Tiểu luận Cơ chế và hiệu ứng của phản ứng thủy phân và oxy hóa dưới xúc tác của Enzyme

Từ lâu các nhà khoa học đã quan tâm đến vấn đề bản chất của sự Oxy hóa sinh học. Ngay từ thế kỉ XVIII Lavoisier đã chỉ rằng trong sự hô hấp cũng như sự cháy, oxy không khí oxy hóa các chất của cơ thể tạo thành nước và khí cacbonic. Ông khẳng định “ Sự hô hấp – đó là sự cháy chậm và hoàn toàn giống như sự cháy của than”. Lịch sử của vấn đề Oxy hóa sinh học bắt đầu từ đây, từ khi Lavoisier sang lập ra học thuyết về sự cháy và hô hấp (1774 – 1777). Ở thời kì này người ta xem sự oxy hóa sinh học và sự cháy thông thường là một. Song, việc nghiên cứu các loại quá trình oxy hóa khác nhau sau này cho thấy Lavoisier chỉ đúng khi đánh giá toàn bộ quá trình. Thực ra về bản chất thì sự oxy hóa chậm các chất hữu cơ trong cơ thể khác xa với sự cháy thông thường, mặc dù các sản phẩm chuyển hóa cuối cùng của cả hai hiện tượng trên đều là nước và CO2 . Tuy nhiên sáng lập này đã tạo tiền đề cho việc nghiên cứu bản chất các quá trình oxy hóa sinh học sau này. Trong các thuyết hoạt hóa oxy và hoạt hóa hydro sau đó thì thuyết peroxyt của Bach và thuyết khử hydro của Palladin – Wieland là có nghĩa hơn cả.

doc41 trang | Chia sẻ: leddyking34 | Ngày: 24/04/2013 | Lượt xem: 3186 | Lượt tải: 18download
Tóm tắt tài liệu Tiểu luận Cơ chế và hiệu ứng của phản ứng thủy phân và oxy hóa dưới xúc tác của Enzyme, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
tính acid yếu và có tính chất của globuline. - Điểm đẳng điện nằm trong vùng pH=4,2-5,7 ( Bernfeld P, 1951 ). Cấu tạo: Mỗi loại a-amylase có một tổ hợp amino acid đặc hiệu riêng. a-amylase là một protein giàu tyrosine, tryptophan, acid glutamic và aspartic. Các glutamic acid và aspartic acid chiếm khoảng ¼ tổng lượng amino acid cấu thành nên phân tử enzyme. α-amylase có ít methionine và có khoảng 7-10 gốc cysteine. a-amylase là một metaloenzyme. Mỗi phân tử a-amylase đều có chứa từ 1 đến 30 nguyên tử gam Ca/1 mol, nhưng không ít hơn 1-6 nguyên tử gam/mol Ca tham gia vào sự hình thành và ổn định cấu trúc bậc 3 của enzyme, duy trì hoạt động của enzyme. Do đó, Ca còn có vai trò duy trì sự tồn tại của enzyme khi bị tác động bởi các tác nhân gây biến tính và của các enzyme phân giải protein. Nếu phân tử amylase bị loại bỏ hết Ca thì nó sẽ hoàn toàn mất hết khả năng thủy phân cơ chất. Do có hàm lượng Ca trong phân tử và nồng độ Mg2+ cao nên a-amylase bền với nhiệt độ hơn các enzyme khác. Tất cả các amylase đều bị kìm hãm bởi các kim loại nặng như Cu2+, Ag+, Hg2+. Một số kim loại như Li+, Na+, Cr3+, Mn2+, Zn2+, Co2+ ,Sn2+, không có ảnh hưởng mấy đến enzyme a-amylase. Riêng a-amylase của Asp.Oryzae (thuộc chủng nấm mốc Aspergillus Oryzae) có chứa phần phi protein là poly saccharide, nhưng nó không tham gia vào thành phần của trung tâm hoạt động và nằm ở phía trong phân tử enzyme. a-amylase của nấm mốc hầu như chỉ tấn công vào những hạt tinh bột bị thương tổn. Sản phẩm cuối cùng của thủy phân a-amylase nấm mốc là glucose và maltose. a-amylase của nấm sợi không tấn công vào liên kết a-1,6 glucoside của amilopectin, nên khi thủy phân nó sẽ tạo thành các dextrin tới hạn phân nhánh. Đây là một cấu trúc phân tử tinh bột do enzyme a-amylase phân cắt tạo thành các dextrin tới hạn phân nhánh.Sản phẩm thủy phân cuối cùng của thủy phân a-amylase