Giáo trình Công nghệ sinh học đại cương: Phần 2

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.77 MB, 20 trang )

(1)<div class='page_container' data-page=1>

Chương 5

V I R U S V À C Ô N G N G H Ệ S I N H H Ọ C V I R U S

Virus là m ộ t ký sinh p hổ b i ế n ở hầu h ế t c á c c ơ thể sống từ đ ơ n g i ả n đế n phức tạp.
M ọ i c ơ thể sống từ v i k h uẩn đế n cây trồng, vật n u ô i và con n g ười đề u c ó t hể bị lấn c ô n g 
bởi virus. Virus g â y ra rất n h i ề u bệnh dịch nguy h iểm n h ư bệnh lở m ồ m long m ó n g , 
bệnh bò điên, bệnh c ú m H 5 N 1 , bệnh SARS, bệnh H I V / A I D và n h i ề u bệnh k h á c . Virus
c ò n là n g u y ê n n h â n của m ộ t số bệnh t r u y ề n n h iễm nguy h iểm n h ư virus epstein bar,
virus bệnh v i ê m gan B (Hepatitis B), virus v i ê m gan c (Hepatitis C)... dẫn đế n ung thư.

Ngoài ra, do virus có khả năng cài genom của n ó vào genom của sinh vật chủ và chuyển
tải thông tin di truyền từ cơ thể sống này sang cơ thể sống k h á c n ê n c ó thể gây ra n h i ề u b i ế n
dị hay những dạng đột b i ế n không mong muốn. Trong nhũng n ă m gần đây, vừus đã và đang
là đố i tượng nghiên cứu quan trọng của nhiều lĩnh vực công nghệ sinh học, ư ơ n g số đ ó , một
số virus đã được sử dụng làm vector phục vụ công tác chuyển gen.

5.1. LỊCH SỬ PHÁT HIỆN RA VIRUS

N g ười ta phát hiện ra virus n hờ những n g h i ê n cứu tìm k i ế m t á c n h â n g â y bệnh k h ả m 
lá ở cây thuốc lá. Bệnh n à y l à m cho cây còi cọc và m à u sắc p h i ế n l á bị k h ả m . N ă m 
1883, A . Mayer đã phát h i ệ n thấy bệnh k h ả m thuốc lá là bệnh lây n h iễm và cho rằng tác 
n h â n gây bệnh là m ộ t loài v i k h uẩn rất nhỏ b é và k h ô n g thể n h ì n t hấy bằng k í n h h iển v i .
Ô n g ta đã thành c ô n g trong gây lây n h iễm bệnh n h â n tạo bằng c á c h phun dịch c h i ế t của 
lá cây bị bệnh lên cây khoe. Quan sát chất dịch d ưới k í n h h iển v i A . M a y e r đã k h ô n g
quan sát thấy tác n h â n g â y bệnh.

Đế n c u ố i những n ă m 1880, D . Ivanowsky, m ộ t n h à khoa học n g ười Nga cho rằng 
bệnh k h ả m lá thuốc lá gây ra bởi m ộ t v i k h uẩn rất n hỏ b é c ó k h ả n ă n g l ọ t qua m à n g lọc 
vi khuẩn. Ô n g đã d ù n g m à n g lọc c ó k h ả n ă n g l o ạ i trừ v i k h uẩn để lọc chất c h i ế t từ lá c â y 
bệnh. Dịch c h i ế t thu được qua m à n g lọc v i k h uẩn vẫn c ó k h ả n ă n g g â y bệnh và được ô n g

g ọ i là độc t ố sau lọc.

N ă m 1897 Martinus Beiferinck, một n h à sinh học H à Lan cho thấy bệnh g â y ra bởi
một cơ thể sống nhỏ và đơn giản hơn v i khuẩn, nhưng l ạ i c ó k h ả n ă n g sinh sản. C â y khoe 
sau khi được phun dịch chiết từ cây bệnh đã bị n h iễm bệnh, chất dịch từ c â y mới n h iễm
bệnh l ạ i có thể gây ra n h iễm bệnh cho các cây k h á c nữa. T h í nghiệm này đã được lặp l ạ i 
nhiều t h ế hệ và n g ười ta thấy rằng tác nhân gây bệnh c ó thể sinh sản vì tác n h â n n à y đã
k h ô n g bị loãng hoặc y ế u đi k h i chuyển từ cây n ọ sang cây kia. Ô n g cũng cho b i ế t :

- K h ô n g thể nuôi cấy tác n h â n gây bệnh trên m ô i trường dinh d ưỡn g n h â n tạo.
- T á c n h â n gây bệnh k h ô n g bị g i ế t bằng cồn.

</div>
(2)<div class='page_container' data-page=2>

N ă m 1935, \Vendell M . Stanley, m ộ t n h à khoa học M ỹ đã k ế t t i n h được c á c hạt của
tác n h â n g â y bệnh m à n g à y nay n g ười ta g ọ i là virus k h ả m thuốc lá ( T M V - tobaco 
mosaic virus).

Trong những n ă m 1950, T M V và các virus k h á c đã được quan sát t hấy bằng k í n h 
h iển v i đ iệ n tử, virus n hỏ nhất c ó đ ườn g k í n h chỉ khoảng 20nm. H ạ t virus được cấu trúc
đơn g i ả n bởi m ộ t sợi axit nucleic nằm trong m ộ t lớp vỏ bọc protein.

5.2. ĐẶC ĐIỂM CHUNG TRONG CÂU TRÚC CỦA VIRUS

Genom virus rất đ ơ n giản, c ó t hể là m ộ t sợi A D N k é p , m ộ t sợi A D N đ ơ n , m ộ t sợi 
A R N k é p hoặc m ộ t sợi A R N đ ơ n . A D N của virus c ó t hể là p h â n tử sợi thẳng hoặc sợi
vòng, trong đ ó c ó t hể chỉ g ồ m 4 gen hoặc t ố i đ a là vài t r ă m gen.

5.2.1. Vỏ bọc của virus (capsid và envelop)

Virus c ó thể c ó 2 lớp vỏ, lóp trong g ọ i là vỏ capsid, lớp ngoài được g ọ i là lớp bao
envelop. Capsid là m ộ t lớp vỏ protein bọc bên ngoài genom của virus. Cấu trúc của vỏ

capsid có thể đa dạng và được tạo bởi các tiểu phần nhỏ g ọ i là capsomeres - các tiểu phần 
này có thể là một hoặc vài loại protein khác nhau. vỏ envelop là lóp m à n g phủ ngồi vỏ 
capsid có vai trò giúp virus lây n h iễm t ế bào. T h à n h phần cơ bản của vỏ bọc là protein.

5.2.2. Sinh sản virus trong tế bào sinh vật chủ

Virus là m ộ t k ý sinh n ộ i b à o bắt buộc, chỉ c ó k h ả n ă n g b iểu h i ệ n và sinh sản b ê n 
trong t ế b à o sống. Mỗi virus c ó t hể c ó m ộ t hoặc vài sinh vật chủ đặc thù:

- Các virus nhận b i ế n t ế b à o chủ n hờ sự t ư ơ n g tác thuận giữa protein vỏ b ê n n g o à i 
của virus và m ộ t receptor đặc thù trên bể mặt của t ế b à o chủ.

- M ộ t vài virus c ó k h ả n ă n g k ý sinh ở n h i ề u sinh vật chủ, c ó t hể là vài lồi sinh vật,
ví dụ: virus c ú m gà (bird A u H 5 N 1 ) và virus d ạ i (rabies).

K h ả n ă n g k ý sinh của m ộ t số virus mang tính đặc h i ệ u cao:

- M ộ t vài virus chỉ c ó k h ả n ă n g lây n h iễm ở m ộ t lồi: ví dụ virus lây n h iễm v i k h uẩn 
E.coli.

- M ộ t vài virus chỉ c ó t hể k ý sinh ở m ộ t l o ạ i m ô ở m ộ t loài: virus g â y c ả m l ạ n h ở
người chỉ c ó thể lây n h iễm c á c t ế b à o ở phần trên của đ ườn g h ô hấp, virus A I D S chỉ c ó
thể b á m vào các receptors đặc thù ở t ế b à o bạch cầu.

Chu trình sinh sản và lây n h iễm của virus g ồ m 3 bước:
- Genom của virus t h â m nhập v à o b ê n trong t ế b à o chủ.

- Virus sử dụng c á c vật l i ệ u của t ế b à o chủ để n h â n bản genom virus và sản xuất c á c
protein vỏ virus (capsid và envelop).

