điện tích của một phân tử protein phụ thuộc vào mức độ
phân ly của các nhóm ion hóa, do đó phụ thuộc vào pH.
• Enzyme sẽ tích điện dương tại mức pH thấp và tích điện âm tại
mức pH cao. Giá trị pH tại đó protein không tích điện được gọi
là điểm đẳng điện pI.
• Enzyme có hoạt tính xúc tác khi nhóm cạnh bên được ion hóa
ở dạng thích hợp, do đó hoạt động xúc tác của enzyme phụ
thuộc vào pH.
Tổng quan enzyme

47

Độ hòa tan
• Nồng độ muối: nhỏ tăng độ hòa tan, cao giảm độ hòa tan
• pH:
• quá cao hay thấp biến tính giảm độ hòa tan.
• pI kết tụ enzyme

• Nồng độ dung môi hữu cơ ethanol, aceton giảm độ hòa tan
• Nhiệt độ: tăng ở 40-50oC. Nếu cao hơn, giảm độ hòa tan.
Tổng quan enzyme

48

24


1/21/2019

Đặc hiệu của enzyme
Mỗi enzyme chỉ xúc tác chuyển hóa được một hoặc một số cơ
chất nhất định theo một kiểu phản ứng nhất định, được gọi là
tính đặc hiệu của enzyme.
• Đặc hiệu kiểu phản ứng
• Đặc hiệu theo cơ chất

Tổng quan enzyme

49

Đặc hiệu phản ứng
 Chỉ xúc tác cho một loại phản ứng nhất định

Tổng quan enzyme

50

25