nấm sợi là maltose và maltotriose. b) Cơ chế tác dụng của enzyme a-amylase: a-amylase (1,4-a-glucan-glucanhydrolase) có khả năng phân cách các liên kết a-1,4 glucoside nằm ở phía bên trong phân tử cơ chất (tinh bột hay glycogen) một cách ngẫu nhiên, không theo một trật tự nào cả. Quá trình thủy phân tinh bột bởi a-amylase là một quá trình đa giai đoạn: Ở giai đoạn đầu (giai đoạn dextrin hóa): chỉ một số phân tử cơ chất bị thủy phân tạo một lượng lớn phân tử a-dextrin. Độ nhớt của hồ tinh bột giảm nhanh chóng. Sang giai đoạn hai (giai đoạn đường hóa): các phân tử a-dextrin tiếp tục bị thủy phân tạo ra các tetra-trimaltose không màu với thuốc thử iodine. Các chất này bị thủy phân rất chậm bởi a-amylase cho đến khi tạo thành các disaccharide và cuối cùng là monosaccharide. Maltotetrose Amylose à oligosaccharide à Maltotriose à 13%glucose Malto 87% maltose 19% glucose Amylopectin à 72% maltose 8% isomaltose Dextrin phân tử thấp Tóm lại, dưới tác dụng của a-amylase, tinh bột có thể chuyển thành glucose, maltose, maltotetrose, dextrin phân tử thấp. Tuy nhiên, thông thường a-amylase chỉ thủy phân tinh bột thành chủ yếu là dextrin phân tử thấp,và một ít maltose. Khả năng dextrin hóa cao là một đặc trưng cơ bản của a-amylase, do vậy người ta còn gọi a-amylase là amylase dextrin hóa hay amylase dịch hóa. c) Ứng dụng Hiện nay, việc sản xuất chế phẩm enzyme các loại đã và đang phát triễn mạnh trên qui mô công nghiệp. Thực tế đã có hàng nghìn chế phẩm enzyme bán trên thị trường thế giới, các chế phẩm này đã được khai thác và tinh chế có mức độ tinh khiết theo tiêu chuẩn công nghiệp và ứng dụng. Chế phẩm enzyme không chỉ được ứng dụng trong y học mà còn được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực công nghiệp khác nhau, trong nông nghiệp, trong hóa học… Theo thời gian, enzyme công nghiệp ngày càng được ứng dụng vào nhiều lĩnh vực khác nhau, trong đó những enzyme ứng dụng nhiều nhất là protease, cellulose, ligase, amylase,… và một số enzyme đặc biêt khác đã thu được rất nhiều lợi nhuận từ ngành này. Dưới đây là một vài ứng dụng thực tế: Ứng dụng amylase trong sản xuất bia Trong công nghệ sản xuất bia truyền thống, các nước phương Tây chủ yếu sử dụng enzyme amylase của malt để thủy phân tinh bột trong malt, sau đó đến giai đoạn rượu hóa bởi nấm men Saccharomyces sp. Cơ sở khoa học của việc sử dụng amylase của malt ở chỗ, khi đại mạch chuyển từ trạng thái hạt sang trạng thái nảy mầm (malt), enzyme amylase sẽ được tổng hợp và khi đó enzyme này sẽ thủy phân tinh bột có trong hạt tạo ra năng lượng và vật chất cho sự tạo thành mầm. Như vậy việc đường hóa tinh bột trong hạt nhờ enzyme của chính nó. Khi đó hạt chỉ tổng hợp ra lượng enzyme amylase vừa đủ để phân hủy lượng tinh bột có trong hạt. Như thế cần rất nhiều mầm đại mạch để sản xuất bia ở qui mô lớn, dẫn đến chi phí cao cho sản xuất và sản phẩm. Để khắc phục điều này, trong quá trình lên men tạo bia thì nhà sản xuất không sử dụng hoàn tòan 100% nguyên liệu là malt đại mạch mà có sự pha trộn theo một công thức nào đó để thay thế malt và còn bổ sung nguồn tinh bột cho quá trịnh lên men. Lý do là một phần để tạo hương vị cho bia, màu sắc, độ cồn phù hợp cho người tiêu dùng và một phần là làm giảm giá thành cho sản phẩm bia nhưng vẫn giữ được đặc trưng cho bia. Chính vì điều này, các nhà