</div>
(3)<div class='page_container' data-page=3>

5.2.3. C ơ c h ế n h iễm b ệ n h v i r u s

V í dụ: T- even phage sử dụng phần đ u ô i để b á m v à o t h à n h t ế b à o chủ v à b ơ m A D N
vào t ế b à o chủ. K h i genom virus đã v à o trong t ế b à o n ó l à m thay đổi c á c c h ư ơ n g t r ì n h
hoạt động của t ế b à o chủ và bắt đầu n h â n bản.

Có 3 cách nhãn genom virus:

- A D N - > A D N , n ế u genom của virus là A D N sợi k é p , A D N virus n h â n b ả n g i ố n g
n h ư A D N của t ế b à o , virus sử dụng A D N polymerase của t ế b à o chủ để n h â n b ả n A D N
của n ó .

- A R N - > A R N , t ế b à o chủ k h ô n g c ó enzym để n h â n bản A R N virus, đ a số A R N
virus c ó chứa gen m ã hoa A R N replicase - m ộ t enzym sử dụng A R N virus l à m k h u ô n để
tổng hợp các A R N tương đổng.

- A R N - A D N - A R N , m ộ t vài virus c ó k h ả n ă n g m ã hoa reverse transcriptase - m ộ t
enzym tổng hợp A D N từ sợi k h u ô n A R N của virus.

Vỉrus sử dụng các vật liệu của tế bào chủ để sinh sản:

- Các gen của virus sử dụng các enzym, ribosome, t A R N , axit a m i n , A T P , các 
nucleotid và các yật l i ệ u k h á c của t ế b à o chủ để n h â n bản genom v à sản x uất c á c protein
vỏ vừus.

- Các t iểu phần của virus g ồ m axit nucleic và vỏ virus được lắp r á p v à tạo ra h à n g
t r ă m đế n h à n g n g h ì n virus k h á c nhau p h á vỡ t ế b à o chủ và lây sang t ế b à o k h á c . C á c tiểu
phần của vừu s c ó thể tự l á p r á p trong ống n g h i ệ m k h i t r ộ n A R N và c á c protein vỏ với
nhau để tạo ra m ộ t virus h o à n chỉnh.

ARN (genom của virus)
> f

ADN virus

Phiên mã Phiên mã genom

> V

mARN virus ARN của virus trong tế bào 
vật chủ để tạo ra virus mới
> f

ARN của virus trong tế bào
vật chủ để tạo ra virus mới

> f V

Protein của virus > Virus mới

</div>
(4)<div class='page_container' data-page=4>

5.2.4. C h u t r ì n h s i n h sản của v i r u s k ý sinh ở v i k h uẩn

C á c virus k ý sinh ở v i khuẩn được g ọ i là bacteriophage, hay v i ế t g ọ n là phage, t i ế n g
V i ệ t g ọ i là thực k h uẩn hay siêu v i k h uẩn ( S V K ) . C ó 2 k iểu chu trình sinh sản của S V K :
lytic và l y s o g è n i c .

5.2.4.1. Chu trình hoại sinh (lytic)

V í dụ, chu trình lytic ở S V K T4 x ả y ra g ồ m các giai đ oạ n sau:

- S V K T 4 b á m v à o m à n g t ế b à o chủ: T4 nhận b i ế t t ế b à o chủ n hờ c ó sự tương đổng
giữa protein trên sợi đ u ô i của virus và repceptor đặc thù ở m à n g n g o à i của v i k h uẩn
E.coli.

- Genom t h â m nhập v à o t ế b à o để l ạ i phần vỏ protein của T 4 ở b ê n n g o à i t ế b à o .
- C á c hydrolytic e n z y m (enzym t h ú y p h â n ) p h â n huy A D N của t ế b à o chủ E.coli. 
T ế b à o chủ bắt đầu sao m ã và phiên m ã genom của virus. M ộ t trong các enzym đầu
tiên của virus là enzym p h â n huy A D N của t ế b à o chủ. A D N của S V K k h ơ n g bị ảnh
hưởng vì c ó chứa các cytosine đã b i ế n đổi và vì v ậ y A D N virus k h ô n g chịu ảnh hưởng
bởi enzym t h ú y p h â n A D N của t ế b à o chủ.

- Virus sử dụng nucleotid (được p h â n huy từ t ế b à o chủ) để n h â n bản genom virus.
- T ế b à o chủ sản x uất 3 l o ạ i protein vỏ và lắp r á p các protein để tạo đ u ô i phage, sợi
đuôi (tail fibers) và đầu virus (polyhedral heads).

- Các t iểu phần của virus tự lắp r á p để tạo hạt virus h o à n chỉnh.
- P h â n huy t ế b à o chủ và g i ả i p h ó n g các hạt virus:

+ Genom của virus sản sinh các lysozyms p h â n g i ả i m à n g t ế b à o v i k h uẩn .

+ Á p lực t hẩm t hấu l à m p h á vỡ t ế b à o v à g i ả i p h ó n g ra h à n g t r ă m virus từ m ộ t t ế 
b à o chủ.

+ Các virus mới c ó t hể lây n h iễm các t ế b à o chủ lân cận.

Chu kỳ lytic (lytic cycle) k é o dài 20 - 30 phút ở nhiệt độ 3 7 ° c . Trong giai đ oạ n n à y
mật độ quần thể T 4 sẽ tăng lên h à n g t r ă m lần .

Cơ chế tự vệ của vi khuẩn

- V i k h uẩn c ó t hể thay đổi receptor bằng m ộ t độ t b i ế n , n hờ v ậ y virus k h ô n g thể nhận
biết receptor để b á m và g â y bệnh.

- Các enzym cắt g iới hạn của v i k h uẩn nhận b i ế t và cắt c á c A D N l ạ , trong đ ó c ó các
A D N của siêu v i khuẩn. N h ư n g A D N của c h í n h v i k h uẩn c ó c á c thay đổi hoa học do vậy
k h ô n g bị p h â n huy bởi các enzym cắt của c h í n h n ó . Enzym cắt g iới hạn là các enzym tự 
nhiên của v i k h uẩn c ó k h ả n ă n g cắt các A D N l ạ , x ú c tác cắt A D N t h à n h các m ả n h nhỏ.

Trong chu kỳ hoại sinh, vi khuẩn và siêu vỉ khuẩn liên tục cùng tiến hoa

- Hầu n h ư các v i khuẩn c ó cơ c h ế chống siêu v i k h uẩn c ó h i ệ u quả.

</div>
(5)<div class='page_container' data-page=5>

5.2.4.2. Chu kỳ tiêm sinh (Lysogenic cycle)

M ộ t số virus c ó thể c ù n g chung sống với t ế b à o chủ bằng c á c h cài genom của c h ú n g 
vào genom của t ế b à o . Sau k h i c à i genom của m ì n h v à o genom của t ế b à o c h ủ , sinh sản
với t ế b à o chủ n h ư n g virus k h ô n g hoạt động cho đế n k h i bắt đầu chu kỳ lytic. C á c virus 
n h ư vậy được g ọ i là các temperate virus và c h ú n g c ó 2 chu kỳ sống: Lysogenic và l y t i c .

Phage X (E. Lederberg, 1951) là m ộ t ví dụ. Chu kỳ t i ề m sinh của phage X d iễn ra
theo trình tự sau:

- Phage X gắn v à o b ề mặt t ế b à o v i k h uẩn E. c o l i .
- Phage À. tiêm A D N của n ó v à o t ế b à o chủ.

- A D N của phage c ó thể bắt đầu chu kỳ t i ề m sinh hoặc h o ạ i sinh (lytic).

Trong q u á trình t i ề m sinh, A D N của phage cài v à o m ộ t vị trí đặc t h ù n à o đ ó của 
nhiên sắc thể v i k h uẩn và trở t h à n h t i ề n phage (prophase). Hầu h ế t c á c gen của prophage 
ở trạng thái k h ô n g hoạt động. Gen của prophage m ã hoa m ộ t protein k ì m h ã m l à m ức

c h ế hầu hết c á c gen của prophage. Prophage genom sẽ được n h â n bản lên n h i ề u lần c ù n g 
với q u á trình p h â n chia của t ế b à o chủ và c ó t hể t ồ n t ạ i trong t ế b à o c h ủ n h i ề u t h ế hệ.
Đế n m ộ t t hời đ iểm nhất định, A D N của phage c ó t hể t á c h ra k hỏi A D N của t ế b à o chủ
và c ó thể bắt đầu chu kỳ hoại sinh.

5.3. MỘT SỐ BỆNH VIRUS NGUY HẠI

Virus g â y ra rất n h i ề u bệnh ở n g ười , độ n g vật, thực vật và kể cả v i k h uẩn . M ộ t số 
bệnh virus rất thường gặp n h ư c ú m . Đặc đ iểm quan trọng của bệnh virus là k h i mắc
bệnh virus, việc chữa bệnh sẽ gặp n h i ề u k h ó k h ă n .

D ưới đ â y c h ú n g ta sẽ tham khảo ba bệnh virus ở n g ười : bệnh b ạ i l i ệ t , c ú m và
H I V / A I D S . Các bệnh n à y đề u c ó chung m ộ t đặc đ iểm là đề u do virus c ó g e n o m là A R N
gây ra.

5.3.1. Virus bại liệt

</div>
(6)<div class='page_container' data-page=6>

m ộ t c h ế p hẩm vacxin từ virus bại liệt đã bị g i ế t chết v à k h ơ n g c ị n k h ả n ă n g sinh sản ở 
c ơ thể n g ười , n h ư n g c ó k h ả n ă n g g â y m iễn dịch.

5.3.2. Virus cúm (Influenza hoặc Flu)

L à virus g â y bệnh nguy h iểm ở đường h ô hấp và đã l à m chết h à n g triệu n g ười . Virus
c ú m c ó thể lây n h iễm n g ười , l ợ n , gà, vịt, h ả i cẩu và ngựa. Vừu s c ú m c ó genom là các
phân tử A R N được bao bọc bởi lớp vỏ protein (vỏ capsid) và m ộ t lớp m à n g c ó nguồn
gốc từ t ế b à o sinh vật chủ ( m à n g envelop).

Virus c ú m c ó c á c spike (cái que hoặc gai) được tạo ra bởi 2 l o ạ i protein k h á c nhau 
của virus g ọ i là Neuraminidase và Haemagglutinin. Spike đ ó n g vai trò quan trọng trong
lây n h iễm t ế b à o chủ.

Những thay đổi thường x u y ê n Ương ưì n h tự axit amin của hai protein vỏ virus dẫn 
đế n sự xuất h i ệ n liên tục các chủng mới . Các chủng mới c ó thể sinh sản ở c á c bệnh n h â n
đã có phản ứng m iễn dịch manh đố i với các chủng cũ.

Chủng c ú m mới x uất h i ệ n k h i đ a số cá thể trong quần thể sinh vật chủ c h ư a h ì n h
thành h ệ m iễn dịch k h á n g bệnh m ộ t c á c h h i ệ u quả đã g â y ra dịch c ú m lây lan nhanh 
chóng.

5.3.3. Virus gây suy giảm hệ miễn dịch HIV/AIDS

Virus gây suy g i ả m h ệ m iễn dịch thuộc n h ó m retrovirus, genom của virus n à y là
A R N . K h i A R N virus t h â m nhập v à o t ế b à o n ó sẽ được enzym sao c h é p ngược (inverted
transcriptase) x ú c tác chuyển hoa t h à n h A D N . Đ â y là m ộ t dạng c A D N của virus. P h â n
tử c A D N này c ó thể cài v à o n h iễm sắc thể của t ế b à o chủ tạo ra m ộ t dạng t i ề n virus t i ề m
sinh (provirus). Provirus c ó thể nằm y ê n qua n h i ề u lần p h â n b à o cho đế n k h i bắt đầu 
hoạt động và sinh sản, tạo ra các virus mới .

H I V lây n h iễm c á c t ế b à o của h ệ m iễn dịch, chủ y ế u lây n h iễm c á c đạ i thực b à o
(macrophage) và t ế b à o C D 4 Positive T - c e l l .

Virus H I V được v ậ n chuyển theo m á u , lây n h iễm qua đ ườn g m á u và đường sinh
dục. T h ô n g thường sẽ c ó m ộ t giai đ oạ n ố m ngắn, sốt và x uất h i ệ n k h á n g thể chống l ạ i
H I V trong m á u . C ó thể phải 6 t h á n g sau k h i bị n h iễm H I V , c ơ thể mới c ó biểu h i ệ n H I V
dương tính qua thử k h á n g thể.

Bệnh A I D S x ả y ra k h i cơ thể k h ô n g c ò n k h ả n ă n g chống l ạ i sự lây n h iễm các bệnh
vi khuẩn, nấm , virus k h á c . T i ế p theo virus sẽ n h iễm v à o c á c l o ạ i t ế b à o k h á c n h ư h ệ thần
kinh trung ương và gây ra bệnh thần k i n h , mất trí. M ộ t vài l o ạ i ung t h ư c ũ n g liên quan
đế n giai đ oạ n phát triển nhất định của bệnh A I D S .

</div>
(7)<div class='page_container' data-page=7>

virus. B iểu h i ệ n p h á t bệnh đầu tiên là sự xuất h i ệ n c á c hạch k h i đ ó t ế b à o C D 4 v à t ế b à o
T bị chết h à n g loạt và h ệ m iễn dịch bắt đầu suy y ế u .

5.4. CÁC CHIÊN LƯỢC cơ BẢN PHÒNG CHỐNG BỆNH VIRUS

D ưới đ â y là 4 c h i ế n lược c ơ bản của c ô n g nghệ sinh học trong p h ò n g chống bệnh
virus:

- Sản xuất và sử dụng c á c vacxin t r u y ề n thống 
- T ạ o c á c vacxin tái tổ hợp (recombinant vacxin)

- T ạ o ra c á c A R N đố i nghĩa (antisense R N A ) ở c ơ t hể c h ủ , k h i virus t h â m nhập v à o
t ế b à o chủ, c á c A R N đố i nghĩa sẽ bắt cặp với c á c A R N (sense R N A ) của virus v à l à m
cho virus bất hoạt.

- T ạ o ra c á c s i A R N ( A R N ngắn, 2 1 - 2 5 nucleotid) trong t ế b à o c h ủ , k h i c ó virus tấn
c ô n g c á c A R N ngắn sẽ bắt cặp với c á c trình tụ t ư ơ n g đồ n g trên sợi A R N của virus và 
l à m cho A R N virus bị p h â n huy. Đ â y là m ộ t c ô n g nghệ mới ra đời c h ư a đầy 10 n ă m l ạ i
đ â y , c ó tác dụng p h ò n g chống bệnh virus rất h i ệ u quả.

T i ê m v à o c ơ t hể chủ c á c trình tự A R N sợi k é p hoặc c á c s i A R N , c á c t r ì n h t ự A R N
k é p trong t ế b à o n h â n thực c ó t hể bị c á c enzym Dicer cắt t h à n h c á c s i A R N . C á c s i A R N
t h â m nhập v à o t ế b à o v à g â y ra bất hoạt virus.

</div>
(8)<div class='page_container' data-page=8>

Chương 6

P R O T E I N V À C Ô N G N G H Ệ E N Z Y M

6.1. GIỚI THIỆU VẾ PROTEIN

Protein quy định hầu h ế t c á c đặc tính của t ế b à o v à c ơ t hể sống. D o v ậ y c h ú n g ta c ó
thể nói protein tạo ra c á c c ơ t hể sống m ộ t c á c h đặc thù, k h ô n g t r ù n g lặp và đa dạng.
T h à n h tựu gần đ â y nhất của C h ư ơ n g trình genom n g ười (2003) cho b i ế t trong c ơ thể
người c ó chứa khoảng 30.000 gen, n h ư n g đã từ lâu n g ười ta ước tính trong c ơ t hể n g ười 
cũng chứa khoảng 30.000 c á c l o ạ i protein k h á c nhau và mỗi protein đề u c ó những chức
năng riêng biệt (E.s. Grace, 1997).

Protein được cấu trúc bởi 20 axit amin k h á c nhau. M ộ t protein v à o l o ạ i n hỏ nhất 
chẳng hạn n h ư insulin c ó chứa h ơ n 50 axit amin trong k h i đ ó thì đ a số c á c protein k h á c
lớn hơn rất n h i ề u (chứa từ vài t r ă m đế n h ơ n 1000 c á c axit amin).

T í n h đặc thù của protein và enzym do trình tự c á c axit amin trong p h â n tử protein
tạo ra.

Trình tự c á c axit amin trong p h â n tử protein l ạ i do trình tự của nucleotid trong gen
quy định. Chỉ cần thay đổi m ộ t axit amin trong cấu trúc của protein ta c ó thể tạo ra
những thay đổi rất lớn trong hoạt tính, t h ậ m c h í l à m thay đổi hẳn chức n ă n g của protein. 
Trong cấu trúc của enzym c ó m ộ t v ù n g quy định tính đặc thù của n ó g ọ i là "trung t â m
hoạt h ó a " . Trung t â m n à y c ó thể coi là v ù n g rất nhạy c ả m đố i với c á c độ t b i ế n . C á c độ t
biến gen chỉ cần l à m thay đổi ý nghĩa của m ộ t codon trên gen c ó t hể dẫn đế n sự thay t h ế
của m ộ t axit amin n à y bằng m ộ t axit amin k h á c trong "trung t â m hoạt h ó a " và c ó thể
dẫn đế n thay đổi t o à n b ộ hoạt tính hoặc chức n ă n g của protein/enzym đ ó .