sản xuất bia quan tâm đến việc sử dụng chế phẩm enzyme amylase cung cấp cho quá trình thủy phân tinh bột .Enzyme này có ý nghĩa rất lớn trong việc làm bia, giúp sản xuất bia ở qui mô công nghiệp. Ngoài ra, trong sản xuất bia, người ta còn sử dụng chế phẩm enzyme cellulose có tác dụng phá vỡ thành tế bào, tạo điều kiện để các thành phần có trong tế bào hạt thóat ra phía ngoài nhờ đó chất lượng bia được nâng cao hơn. Một loại enzyme khác cũng được sử dụng khá rộng rãi đó là gluco amylase, enzyme này được sử dụng để loại trừ O2 có trong bia, giúp quá trình bảo quản bia kéo dài hơn rất nhiều. Ứng dụng amylase trong sản xuất rượu: Để sản xuất cồn từ nguồn nguyên liệu tinh bột, mỗi nước sử dụng các loại nguyên liệu khác nhau.Ví dụ, ở Mỹ người ta sử dụng nguyên liệu từ bột ngô để sản xuất cồn, còn ở Brazin lại sử dụng khoai mì, các nước khác sử dụng gạo hoặc tấm từ gạo. Qúa trình sản xuất cồn trải qua hai giai đọan: giai đọan đường hóa và giai đọan rượu hóa. Giai đoạn đường hóa: Người ta bắt buộc phải sử dụng enzyme amylase (không thể sử dụng phương pháp thủy phân tinh bột bằng acid ). Người Nhật đã biết sử dụng enzyme của nấm mốc trong quá trình đường hóa để sản xuất rượu Sake từ cách đây hơn 1700 năm. Người Trung Quốc thì đã sử dụng nhiều loại nấm mốc để đường hóa rượu trong sản xuất rượu cách đây 4000 năm. Còn người Việt Nam đã biết sản xuất rượu từ gạo cách đây hàng ngàn năm. Riêng ở Mỹ, mãi đến thế kỷ XIX khi Takamine người Nhật đưa nấm mốc Aspergillus sang mới biết sử dụng enzyme này thay amylase của malt để sản xuất cồn. Chính vì thế mới có phương pháp Micomalt ( mầm mốc) trong sản xuất cồn và rượu. Nhờ sự du nhập kỹ thuật này từ Nhật mà người Mỹ tiết kiệm được một khối lượng malt khổng lồ trong sản xuất rượu. Giai đoạn rượu hóa: Nhờ nấm men Saccharomyces cerevisiae, cũng có thể xem đây là một quá trình áp dụng enzyme. Qúa trình rượu hóa là quá trình hết sức phức tạp, trải qua rất nhiều giai đoạn chuyển hóa từ đường thành cồn nhờ sự tham gia của nhiều enzyme khác nhau. Điểm khác với enzyme amylase là ở chổ các enzyme tham gia quá trình rượu hóa nằm trong tế bào nấm men. Việc điều khiển các quá trình chuyển hóa bởi enzyme trong tế bào thực chất là quá trình trao đổi chất của nấm men trong môi trường chứa đường. 8.2. Hệ enzym Protease Protease (peptit – hidrolase 3.4) là tên gọi chung cho nhóm enzyme 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, pepton hoặc di-tripepton. Ngoài ra, nhiều protease cũng có khả năng thuỷ phân liên kết este và vận chuyển axit amin. Các loại protease Protease được phân loại dựa trên các đặc điểm riêng của chúng cũng như cấu tạo trung tâm hoạt động enzyme, hiện tại được chia làm 6 nhóm chính : - Serine proteases - Threonine proteases - Cysteine proteases - Aspartic acid proteases - Metalloproteases - Glutamic acid proteases Hiên chúng ta sử dụng 3 nguồn nguyên liệu sinh học cơ bản để thu nhận protease: các mô và cơ động vật, mô và cơ quan thực vật, tế bào vi sinh vật Protease là enzyme được sử dụng nhiều nhất hiện nay trong một số ngành sản xuất như: chế biến thực phẩm (đông tụ sữa làm pho mát, làm mềm thịt, bổ sung để làm tăng chất lượng sản phẩm trong sản xuất bia, xử lý phế phụ phẩm trong chế biến thực phẩm…), sản xuất chất tẩy rửa, thuộc da, y tế, nông nghiệp… 1 Việc sử dụng trong chế biến làm mềm thịt