6.1.1. V a i t r ò của p r o t e i n

Protein

Protein là enzym Protein cấu trúc Protein là các chất hoạt tính
sinh học

/ ị X
Xúc tác tồn bộ q

trình sinh hoa của tế
bào và cơ thể

Tạo ra các cấu trúc trên mức
phân tử như nhiễm sắc thể, lục
lạp, ty thể, tế bào, mơ, cơ quan,
prótein vận động ỏ mơ cơ và vận
chuyển ỏ tế bào máu

- Hocmon sinh trưởng, phát triển;
- Các kháng thể và khả năng miễn
dịch;

</div>
(9)<div class='page_container' data-page=9>

6.1.2. Cấu t r ú c c ủ a p r o t e i n

Protein là một polymer gồm nhiều monomer (có tên chung là axit amin) tạo thành.
M ộ t sợi polymer g ồ m m ộ t số axit amin được g ọ i là polypeptid.
Cấu trúc chung của axit amin:

NH2

R — c — H
C O O H

Cấu trúc khác nhau của các axit amin là do nhóm R quyết định. Protein được tạo bởi

20 axit amin k h á c nhau (bảng 6). C á c axit amin liên k ế t với nhau bằng cầu n ố i covalent 
(đồng hoa trị) g ọ i là cầu n ố i peptid. Cầu n ố i n à y được tạo bởi phản ứng hoa học giữa
n h ó m cacboxyl ( C O O H ) của axit amin n à y với n h ó m amino của axit amin k h á c :

I
H — N _

H
I
H — N _

j — c — ( 1 Ì

Ri li 0 
H

1
1

à 1 — c — (
li
Ri Ỏ

H H
H
I

- N
H
I
-N
H
é—C-(OH H
1 li
R2 o

H
ì
-N
H
c—c
1 li
R2 o

OH H ) _ N —
H

I
N

H
I

c — C - O H
I ý
R3 0

H
I

c — C - O H
R3 Õ

I I H H I ụ I
H

H - N - ộ — C - N - ộ — C - N -ẹ— C - O H + 2 H20 — •

ĩ lí ĩ H ĩ ị

Rị Ở R2 Ỏ R3 Ổ

Kết quả tạo ra mạch peptid dài (protein) gồm axit amin kết nối với nhau tương tự
n h ư ở phản ứng trên.

Bảng 6.1. Tên 20 axit amin tạo nên phân tửprotein

Tên axit amin Ký hiệu Tên axit amin Ký hiệu

Alanine M a Leucine Lêu

Arginine Arg Lysine Lys

Asparagine Asn Methionine Mét

Aspartic acid Asp Phenylalanine Phe

Cysteine Cys Proline Pro

Glutamine Gìn Serine Ser

Glycine Gly Threonine Thr

Histidine His Tryptophan Trp

Glutamate Giũ Tyrosine Tyr

</div>
(10)<div class='page_container' data-page=10>

Cấu trúc k h ô n g gian của protein rất phức tạp, g ồ m 4 mức cấu trúc k h á c nhau (sơ đồ
6.1). M ộ t số k iểu liên k ế t y ế u h ì n h t h à n h giữa c á c n g u y ê n tử trong c ù n g m ộ t sợi 
polypeptid hoặc giữa các n g u y ê n tử thuộc các sợi polypeptid k h á c nhau tạo ra các cấu
trúc k h ô n g gian đặc thù của protein. C á c k iểu liên k ế t y ế u k h á đ a dạng: liên k ế t
hydrogen, liên k ế t tĩnh đ iệ n (electrostatic) và liên k ế t V a n der Waals.

Cấu trúc bậc một (Prímary structure): C á c axit amin k ế t n ố i với nhau t h à n h m ộ t

sợi polypeptid thẳng g ọ i là cấu trúc bậc m ộ t .

Cấu trúc bậc hai (secondary structure): H ì n h t h à n h do lực liên k ế t giữa các n g u y ê n

tử của các axit amin gần nhau trong sợi polypeptid m ạ c h thẳng tạo t h à n h . Cấu trúc bậc 2
thường c ó dạng sợi xoắn (oe H e l i x ) .

Cấu trúc bậc 3 (Tetiary structure): C á c m ạ c h polypeptid cấu trúc bậc m ộ t c ó thể

gấp khúc do các lực liên k ế t y ế u tạo n ê n cấu trúc bậc 3. V í dụ, cấu trúc bậc 3 của p h â n

tử mioglobin.

Cấu trúc bậc 4 (Quaternary structure): Trong m ộ t số c á c protein, 2 hoặc n h i ề u hơn

sơ sợi polypeptid c ó cấu trúc bậc 3 liên k ế t l ạ i tạo t h à n h cấu trúc bấc 4. V í dụ, cấu trúc
bậc 4 của phân tử hemoglobin. Cấu trúc bậc 4 c ó thể h ì n h t h à n h giữa c á c sợi polypeptid 
khác nhau hoặc giữa c á c sợi giống nhau.

N h i ề u protein c ó cấu trúc chặt c h ẽ h ì n h cầu: các enzym và các k h á n g t hể là những
protein c ó cấu trúc h ì n h cầu quan trọng nhất, trong k h i các protein sợi là t h à n h phần cấu
trúc quan trọng của m ơ c ơ và sợi tóc.

Primary

structur* Secondary structurc s trúc tu re Tertiary Quatomary structurc

ị ca, 1
1 GI V 1

-Ệ

E&-1 ***J E&-1
| t f Ị
h ạ i
n ạ n
tefÉ
1 ***J 1
| t f Ị
h ạ i
n ạ n

tefÉ

Aminci acid reKÍdues rHelix Poiyp«ptlde chuin AKKembli.-d stibuniu

Sơ đồ 6.1. Cấu trúc không gian của protein (theo Neỉson and Cox, 2000)

Cấu trúc không gian của protein là yếu tố quyết định đối với chức năng của protein

trong t ế b à o . Cấu trúc k h ô n g gian của protein được quy định bởi trình tự axit amin trong
cấu trúc bậc m ộ t của n ó . Cấu trúc bậc ba và bậc bốn của protein c ũ n g được quy định bởi 
cấu trúc bậc m ộ t của các polypeptid tạo n ê n protein đ ó . T r ì n h tự các axit amino cũng
quy định vai trò của gốc R trong các liên k ế t đặc thù của protein n à y với các t h à n h phần
khác của t ế b à o .

6.2. CÔNG NGHỆ ENZYM

Cơ thể sống thực sự là một nhà máy hoa chất khổng lồ nhất mà con người được biết

</div>
(11)<div class='page_container' data-page=11>

Enzym được h ệ thống sống sản sinh ra để x ú c tác c á c phản ứng sinh hoa cần cho sự 
tồn t ạ i của h ệ thống sống đ ó . Chất x ú c tác (catalyst) là c á c tác n h â n hoa học c ó t hể l à m
thay đổi tốc độ của m ộ t phản ứng hoa học n h ư n g k h ô n g bị b i ế n chất hay p h â n huy bởi
các phản ứng m à n ó x ú c t á c .

Enzym là các protein c ó k h ả n â n g x ú c tác c á c phản ứng hoa học với b ả n c hất là c á c
chất xúc tác sinh học (biocatalysts). Đế n nay, n g ười ta cho b i ế t c ó h à n g n g à n e n z y m c á c
loại, x ú c tác các phản ứng sinh hoa đặc thù trong t ế b à o . M ộ t số c á c phản ứng p h â n g i ả i
thức ăn t h à n h axit amin, đ ườn g và các chất b é o đ ơ n g i ả n c ó t hể được thực h i ệ n với sự
xúc tác của enzym trong vài phút. N ế u k h ô n g c ó c á c enzym tham gia, c á c p h ả n ứng
tương tự n h ư trên c ó t hể phải k é o dài vài chục n ă m .

Enzym sau k h i được t á c h ra k hỏi t ế b à o sống vẫn c ó t hể x ú c t á c c á c p h ả n ứng hoa
học i n vitro. K h ả n ă n g của c á c enzym c ó t hể bảo t ồ n k h ả n ă n g x ú c tác c á c p h ả n ứng sinh
hoa học đã được khai t h á c trong sản x uất c ô n g nghiệp và được g ọ i là C ô n g n g h ệ enzym.