là ứng dụng có tính truyền thống. Nhân dân ta từ rất lâu đã dùng thơm để nấu canh thịt bò; dùng rau sống là chuối chát, vả kết hợp thức ăn nhiều thịt; đu đủ trong chống táo bón…mà thực chất là sử dụng papain, bromelain, fixin. Người Nga còn dùng protease từ hạt đậu tương nẫy mầm để làm mềm thịt. Ngoài khả năng phân giải để làm mềm thịt, tạo thức ăn dễ tiêu hóa, công nghệ sản xuất các loại dịch thủy phân giàu protein đã được áp dụng một cách có hiệu quả tính năng của protease. Protease là một công cụ để chế biến các phế liệu của công nghiệp thực phẩm thành thức ăn cho người và vật nuôi. Người ta còn khai thác tính đông tụ như của renin, pepsin vào công nghiệp thực phẩm như trong sản xuất phomat. Protease phân bố ở thực vật, động vật, vi sinh vật. Tuy nhiên nguồn enzyme ở vi sinh vật phong phú nhất, có ở hầu hết các vi sinh vật như vi khuẩn, nấm mốc và xạ khuẩn… Có thể nói vi sinh vật là nguồn nguyên liệu thích hợp nhất để sản xuất enzyme ở quy mô lớn dùng trong công nghệ và đời sống. 8.3. Pectinase Pectinase là nhóm enzym xúc tác cho sự thủy phân pectin, đang được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp thực phẩm và dược phẩm, nhất là trong công nghiệp sản xuất các loại nước ép trái cây. Ðặc biệt, dạng enzyme cố định được sử dụng rất hiệu quả vì có nhiều ưu điểm hơn hẳn dạng enzyme thông thường (enzyme hòa tan). Pectinase đã được dùng trong một số ngành công nghiệp thực phẩm sau: - Sản xuất rượu vang. - Sản xuất nước quả và nước uống không có rượu. - Sản xuất các mặt hàng từ quả: quả cô đặc, mứt. - Sản xuất nước giải khát. - Sản xuất cà phê. Chế phẩm pectinase được sử dụng trong sản xuất nước quả từ các nguyên liệu quả nghiền hay để làm trong nước quả ép. Bởi vì khi có pectin thì khối quả nghiền sẽ có trạng thái keo, do đó khi ép dịch quả không thóat ra được. Nhờ pectinase mà nước quả trong suốt, dễ lọc, hiệu suất tăng. Pectinase còn góp phần chiết rút các chất màu, tanin và các chất hòa tan khác, do đó làm tăng chất lượng của thành phẩm. Những nghiên cứu cho thấy khi ép nho có xử lý bằng pectinase không những làm tăng hiệu suất mà còn làm tăng màu sắc.2 Trong sản xuất mứt nhừ, mứt đông… nhờ pectinase mà dịch quả có nồng độ đậm đặc hơn. Cũng giống như protease, chế phẩm pectinase được thu nhận từ vi sinh vật, nấm mốc, xạ khuẩn… đặc biệt là các chủng nấm Asp. Ficuum và Asp. Niger có khả năng tổng hợp pectinase cao nhất. 8.4 . Cellulase Cellulose là thành phần cơ bản của tế bào thực vật, vì vậy nó có mặt trong mọi loại rau quả cũng như trong các nguyên liệu,phế liệu của các ngành trồng trọt và lâm nghiệp. Nhưng người và động vật không có khả năng phân giải cellulose. Cellulase là enzyme xúc tác cho quá trình chuyển hoá Cellulose thành các sản phẩm hoà tan. Nó chỉ có giá trị làm tăng tiêu hóa, nhưng với lượng lớn nó trở nên vô ích hay cản trở tiêu hóa. Chế phẩm cellulase thường dùng để: - Tăng chất lượng thực phẩm và thức ăn gia súc. - Tăng hiệu suất trích ly các chất từ nguyên liệu thực vật. Ứng dụng trước tiên của cellulase đối với chế biến thực phẩm là dùng nó để tăng độ hấp thu, nâng cao phẩm chất về vị và làm mềm nhiều loại thực phẩm thực vật. Đặc biệt là đối với thức ăn cho trẻ con và nói chung chất lượng thực phẩm được tăng lên. Một số nước đã dùng cellulase để xử lý các loại rau quả như bắp cải, hành, cà rốt, khoai tây, táo và lương thực như gạo. Người ta còn xử lý cả chè, các loại tảo biển… Trong sản xuất bia, dưới tác dụng của cellulase hay phức hệ citase trong đó có cellulase, thành tế bào của hạt đại mạch bị phá hủy tạo điều kiện tốt cho tác động của protease và đường hóa. Trong sản xuất agar-agar, tác dụng của chế phẩm cellulase sẽ làm tăng chất lượng agar-agar hơn so với phương pháp dùng acid để phá vỡ thành tế bào. Đặt biệt là việc sử dụng chế phẩm cellulase để tận thu các phế liệu thực vật đem thủy phân, dùng làm thức ăn gia súc và công nghệ lên men. Những ứng dụng của cellulase trong công nghiệp thực phẩm đã có kết quả rất tốt. Tuy nhiên hạn chế lớn nhất là rất khó thu được chế phẩm có cellulase hoạt độ cao. PHẢN ỨNG OXY HÓA KHỬ SINH HỌC Ý NGHĨA CỦA PHẢN ỨNG OXY HÓA KHỬ SINH HỌC TRONG CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM Như chúng ta đã biết, muốn tồn tại và duy trì được các chức năng hoạt động sống ( sinh trưởng, sinh sản, vận động cơ học, bài tiết…) sinh vật cần có năng lượng và nguồn năng lượng duy nhất đối với cơ thể người, động vật và vi sinh vật là nguồn năng lượng hóa học tàng trữ trong các phân tử của các chất dinh dưỡng có trong thức ăn. Cơ thể sinh vật “ đốt cháy” các sản phẩm dinh dưỡng bằng oxy, chuyển hóa chúng thành CO2 và nước, đồng thời sử dụng năng lượng được giải phóng ra để đáp ứng các nhu cầu của hoạt động sống. Khi đó, hydro được giải phóng khỏi hợp chất hữu cơ & kết hợp với oxy kèm theo sự tỏa năng lượng . Những biến đổi dị hóa này kèm theo giải phóng năng lượng được tiến hành trong tế bào sống với sự tham gia của những hệ Enzyme đặc biệt chính là quá trình Oxy hóa - khử sinh học. Nguyên liệu dùng chế biến lương thực, thực phẩm thường là các cơ thể sống hoặc mô sống. Và các tác nhân chuyển hóa trong một số ngành thực phẩm như Công nghiệp lên men lại là vi sinh vật. Vì vậy, trong công nghiệp thực phẩm quá trình Oxy hóa – khử có ý nghĩa hết sức quan trọng. Trong chế biến thực phẩm, nhiều quá trình Oxy hóa – khử sinh học tạo ra màu sắc đẹp, vị ngon, hương thơm làm cho sản phẩm thực phẩm có tính chất đặc trưng riêng hoặc làm tăng giá trị cảm quan và tiêu dùng của sản phẩm. Chẳng hạn như: Ứng dụng điều chỉnh hệ Enzyme polyphenoloxydaza trong chè xanh để tạo ra những sản phẩm có màu sắc và mùi vị khác nhau (chè đen, chè xanh, chè đỏ..). Trong chế biến thuốc lá, ca cao người ta cũng ứng dụng hệ enzyme này. Theo quan điểm hóa học thì sự lên men là quá trình phân giải oxy hóa- khử đường do hệ enzyme của vi sinh vật tiến hành trong điều kiện yếm khí. Năng lượng giải phóng ra khi oxy hóa chất đường cũng được dùng để tạo ra các hợp chất cao năng nhằm thỏa mãn nhu cầu năng lượng của vi sinh vật. Tuy nhiên, phần lớn năng lượng giải phóng lại tán xạ dưới dạng nhiệt năng. Về quan điểm năng lượng thì sự lên men và các quá trình phân giải yếm khí glucoza là bất lợi, không kinh tế; bởi lẽ những sản phẩm cuối cùng của sự lên men còn tàng trữ trong phân tử một thế năng lớn. cho nên muốn cung cấp đủ năng lượng cho hoạt động sống, vi sinh vật cần phân giải một lượng lớn đường do đó cũng tạo một lượng lớn sản phẩm cuối cùng. Người ta đã lợi dụng điều này để sản xuất rượu, bia, dấm, acid thực phẩm... vì vậy có thể nói rằng các phản ứng oxy hóa – khử là cơ sỡ của nghành công nghiệp lên men. Quá trình hô hấp hay quá trình phân