Trong n h ó m protein, enzym c h i ế m vị trí quan trọng n hất cả v ề số lượng v à chất
lượng. Enzym là c á c protein đ ó n g vai trị x ú c tác k h ô n g t hể t h i ế u được đố i với c á c phản
ứng hoa học trong t ế b à o . Mỗi enzym x ú c tác m ộ t phản ứng đặc thù và m ộ t số enzym 
chỉ hoạt hoa trong những đ iề u k i ệ n m ơ i trường thích hợp. Mặc d ù trong mỗi t ế b à o đề u
c ó tất cả c á c gen cần t h i ế t cho sinh tổng hợp tất cả c á c enzym trong c ơ t hể. T u y nhiên,
trong các b à o quan k h á c nhau n h ư ty t hể, lục lạp hay trong c á c m ô k h á c nhau n h ư rễ, lá
đề u c ó h ệ thống các enzym k h á c nhau hoạt độ n g .

Mỗi . enzym được tổng hợp t h ô n g qua biểu h i ệ n của gen hay h ệ đ iề u h à n h hoạt hoa
của gen/hệ gen trong m ố i quan h ệ tương tác chặt với c á c y ế u t ố n ộ i sinh v à m ô i trường
ngoài như:

- Giai đ oạ n p h á t triển và p h â n hoa của t ế b à o v à m ô trong c ơ t hể đ a b à o .
- Các y ế u t ố m ơ i trường.

- T r ì n h tự của c á c q u á trình sinh hoa x ả y ra trong đ ó mỗi enzym tham gia c ó vị trí
k h ơ n g gian và thời gian x á c định trong t ế b à o .

E n z y m sẽ được tổng hợp k h i n à o và ở đ â u , số lượng n h i ề u hay ít, t r o n g đ iề u k i ệ n
n à o enzym n à y hoặc k h á c sẽ được tổng hợp - Đ iề u đ ó được quy định bới h ệ đ iề u h à n h
của các gen và thể h i ệ n tính tổ chức trong mỗi h ệ thống enzym. D o đ ó , n g h i ê n cứu hệ
điề u h à n h sinh tổng hợp c á c enzym n ó i r i ê n g và protein n ó i chung sẽ là mấu chốt đố i với
thành c ô n g của n h i ề u l ĩ n h vực c ô n g nghiệp sinh học.

T ê n của m ộ t enzym t h ườn g được g h é p bởi t ê n gọi của m ộ t c ơ chất, hoặc chất n ề n 
của enzym đ ó cộng với n h ó m "ase" ở c u ố i . V í dụ, c á c enzym t h ú y p h â n protein t h à n h

các axit amin được g ọ i là protease hoặc proteinase. Proteinase c ũ n g c ó t hể c ó c á c tên
t h ô n g dụng k h á c như: pepsin, trypsin, bromelin... Amilase c ũ n g c ó c á c n h ó m k h á c nhau
n h ư alpha-amylase, beta-amylase, đề u là c á c enzym p h â n g i ả i tinh bột n h ư n g k h á c nhau
ít n h i ề u trong hoạt hoa hoặc cấu trúc.

6.2.1. Vai trò sinh hoa học của enzym

</div>
(12)<div class='page_container' data-page=12>

E n z y m l à m t ă n g nhanh tốc độ của phản ứng bằng việc l à m g i ả m mức n ă n g lượng tới 
hạn m à c ơ chất p h ả i đạ t đế n để phản ứng c ó thể x ả y ra.

V í dụ: phản ứng phân giải đường sucrose (Ci2H22Ou) t h à n h đ ườn g glucose và

ữuctose c ó sự tham gia của một phân tử nước x ả y ra n h ư sau:

Phản ứng n à y g ồ m q u á trình p h â n cắt p h â n tử sucrose t h à n h 2 p h â n tử và p h â n tử
nước thành H+ và OH" và tạo ra liên k ế t hoa học mới để tạo ra glucose và íructose.

Năng lượng hoạt hoa của phản ứng hoa học:

N ă n g lượng cần để làm p h á vỡ liên k ế t hoa học của c á c chất tham gia phản ứng hay
là năng lượng k hởi đầu của phản ứng được g ọ i là n ă n g lượng hoạt hoa. K ý h i ệ u là EA.

Năng lượng hoạt hoa c ó thể là nhiệt lượng m à các p h â n tử tham gia phản ứng cần hấp 
thụ để làm vỡ liên k ế t hoa học của c h ú n g . N ă n g lượng n à y được lấy từ m ơ i trường ngồi 
có tác dụng làm cho liên k ế t hoa học b ê n trong các chất tham gia phản ứng k h ơ n g c ị n
bền vững nữa - đ â y là đ iề u k i ệ n để tạo ra các sản p hẩm mới . Sau k h i chất mới được tạo
ra với các liên k ế t hoa học ổn định, n à n g lượng sẽ được g i ả i p h ó n g ra m ô i trường. N ế u 
năng lượng được g i ả i p h ó n g ra lớn h ơ n so với n ă n g lượng hấp thụ ban đầu ( lớn hơn EA)

thì phản ứng sẽ được g ọ i là phản ứng toa nhiệt.

Q u á trình chuyển hoa của các chất ln l u ô n phụ thuộc v à o n ă n g lượng tự do chứa
trong nó: ở đ â y n ă n g lượng tự do của 2 chất A - B và C- D được k ý h i ệ u là E | . Sau k h i 
các chất này hấp thụ nhiệt lượng từ b ê n n g o à i sẽ c ó n ă n g lượng tự do cao hơn và đạt
trạng thái n â n g lượng E'i ( Kị = E j + EA) . 0 trạng thái n ă n g lượng E'ị c á c chất tham gia

phản ứng sẽ k é m b ề n vững hơn, giàu k h ả n ă n g chuyển hoa h ơ n . Trạng thái n à y của các
chất được g ọ i là trạng thái chuyển t i ế p . Trạng thái n ă n g lượng của các sản phẩm tạo
thành sau phản ứng A - c và B - D thấp h ơ n được k ý h i ệ u là E2. M ứ c độ c h ê n h lệch n ă n g

lượng tự do giữa các chất tham gia phản ứng và các sản p hẩm sau phản ứng được g ọ i là
AG (Sơ đồ 6.2).

Cl 2H2 20 „ + H20 Q H . A + - Q H . A

A ^ ~ B I Trạng thái chuyển tiếp: các chất tham
c,—D I gia phản ứng hấp thu năng lượng Ex

và trở nền kém bền vững.
Năng lượng

tự do E' I Chất tham
gia phản ứng
A-B /
C-D /
E|

ị 
Sản phẩm AG

A - C
B - D t

</div>
(13)<div class='page_container' data-page=13>

Trong trường hợp phản ứng là phản ứng toa nhiệt thì n ă n g lượng A G sẽ l à m ộ t số
d ư ơ n g . N ă n g lượng EA được g ọ i là g iới hạn n ă n g lượng. Đ iểu đ ó c ó nghĩa l à c á c chất A B

và C D chỉ c ó thể phản ứng với nhau n ế u c á c chất n à y được hấp t hụ m ộ t n ă n g lượng EA

t ố i thiểu để đạt trạng thái n ă n g lượng E ' l . Trạng thái n ă n g lượng E ' l là trạng t h á i c h u y ê n
t i ế p k h i c á c chất tham gia phản ứng sẵn sàng chuyển hoa. N ế u n â n g lượng EA q u á lớn ,

có nghĩa là h ệ thống phải t i ế p thu n h i ề u nhiệt lượng hay cần k í c h lên n h i ệ t độ cao đ ê
phản ứng c ó thể x ả y ra, c ó thể sẽ k é o theo sự huy d i ệ t của t ế b à o sống. D o v ậ y , đế phản
ứng hoa học được x ả y ra trong cá c đ iề u k i ệ n nhiệt độ m ô i trường k h á ổn định của c ơ thê
sông cần đế n vai t r ò của các enzym. Ở đ â y , enzym c ó tác dụng l à m g i ả m n h u cầu hấp 
thụ nhiệt n ă n g của cá c chất tham gia phản ứng và k í c h hoạt tốc độ của c á c p h ả n ứng hoa
học trong h ệ thống.