giải oxy hóa – khử các chất dinh dưỡng trong cơ thể vi sinh vật trong điều kiện hiếu khí có tầm quang trọng đặc biệt trong kỹ thuật bảo quản và chế biến lương thực thực phẩm Glucid là nguyên liệu chính của sự hô hấp ở rau quả, củ, hạt, và các sản phẩm giàu glucid có nguồn gốc từ thực vật. trong thời gian bảo quản thường xảy ra quá trình hô hấp, quá trình phân giải oxy hóa – khử sinh học này thường làm giảm trọng lượng khô của nguyên liệu, gây hao hụt sản phẩm, tạo ra CO2 và hấp thụ O2 , gây sự thoát nước làm tăng độ ẩm và sinh nhiệt do đó có thể dẫn đến hiện tượng tự đốt nóng... vì thế trong trường hợp cụ thể trong bảo quản người ta thường tìm cách hạn chế tối thiểu các quá trình oxy hóa – khử bất lợi đó, chẳng hạn như: Rút ngắn thời gian chế biến để giảm thời gian của các phản ứng Oxy hóa và nhanh chóng làm vô hoạt enzyme oxy hóa- khử. Loại trừ oxy không khí. Bảo quản nguyên liệu và bán thành phẩm ở nhiệt độ thấp. Dùng các chất chống oxy hóa,… Tóm lại, đối với cơ thể sinh vật, các phản ứng oxy hóa – khử sinh học có ý nghĩa quan trọng bậc nhất trong sự trao đổi chất cũng như trao đổi năng lượng. Riêng đối với công nghiệp thực phẩm, các phản ứng Oxy hóa – khử sinh học có thể có lợi hoặc bất lợi tùy theo mục đích cụ thể, đối tượng bảo quản và chế biến. Điểm quan trọng ở đây là sự khám phá và hiểu biết sâu sắc về cơ chế của các phản ứng Oxy hóa sinh học đã cho phép con người điều khiển được chúng vào những mục đích mong muốn. II. CƠ CHẾ CỦA QUÁ TRÌNH OXY HÓA KHỬ SINH HỌC: Các thuyết oxy hóa sinh học cổ điển: Từ lâu các nhà khoa học đã quan tâm đến vấn đề bản chất của sự Oxy hóa sinh học. Ngay từ thế kỉ XVIII Lavoisier đã chỉ rằng trong sự hô hấp cũng như sự cháy, oxy không khí oxy hóa các chất của cơ thể tạo thành nước và khí cacbonic. Ông khẳng định “ Sự hô hấp – đó là sự cháy chậm và hoàn toàn giống như sự cháy của than”. Lịch sử của vấn đề Oxy hóa sinh học bắt đầu từ đây, từ khi Lavoisier sang lập ra học thuyết về sự cháy và hô hấp (1774 – 1777). Ở thời kì này người ta xem sự oxy hóa sinh học và sự cháy thông thường là một. Song, việc nghiên cứu các loại quá trình oxy hóa khác nhau sau này cho thấy Lavoisier chỉ đúng khi đánh giá toàn bộ quá trình. Thực ra về bản chất thì sự oxy hóa chậm các chất hữu cơ trong cơ thể khác xa với sự cháy thông thường, mặc dù các sản phẩm chuyển hóa cuối cùng của cả hai hiện tượng trên đều là nước và CO2 . Tuy nhiên sáng lập này đã tạo tiền đề cho việc nghiên cứu bản chất các quá trình oxy hóa sinh học sau này. Trong các thuyết hoạt hóa oxy và hoạt hóa hydro sau đó thì thuyết peroxyt của Bach và thuyết khử hydro của Palladin – Wieland là có nghĩa hơn cả. Thuyết peroxyt của Bach: Nội dung: Sự oxy hóa là sự kết hợp oxy phân tử vào chất bị oxy hóa để tạo ra peroxyt, khi đó phân tử ( O = O) tham gia vào phản ứng ở dạng nhóm – O – O – R – O O 2R + O2 hay R + O2 R R – O O Peroxyt được tạo thành theo cách đó có chứa một nửa oxy kết hợp ở trạng thái “hoạt động” được xem như là chất mang oxy hoạt hóa. Oxy này sẽ oxy hóa chất khác. Bach cho rằng tế bào sống thích ứng được với peroxyt là do nó có khả năng phân giải peroxyt hoạt hóa chúng và sử dụng oxy của chúng để oxy hóa chất khó oxy hóa hơn. Cả hai quá trình này đều là quá trình xúc tác và được tiến hành dưới ảnh hưởng của các enzyme đặc biệt là catalase và