Sản p hẩm

Sơ đồ 6.3. Năng lượng hoạt hóa của phản ứng hóa học chuyển hóa các chất

Enzym khơng thể làm thay đổi năng lượng AG (là độ chênh lệch năng lượng tự do

của các chất ở đầu và c u ố i của q u á trình phản ứng). N ó chỉ c ó t h ệ l à m g i ả m nhiệt n ă n g
m à các chất tham gia phản ứng cần t i ế p thu để phản ứng x ả y ra. T r ê n đổ thị ta t hấy năng 
lượng El c (phản ứng c ó sự tham gia x ú c tác của enzym) thấp h ơ n so với E ' j . N h ư v ậ y nếu

ta c o i EA 1 là g iới hạn n ă n g lượng ở phản ứng k h ô n g c ó sự tham gia của enzym v à EM là

g iới hạn n ă n g lượng của phản ứng c ó sự tham gia của enzym thì EA 1 sẽ lớn h ơ n EA 2 (sơ

đồ 6.3).

T ó m l ạ i , trong q u á trình phản ứng, enzym + c ơ chất tạo ra tổ hợp enzym - cơ chứ 
làm thay đổi n ă n g lượng của c ơ chất và g i ú p chuyển hoa c ơ chất t h à n h sản p hẩm với tốc
độ phản ứng tăng. C ô n g thức tổng hợp của phản ứng được x ú c tác bởi enzym, trong đ ó E 
là enzym, A là cơ chất, B là sản p hẩm được biểu h i ệ n n h ư sau:

</div>
(14)<div class='page_container' data-page=14>

E n z y m c ó t hể l à m tăng tốc độ của phản ứng lên h à n g t r i ệ u lần . V í dụ, enzym 
catalase d ù n g trong c ô n g nghiệp dệt, Ì p h â n t ử catalase c ó t hể chuyển hoa 5 X l o6 = 5

triệu p h â n tử hydrogen peroxide thành nước và oxy trong m ộ t p h ú t .

M ộ t đặc trưng quan trọng của enzym là hoạt tính của n ó . H o ạ t tính của m ộ t enzym 
được đ o là bằng số p h â n tử c ơ chất chuyển hoa t h à n h sản p hẩm trong m ộ t đ ơ n vị thời 
gian bởi m ộ t p h â n tử của enzym trong trường hợp c ơ chất ở nồng độ b ã o hoa. Trong đ a
số các trường hợp hoạt tính đặc thù của enzym được biểu h i ệ n bằng ịimol c ơ
chất/phút/mg của enzym ( U / m g protein).

6.2.2. Một số đặc tính quan trọng của enzym

Enzym c ó m ộ t số c á c thuộc tính c ơ bản d ưới đ â y :

6.2.2.1. Tính đặc thù của enzym

Emyrn chỉ xúc tác phản ứng với các cơ chất đặc thù:

Enzym c ó tính đặc thù rất cao, n ó chỉ x ú c tác phản ứng sinh hoa nhất định, hay là
mỗi enzym chỉ c ó t hể nhận b i ế t v à x ú c t á c q u á t r ì n h b i ế n đổi của m ộ t hoặc vài c ơ chất

nhất định.

Tính đặc thù của enzym là do cấu trúc bậc m ộ t và cấu t r ú c k h ô n g gian của enzym
quy định. N ế u thay đổi cấu trúc k h ô n g gian của enzym bằng sự thay đổi nồng độ hoặc 
độ p H của m ô i trường c ó t hể l à m cho enzym mất hoạt hoa.

Enzym với tính đặc thù cao c ũ n g c ó t hể nhận b i ế t sự k h á c nhau của hai c ơ chất c ó
cấu trúc rất giống nhau.

Enzym có tính đặc thù khơng gian

Mỗi enzym c ó m ộ t vị trí k h ô n g gian x á c định trong t ế b à o , trong m ô hoặc c ơ quan.
Mỗi c ơ quan tử trong t ế b à o c ó những enzym và h ệ thống enzym đặc thù thích hợp với
chức n ă n g của n ó . V í dụ c á c enzym A D N - polymerase, A R N - polymerase chỉ hoạt hoa 
trong n h â n t ế b à o hoặc trong n ộ i b à o quan c ó chứa A D N n h ư lục lạp, ty t hể.

Enzym có tính đặc thù thời gian

Các enzym được tổng hợp theo trình tự thời gian trong m ộ t c h uỗi phản ứng sinh hoa,
trong những thời đ iểm cụ t hể của chu kỳ p h â n b à o và ở thời đ iểm x á c định trong q u á
trình phát t r iển của c á t hể. V í dụ, thời kỳ phát dục của t ế b à o l u ô n k è m theo hoạt hoa 
của m ộ t loạt c á c gen và c á c enzym tương ứng m à trong thời kỳ sinh trưởng trước đ ó
c h ú n g k h ô n g hoạt độ n g .

T í n h đặc thù v ề vị trí k h ô n g gian và thời gian của enzym là y ế u t ố q u y ế t định tính
đặc thù trong p h â n hoa chức n ă n g của tổ chức sống.

</div>
(15)<div class='page_container' data-page=15>

thù. V i ệ c m ô phỏng h ệ thống m à n g sinh học trong đ ó c ó sự sắp x ế p t ố i ưu của h ệ t h ô n g
enzym c ó thể sẽ mang l ạ i những độ t p h á quan trọng trong n g à n h c ô n g nghiệp hoa sinh.

6.2.2.2. Một số các đặc tính quan trọng khác của enzym

- Enzym x ú c tác sự b i ế n đổi hoa học của c á c c ơ chất, n h ư n g b ả n t h â n enzym k h ô n g
bị tiêu huy trong q u á trình x ú c tác đ ó .

- Với sự c ó mặt của enzym, tốc độ của phản ứng hoa học x ả y ra rất cao.
- M ộ t lượng enzym n hỏ c ó t hể c h ế b i ế n m ộ t lượng c ơ chất lớn .

- Enzym c ó thể hoạt hoa ở c á c đ iề u k i ệ n nhiệt độ k h á c nhau từ 0 - 1 1 0 ° c và ở c á c độ
p H từ2 - 1 4 .

- M ộ t số enzym chỉ hoạt hoa trong đ iề u k i ệ n c ó mặt của c á c y ế u t ố đồ n g thời
(cofactors). Cofactors c ó t hể là c á c lon k i m l o ạ i hoặc là c á c nucleotid hay v i t a m i n . . .

- N hờ tính đặc thù của enzym, c ô n g nghiệp enzym c ó t hể tạo ra c á c sản p hẩm có
chất lượng cao, độ tinh k h i ế t cao, ít sản p hẩm phụ, do v ậ y dễ t i n h sạch.

- Enzym c ó thể được sản x uất bởi c á c v i sinh vật ở quy m ô lớn m à k h ô n g cần đế n
c á c thiết bị chịu hoa chất.

- V ì enzym là m ộ t p h â n tử protein, n ó c ó t hể bị p h â n rã ( b i ế n t í n h ) ở c á c n ồ n g độ p H
và nhiệt độ nhất định hoặc do k h uấy trộn mạnh. Trong trường hợp cần t h i ế t để p h â n hủy
enzym n g ười ta chỉ cần t ă n g độ p H hay nhiệt độ là đủ . H o ạ t t í n h của enzym do v ậ y rất 
dễ điề u k h iển . Enzym c ó t hể dễ p h â n huy do v ậ y c ó l ợ i cho k iểm s o á t m ô i t r ườn g .

6.2.3. Trung tâm hoạt hoa của enzym

Trong phản ứng, c ơ chất và enzym tạo ra m ộ t tổ hợp enzym + c ơ chất. C ơ chất được 
gắn v à o m ộ t v ù n g x á c định của enzym được g ọ i là trung t â m hoạt hoa n hờ c á c liên k ế t 
y ế u n h ư liên k ế t hydro hoặc liên k ế t l o n . Sau k h i c ơ chất được c h u yển hoa t h à n h sản

p hẩm , sản p hẩm sẽ rời trung t â m hoạt hoa n h ườn g c hỗ cho c á c p h â n t ử c ơ chất mới .

Phản ứng x ả y ra nhanh đế n mức m ộ t p h â n t ử enzym c ó t hể b i ế n đổi h à n g n g h ì n phân
tử c ơ chất trong Ì giây. Hầu h ế t c á c phản ứng enzym là 2 c h i ề u : phản ứng x u ô i và phản
ứng ngược l ạ i . C h i ề u của phản ứng phụ thuộc rất n h i ề u v à o nồng độ t ư ơ n g đố i của các
cơ chất và sản p hẩm .

T ư ơ n g tác giữa "trung t â m hoạt hoa" của enzym và c ơ chất giống n h ư t ư ơ n g tác giữa 
ổ khoa và c h ì a khoa, trong đ ó cấu trúc k h ô n g gian của enzym là đặc biệt quan trọng,
trong đ ó trình tự c á c axit amin của trung t â m hoạt hoa đ ó n g vai t r ò q u y ế t địn h đố i với
tính đặc h i ệ u của enzym.

</div>
(16)<div class='page_container' data-page=16>

t â m hoạt hoa) c ó t hể g â y ra sự thay đổi mức hoạt hoa, hoặc đ iề u k i ệ n hoạt hoa t ố i ưu, 
hoặc độ b ề n vững của enzym m à k h ô n g thay đổi chức n ă n g (tính đặc h i ệ u ) của n ó . D o
vậy c ô n g nghệ gen c ó t hể tác động l à m thay đổi m ộ t số tính chất của enzym.

6.2.4. Các điều kiện hoạt hoa tối ưu của enzym
6.2.4.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ và độ pH

Enzym c ó t hể hoạt hoa ở các đ iề u k i ệ n nhiệt độ k h á c nhau từ 0 - 110l )c và ở c á c độ

pH từ 2-14.

Cấu trúc k h ô n g gian bậc ba của protein rất c ả m ứng với đ iề u k i ệ n m ô i trường. Hầu
hết c á c enzym c ó hoạt tính t ố i đa ở nhiệt độ t ố i ưu, nhiệt độ t ố i ưu thường là nhiệt độ
bên trong của t ế b à o m à từ đ ó enzym được sản sinh ( đố i với enzym n ộ i b à o ) . Đố i với c á c
enzym ngoại b à o (enzym được t ế b à o t i ế t ra m ô i trường) nhiệt độ t ố i ưu c ó t hể là nhiệt
độ m ô i trường trong đ ó enzym hoạt độ n g . T ố c độ phản ứng t ă n g lên c ù n g với sự tăng
của nhiệt độ cho đế n k h i đạ t đế n nhiệt độ t ố i ưu. N h i ệ t độ cao h ơ n so với nhiệt t ố i ưu c ó
thể làm cho hoạt tính của enzym g i ả m nhanh và c ó t hể l à m enzym p h â n rã và mất hoạt

tính. ở nhiệt độ thấp phản ứng x ả y ra chậm h ơ n n h ư n g enzym c ó t hể hoạt độ n g dài h ơ n .

Nhiệt độ t ố i ưu cho hoạt hoa của đa số c á c enzym ở n g ười v à o khoảng 3 7 ° c , trong
khi đ ó nhiệt độ t ố i un cho hoạt hoa của c á c enzym ở loài v i k h uẩn ưa n ó n g nằm trong 
khoảng 70-75°C,

Mỗi enzym c ó độ p H t ố i ưu, sự t ă n g hoặc g i ả m độ p H so với độ p H t ố i ưu đề u l à m
giảm hoạt tính của enzym. M ộ t enzym được đ á n h giá là c ó giá trị t h ư ơ n g m ạ i cao h ơ n
khi n ó c ó khoảng dao độ n g t ố i ưu của p H rộng h ơ n , n hờ v ậ y những thay đổi n hỏ của độ
pH k h ô n g l à m thay đổi lớn tốc độ của phản ứng. <:

Độ p H t ố i ưu cho hoạt độ n g của đa số c á c enzym nằm trong khoảng p H = 6 - 8. Tuy
nhiên c ó những ngoại l ệ , ví dụ, pepsin là enzym tiêu hoa trong d ạ d à y hoạt động t ố i ưu ở
pH = 2, trong k h i enzym tiêu hoa trypsin ở ruột l ạ i thích nghi với m ô i trường k i ề m v à 
hoạt hoa t ố i ưu k h i p H = 8.

6.2.4.2. Cofactors

N h i ề u enzym cần đế n sự trợ g i ú p của c á c p h â n tử k h ô n g p h ả i protein để hoạt động.
Các phân tử n à y được g ọ i là c á c y ế u t ố đồ n g thời (coíactors).

V ề bản chất, c o í a c t o r s c ó t hể là chất v ô c ơ n h ư lon k i m l o ạ i ( k ẽ m , sắt, đồng...) 
Cofactors c ũ n g c ó thể là các chất hữu c ơ (trong trường hợp n à y cofactors được g ọ i là
coenzym) n h ư c á c vitamin hay nucleotid. C á c coenzym rất cần t h i ế t cho sự hoạt động 
xúc tác của enzym.

6.2.4.3. Các chất kìm hãm enzym

</div>
(17)<div class='page_container' data-page=17>

Ngược l ạ i , ức c h ế sẽ là đảo ngược n ế u sự liên k ế t của chất ức c h ế với enzym là c á c liên
k ế t y ế u . N h i ề u chất ức c h ế c ó cấu trúc hoa học tương tự với c ơ chất, do v ậ y c h ú n g c ó t hể

cạnh tranh với c ơ chất trong liên k ế t với trung t â m hoạt hoa. C h ú n g l à m g i ả m hoạt tính
của enzym. K iểu ức c h ế n h ư v ậ y g ọ i là ức chế cạnh tranh.

Trái với ức c h ế cạnh tranh là ức chế không cạnh tranh: CÁC chất k ì m h ã m enzym
k h ô n g tương tác trực t i ế p với trung t â m hoạt hoa được g ọ i là c á c chất k ì m h ã m k h ô n g
cạnh tranh. C á c chất n à y thường b á m v à o các phần k h á c trong cấu trúc của enzym, làm
cho enzym bị b i ế n dạng, hoạt tính của enzym bị suy g i ả m hoặc bị triệt tiêu. M ộ t số chất
là chất độc do c h ú n g c ó tính chất k ì m h ã m hoạt tính enzym. V í dụ, D D T và parathion ức
c h ế c á c enzym quan trọng của h ệ thần k i n h của c ô n t r ù n g , c á c chất k h á n g sinh diệt
khuẩn vì c h ú n g ức c h ế hoạt động của enzym v i khuẩn.

C ơ c h ế ức c h ế hoạt tính của enzym tổn t ạ i ngay trong t ế b à o c ơ t hể sống v à đ ó n g vai
trị quan trọng đố i với sự sống.

6.2.4.4. Điều khiển quá trình trao đổi chất thơng qua các chất tăng cường hoặc 
ức chê enzym

M ộ t phần trong cấu trúc của enzym, n h ư n g ở xa trung t â m hoạt hoa của n ó , là
allosteric site. M ộ t số chất c ó thể b á m v à o allosteric site và l à m thay đổi hoạt hoa của
enzym theo hướng tăng cường hoặc ức c h ế .

C á c enzym m à hoạt tính của c h ú n g được đ iề u k h iển t h ô n g qua allosteric site được
g ọ i là allosteric enzym. C á c enzym n à y được cấu tạo bởi hai hoặc vài m ạ c h polypeptid.
Mỗi m ộ t mạch n à y l ạ i c ó thể c ó m ộ t trung t â m hoạt hoa riêng và c á c allosteric sites
thường nằm ở v ù n g liên k ế t giữa các m ạ c h polypeptid. C á c chất t ă n g c ườn g hoặc ức c h ế 
enzym k h i b á m v à o m ộ t trong c á c allosteric site c ó t hể l à m b i ế n dạng c á c đ ơ n vị cấu
trúc k h á c của enzym và ảnh hưởng đế n hoạt tính của tồn b ộ enzym.

Trong một số trường hợp chất tăng c ườn g và chất k ì m h ã m c ó cấu trúc t ư ơ n g tự và
có thể cạnh tranh liên k ế t với allosteric site. V í dụ A T P và A M P , m ộ t enzym c ó thể bị

k ì m h ã m bởi A T P và được tăng cường bởi A M P . N ế u nồng độ A T P trong t ế b à o bị thấp
so với nhu cầu sử dụng, chất tăng cường là A M P sẽ b á m v à o allosteric site để k í c h hoat
enzym chuyển hoa chất n à y theo theo hướng tạo A D P và sau đ ó A T P . N ế u A T P d ư thừa
trong t ế b à o , chất k ì m h ã m (ATP) sẽ b á m v à o allosteric site của enzym và ức c h ế e n z y m .
6.2.4.5. Điều khiển ngược ựeedback regulation)

</div>
(18)<div class='page_container' data-page=18>

M ộ t ví dụ k h á c là q u á trình tổng hợp isoleucine từ threonine. Q u á trình chuyển hoa
từ threonine t h à n h isoleucine qua 5 bước phản ứng trung gian với sự tham gia của 5
enzym k h á c nhau, bắt đầu là enzym threonine deaminase. K h i chất c u ố i c ù n g của c h uỗi
phản ứng là isoleucine được tạo ra và tích l ũ y trong t ế b à o , n ó sẽ b á m v à o allosteric site
của enzym threonine deaminase và l à m b i ế n dạng enzym n à y . K ế t quả là enzym k h ơ n g
cịn k h ả n ă n g chuyển hoa threonine nữa. N h ư vậy, c ơ c h ế đ iề u k h iển ngược g i ú p cho t ế
b à o t r á n h tổng hợp lượng isoleucine d ư thừa.