peroxydase. Theo thuyết của Bach, sự tạo thành peroxyt hữu cơ có ý nghĩa quyết định đối với quá trình oxy hóa khử sinh học. Khả năng sử dụng các hợp chất oxy hóa trong cơ thể khi hô hấp, không đòi hỏi năng lượng bên ngoài được thực hiện nhờ các hệ xúc tác sau: Các enzyme hoạt hóa oxy phân tử - oxydaza Các hợp chất hữu cơ không no có khả năng tạo thành peroxyt kém bền khi tự oxy hóa bởi oxy phân tử - oxygenaza Các enzyme xúc tác sự oxy hóa nhờ oxy hoạt động của peroxyt – peroxydase. Thuyết peroxyt của Bach về bản chất là học thuyết hóa sinh thật sự đầu tiên. Theo thuyết này thì sự oxy hóa sinh học không phải là quá trình đơn độc mà là kết quả của hai quá trình Enzyme phối hợp xảy ra tuần tự. b. Thuyết khử hydro của Palladin – Wieland: Theo ông, giai đoạn đầu của sự oxy hóa chất hữu cơ là sự loại hydro và quá trình hô hấp được thực hiện nhờ các tác nhân trung gian đặc hiệu có khả năng oxy hóa – khử thuận nghịch. Paladin gọi các chất này là chất sinh màu hô hấp và có chủ yếu trong thực vật. Khi bị oxy hóa (bị tách mất hydro) chất sinh màu hô hấp (không màu) chuyển thành chất màu hô hấp (có màu). Chất màu hô hấp bị khử (kết hợp với hydro) lại thành chất sinh màu hô hấp. Vậy những chuyển hóa oxy hóa khử các chất trong tế bào sống được tiến hành bằng cách tách và kết hợp hydro vào chúng. Sự tạo thành nước được xem như giai đoạn cuối của quá trình. Có thể tóm tắt như sau: C6H12O6 + 6H2O + 12R 6CO2 + 12RH2 12RH2 + 6O2 12R + 12H2O C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 12H2O Trong đó: R : Chất màu hô hấp RH2 : Chất sinh màu hô hấp Quan niệm Hydro của Palladin được Wieland hoàn thiện về mọi mặt, qua những giả thuyết và nghiên cứu cụ thể ông chứng tỏ rằng khi oxy hóa một số chất hữu cơ có thể không cần oxy không khí và sự oxy hóa có thể xảy ra nhờ sự khử hydro của cơ chất.Ngoài ra các công trình nghiên cứu của ông còn chỉ rõ vai trò của nước trong quá trình oxy hóa. Sau đó, hàng loạt các nghiên cứu của các nhà khoa học khác được tiến hành để xác minh thuyết hoạt hóa hydro, đã tìm ra các dehydrogenase. 2.Quan niệm hiện đại về cơ chế oxy hóa – khử sinh học: 2.1.Các loại phản ứng oxy hóa – khử: Một số khái niệm: Theo các quan niệm hiện đại quá trình mất electron hoặc hydro của chất nào đó gọi là quá trình oxy hóa, ngược lại là quá trình khử. Chất nhường electron hoặc hydro (chất bị oxy hóa ) gọi là chất khử và ngược lại là chất oxy hóa. Quá trình oxy hóa và quá trình khử luôn xảy ra đồng thời và liên hợp chặt chẽ với nhau thành phản ứng oxy hóa – khử thống nhất. Các chất tham gia vào phản ứng này được gọi là hệ oxy hóa – khử. Quá trình oxy hóa – khử có thể xảy ra theo một trong những cách sau: 2.1.1. Kết hợp trực tiếp oxy vào cơ chất bị oxy hóa và tạo ra sản phẩm oxy hóa Tổng quát : A + O2 AO2 Phản ứng oxy hóa khử kiểu này khá quan trọng đối với tế bào và thường do các enzyme oxygenaza hay transferaza oxy xúc tác. Các enzyme này thuộc nhóm hoạt hóa oxy. Phản ứng oxy hóa trực tiếp tryptophan dưới tác dụng của enzyme tryptophanoxygenaza của vi khuẩn tạo ra formilkinurenin là một ví dụ điển hình của kiểu oxy hóa này : 2.1.2. Cho và nhận electron không cần có oxy tham gia Trong nhiều trường hợp phản ứng oxy hóa khử có thể xảy ra bằng cách nhường và thu electron không cần có oxy tham gia. Chẳng hạn, trong phản ứng: 2Fe2+ - 2e 2Fe3+ I2 + 2e 2I- 2Fe2+ + I2 2Fe3+ + 2I- Sắt hóa trị 2 là chất cho electron và bị oxy hóa thành Fe3+ còn iot là chất nhận electron và bị khử thành I- Ở cơ thể sinh vật, các chuyển hóa oxy hóa – khử của hệ xitocrom thường xảy ra theo kiểu oxy hóa này.Fe trong hem các xitocrom có khả năng oxy hóa – khử thuận nghịch khi cho hoặc nhận electron và do vậy mà thay đổi hóa trị. Nhờ tính chất này các xitocrom tham gia vào việc chuyển vận electron từ cơ chất đến oxy. Khử hydro hóa: Oxy hóa Nhiều phản ứng oxy hóa được thực hiện bằng cách tách hydro khỏi cơ chất nghĩa là khử hydro hóa. Chúng có thể biểu diễn dưới dạng tổng quát như sau: AH2 + B A + BH2 Ở đây cơ chất AH2 nhừơng hydro cho chất nhận B và bị oxy hóa thành A, còn B bị khử thành BH2. Đa số quá trình oxy hóa trong tế bào sống thường xảy ra theo kiểu này, phản ứng oxy hóa xảy ra thường kèm theo sự chuyển không những chỉ có electron mà cả proton, electron và proton được chuyển sang chất tiếp nhận. Chất tiếp nhận hydro ở đây có thể là oxy hay chất tiếp nhận khác. Các phản ứng khử hydro trong đó oxy là chất nhận trực tiếp do các hydrogenaza hiếu khí hay các oxydaza xúc tác. Ví dụ: Sự oxy hóa axitamin tự nhiên dưới tác dụng của oxydaza của L-Axitamin: O CH2 – COOH + H2O NH2 + O2 HOOC-C + NH3 + H2O Oxydaza L- Axit amin H Các phản ứng oxy hóa cơ chất bằng oxy phân tử một giai đoạn do một enzyme xúc tác để tạo thành hydro peroxyt kiểu này thường ít gặp. Phần lớn các quá trình oxy hóa khử sinh học được tiến hành bằng cách khử hydro với sự tham gia của một hay nhiều chất chuyển hydro ( , ,, ...) trung gian. Các phản ứng này do các dehydrogenaza chứa coenzyme ( cơ chất nhận – Oxydoreductaza) xúc tác. Thứ tự các chuyển hóa xảy ra có thể biểu diễn như sau: A B Từ đây ta thấy chất nhận hydro thứ nhất được dehydrogenbaza thứ nhất khử đến có thể làm cơ chất cho emzyme thứ hai nào đó. Và như vậy khi có một số chất chuyển trung gian tương tự hoạt động nối tiếp nhau thì có thể tạo thành một chuổi gọi là chuổi hô hấp hay hệ chuyển electron. Chuổi này đứng giữa cơ chất, dehydrogenza đầu tiên của nó và chất nhận hydro (hay electron) cuối cùng quá trình phức tạp này có thể biểu diển dạng sơ đồ sau: Hay là : .... Ở ti thể , giữa flavin và chất nhận cuối cùng là O2 có các chất chuyển trung coenzyme Q, các Fe phihem, Cu và xitocromoxydaza là mắt xích cuối cùng của chuổi. Nhiều công trình nghiêng cứu đã chỉ ra rằng các tế bào sống và dịch chết của chúng có khả năng khử hydro hóa sản phẩm trao đổi chất quan trọng như glucoza, lactoza, axit amin,... hoặc ở điều kiện yếm khí ( khi có các chất nhận electron nhân tạo như metylen xanh) hoặc ở điều kiện hiếu khí ( khi có oxy). Sự oxy hóa axit suxinic thành axit fumaric là một ví dụ cho quá trình oxy hóa khử phức tạp này. Hai ion hydro và hai electron tách ra từ cơ chất axit suxinic đều được chuyển sang flavin là chất nhận hydro và electron, đóng vai trò là nhóm ngoại của emzyme suxinatdehydrogenza xúc tác phản ứng này COOH COOH -2 electron H - C – H -2 CH H – C – H suixinatdehydrogenaza CH COOH COOH Axit suxinic axit fumaric Sau đó electron được chuyển sang xitocrom và cuối cùng là oxy. Trong một số lớn phản ứng oxy hóa sinh học, chất bị oxy hóa thường

Các file đính kèm theo tài liệu này:

  • docCơ chế và hiệu ứng của phản ứng thủy phân và oxy hóa dưới xúc tác của Enzyme.doc
Tài liệu liên quan