6.2.5. Nguồn gốc của một số enzym thông dụng

Enzym c ó thể được tách c h i ế t từ bất kỳ c ơ thể sống n à o . M ộ t số enzym c ó nguồn
gốc động vật hoặc thực vật c ó thể c ó ứng dụng trong c ô n g nghiệp, n ô n g nghiệp hoặc y
học (bảng 6.2). Tuy nhiên, c á c enzym c ó nguồn gốc v i sinh vật là c á c enzym được ứng
dụng phổ b i ế n nhất với quy m ô lớn .

6.2.5.1. Một sốenzym có nguồn gốc thực vật

- Amilase là enzym được tách chiết từ hạt nảy mầm hoặc củ;
- Bromelin là protease ở cây dứa;

- Papain là m ộ t protease của nhựa quả đ u đủ;
6.2.5.2. Một sơienzym có nguồn gốc động vật

- Catalase - m ộ t enzym ở gan.

- Rennet - enzym dịch vị d ạ d à y b ò l à m đ ô n g sữa trong c ô n g nghiệp pho m á t . 
- Pepsin - enzym h ệ tiêu hoa trong d ạ d à y lẹm.

- M ộ t số enzym h ệ tiêu hoa từ t u y ế n tuy của l ợ n .

Bảng 6.2. Một sốenzym quan trọng có nguồn gốc động, thực vật

TT Enzym Nguồn

1 Enzym động vật

Catalase Liver (Gan)

Chymotrypsin Pancreas (Tuyến tuỵ)

Lipase Pancreas (Tuyến tuy)

Rennet Abomasum (Dạ cỏ động vật)

Trypsin Pancreas (Tuyến tuy)

2 Enzym thực vật

Actinidin Quả Kiwi

oe- amylase Mạch nha

p- amylase Mạch nha

Bromelain Nhựa dứa

p- Glucanase Mạch nha

Ficin Nhựa cây sung (Fig latex)

Lipoxygenase Đậu tương

</div>
(19)<div class='page_container' data-page=19>

6.2.5.3. Một số enzym có nguồn gốc vi sinh

Nấm , v i k h uẩn là nguồn enzym c ơ bản trong c ô n g nghiệp enzym. V i sinh vật sản
xuất m ộ t số enzym quan trọng đ ó n g vai trò p h â n g i ả i c á c đạ i p h â n tử n h ư t i n h bột,
cellulose, protein để tạo ra c á c chất đ ơ n giản h ơ n được g ọ i là enzym t h ú y p h â n
(hydrolyzing enzym). C á c enzym t h ú y p h â n g ồ m :

- Amylase: là enzym p h â n g i ả i tinh bột t h à n h c á c đ ườn g c ó p h â n tử lượng n hỏ hơn 
và các đường đ ơ n hoa tan.

- Protease (hoặc proteinase): p h â n g i ả i protein t h à n h axit amin.

- Lipase: p h â n g i ả i chất b é o ở động vật và thực vật, dầu b é o t h à n h glycerol và các
axit béo.

- Cellulase ( g ồ m n h i ề u loại): p h â n g i ả i các hợp chất cellulose phức tạp t h à n h các
p h â n tử đường.

- Beta - glucanase (hoặc gumase): enzym p h â n g i ả i glucan hoặc dextrin.
- Pectinase: p h â n g i ả i pectin và c á c chất cacbohydrat c ó n g u ồ n gốc thực vật.
6.3. ỨNG DỤNG CỦA CƠNG NGHỆ ENZYM

C ơ n g nghệ enzym bao g ồ m q u á trình sản xuất, p h â n l ậ p , t á c h c h i ế t , t i n h sạch, sử
dụng d ưới dạng hoa tan, hoặc c ố định, hoặc trong các l o ạ i bioreactor k h á c nhau. Công
nghệ enzym c ó thể g i ả i q u y ế t những vấn đề học b ú a của x ã h ộ i n h ư sản x uất thức ăn, tạo
nguồn n ă n g lượng, chẩn đ o á n hoặc chữa bệnh, bảo v ệ và c ả i t h i ệ n m ô i trường sống, 
n g h i ê n cứu p h â n lập và t h i ế t k ế gen... Sự p h á t t r iển của c ô n g n g h ệ enzym gắn l i ề n với sự
phát triển của khoa học sinh hoa, c ô n g nghệ v i sinh và c á c k ỹ n g h ệ k h á c . Đặc biệt, công
nghệ enzym và c ô n g nghệ gen là hai n g à n h khoa học song h à n h , bởi enzym c h í n h là sản
phẩm của gen. Thay đổi h ệ thống đ iề u k h iển hoạt hoa gen hoặc cấu trúc của gen c ó thể
dẫn đế n sự thay đổi sinh tổng hợp hoặc hoạt tính của mỗi enzym.

6.3.1. Một sô ứng dụng truyền thống và tình hình phát triển của cơng nghệ enzym

</div>
(20)<div class='page_container' data-page=20>

Bảng 6.3. Công nghệ enzym truyền thống

TT Hướng ứng dụng Các enzym được sử dụng

1 Các chất tẩy rửa
sinh học

Chủ yếu là proteinase sản xuất ngoại bào và các amylase
2 Cơng nghiệp

bánh mì

- Các a- amylase sản sinh từ nấm men, xúc tác phân giải tinh bột của bột mì
thành đường. Đường tạo ra có thể được nấm men sử dụng.

- Các proteinase dùng trong sản xuất bánh bích quy, làm giảm hàm lượng
protein trong bột mì.

3 Cơng nghiệp
rượu bia

Các enzym do lúa mạch sản sinh trong giai đoạn ủ men sản xuất bia có vai
trị phân giải tinh bột và protein thành đường đơn, amino axit, các peptid làm
thức ăn cho nấm men trong quá trình sản xuất cồn.

Các enzym sử dụng rộng rãi trong cơng nghiệp bia là amỵtase, glucanase,
proteinase đóng vai trò phân giải polysaccharid và protein trong mạch nha
(malt). Enzym gluconase làm cải thiện khả năng lọc của bia. Enzym
amỵloglucosidase làm giảm năng lượng của bia.

Enzym proteinase: giúp bảo tồn chất lượng bia trong quá trình bảo quản.
4 Công nghiệp sữa Enzym được sự dụng là rennin (dịch vị) có nguồn gốc từ dạ dày của các động

vật non nhai lại như bê, cừu, dê. Rennin sử dụng trong công nghiệp sản xuất
pho mát, dùng phân giải protein. Các động vật già không thể sử dụng trong
sản xuất pho mát bồi vì với tuổi già hơn thì sự sản sinh của rennin bị giảm đi,
thay vào đó là proteinase khác - pepsin không thể sử dụng trong công nghiệp
sản xuất pho mát. Trong những năm gần đây, nhu cầu pho mát tăng lên đã
dẫn đến thiếu hụt rennin.

Do vậy.các enzym được sản xuất bởi các vi sinh vật đang được sử dụng với
quỵ mô tăng lên trong chế biến sữa. Đó là lipase, lactase.

5 Công nghiệp tinh
bột

Các enzym chủ yếu được sử dụng là amylase, amyloglycosidase và
glucoamylase đóng vai trò chuyển hoa tinh bột thành glucose và các nước

ngọt syrups khác nhau. Glucose isomerase chuyển hoa glucose thành
íructose (syrups có hàm lượng íructose cao được sản xuất từ tinh bột đã làm
tăng độ ngọt và làm giảm năng lượng của nước ngọt syrups). Các enzym bất
động (immobilised) được sử dụng rộng rãi trong sản xuất syrups giàu íructose
ở Mỹ và Nhật. ở châu Âu, việc sử dụng enzym bất động bị hạn chế do nhà 
nước bảo vệ nông dân sản xuất củ cải đường.

6 Công nghiệp dệt Các enzym được sử dụng là amylase và các enzym vi khuẩn. Amylase được
ứng dụng rộng rãi để phân huy tinh bột trong công nghiệp dệt. Các enzym vi
khuẩn đươc sử dung do chúng có khả năng hoạt động ở nhiệt độ cao đến
100-110°c.

7 Công nghiệp da Các enzym được sử dụng là các protease:

- Các protease đã được tìm thấy ở chó và chim câu
- Trypsin được sản xuất từ các nhà giết mổ gia súc
- Protease từ vi sinh vật, pancrease từ lợn và bò.
8 Công nghiệp

</div>

Giáo trình Công nghệ sinh học đại cương: Phần 2

Tài liệu liên quan

Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về