MỞ ĐẦU Catalase (E.6) là enzyme có ở hầu hết các vi khuẩn hiếu khí và là một trong những thành phần trung tâm của các quá trình khử độc, ngăn chặn cực nhanh sự hình thành phản ứng hydroxyl bằng cách xúc tác sự phân giảihydrogen peroxide (H2O2) thành nước và oxy [43, 52]. Catalase điển hình hoạt động trong khoảng pH 5 - 10, tối ưu tại pH 6 - 8 và ổn định ở nhiệt độ 10 - 30oC [5]. Catalase đã được ứng dụng trong nhiều quy trình công nghệ sinh học khác nhau. Do có hoạt tính phân giải nhanh H2O2 nên catalase có khả năng ức chế sự phân giải của tế bào viêm, một loạt các khối u, apoptosis, tế bào thần kinh và lão hóa [12, 18, 33, 57, 58].
Enzyme cũng được chứng minh là tác nhân có thể hỗ trợ dẫn truyền thuốc nội bào [53] và sử dụng trong định lượng cholesterol [42]. Theo một số công bố gần đây, sự giảm của catalase có thể đóng vai trò trong quá trình bạc tóc sớm ở người. H2O2 tự nhiên được tạo ra bởi các hoạt động trao đổi của cơ thể và catalase có vai trò phân giải chúng rất nhanh. Do vậy, nếu hàm lượng catalase giảm đi, nó sẽ không thể phân giải hết H2O2, dẫn đến tóc bị tẩy trắng từ bên trong.
Nhận định này vẫn đang được làm sáng tỏ với hy vọng phát triển các phương pháp chữa bạc tóc dựa trên việc bổ sung catalase [20, 62]. Catalase từ các sinh vật khác nhau cũng đã được tinh sạch và nghiên cứu tính chất như: B. Hầu hết các nghiên cứu thường tinh sạch enzyme bằng cách sử dụng muối amoni sulfate kết tủa chọn lọc protein và các loại sắc ký như lọc gel [23, 30], trao đổi ion (DEAE Sephadex hoặc DEAE cellulose[23, 30], Q Sepharose FF [59]). subtilis được xem như là một chủng vi khuẩn có lợi cho con người và đã được sử dụng để sản xuất nhiều chế phẩm sinh học như: men vi sinh; men Natto – một thực phẩm chức năng rất bổ dưỡng cho sức khỏeở Nhật Bản [61].
subtilis còn được biết đến với khả năng sinh ra nhiều enzyme, trong đó có catalase với hoạt tính cao, an toàn khi thao tác [46]. Cho đến nay, ở Việt Nam chưa có nghiên cứu nào về tinh sạch và xác định 1 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com các tính chất của catalase từ nguồn gốc tự nhiên. Các nghiên cứu chủ yếu là định tính và định lượng hoạt tính của catalase có trong mẫu dịch chiết [1]. Từ thực tế trên, chúng tôi tiến hành thực hiện đề tài: “Nghiên cứu tinh sạch và xác định một số tính chất của catalase từ Bacilus subtilisPY79” với mục tiêu tạo được chế phẩm enzyme có độ tinh sạch, độ bền và hoạt tính tốt để phục vụ cho các nghiên cứu sau này.
2 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Chƣơng 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1. TỔNG QUAN VỀ CATALASE 1. Giới thiệu và lịch sử phát hiện catalase Hydrogen peroxide (H2O2) là một trong những gốc oxy hoạt tính (ROS) phổ biến nhất trong khí quyển.
H2O2 xuất hiện do có trong môi trường, là sản phẩm phụ của chuỗi vận chuyển điện tử trong quá trình hô hấp hiếu khí, quang hợp hoặc sản phẩm của sự hoạt động enzyme (chủ yếu là oxidase) [63]. Trong tế bào, các gốc oxi hóa tự do tấn công hầu hết các hợp chất quan trọng như DNA, protein, màng lipid kép và thậm chí phá hủy cả tế bào. Do đó, các sinh vật đã tiến hóa để có một hệ thống enzyme phức tạp và hiệu quả bao gồm: catalase, peroxidase và superoxide dismutase nhằm loại bỏ nhanh chóng và hiệu quả các gốc ROS này [41, 50, 63].6) thuộc lớp oxidoreductase, có mặt trong hầu hết các sinh vật hiếu khí (bao gồm thực vật, động vật và vi sinh vật), có vai trò quan trọng chống lại các stress oxy hóa bằng cách xúc tác cho phản ứng phân giải H2O2 thành H2O và O2. Trong tế bào, catalase chủ yếu được sinh ra trong peroxisome của các sinh vật nhân thực và trong tế bào chất của sinh vật nhân sơ.
Đây là một trong những enzyme hoạt động nhanh nhất, một phân tử catalase có thể phân giải hàng triệu phân tử H2O2 trong mỗi giây [50, 55]. Catalase là một trong những enzyme có lịch sử phát hiện sớm và có nhiều nghiên cứu chi tiết về đặc điểm và tính chất của enzyme. Enzyme lần đầu tiên được phát hiện bởinhà bác học Thénarad(1818), được gọi tên lần đầu là catalase bởi nhà bác học Loew (1900) [29], được chứng minh trong trung tâm hoạt động có chứa sắt bởi Warburg (1923) và được xác định chức năng trong tế bào là tác nhân xúc tác phân giải H2O2 thành H2O và O2bởi Wieland và tập thể (1927) [65]. Năm 1937, hai nhà bác học Sumner và Dounce [56] lần đầu tiên đã kết tinh được catalase từ gan bò và xác định được khối lượng phân tử (KLPT) là 232 kDa; tiếp theo là những công bố về trình tự amino acid và cấu trúc không gian ba chiều của enzyme [35, 47, 65].
Cho đến nay, đặc điểm cấu trúc, cơ chế hoạt động và tính chất của enzyme đã được 3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com làm sáng tỏ; hơn 300 công trình tinh sạch enzyme đã được công bố; catalase được xem là một trong những enzyme có nhiều đặc điểm hóa sinh hấp dẫn các nhà khoa học nghiên cứu và có tiềm năng ứng dụng vô cùng to lớn trong các ngành công nghiệp và lĩnh vực y dược [9, 24]. Cấu trúc và phân loại catalase Cấu trúc của catalase rất đa dạng và phụ thuộc vào nguồn phân lập, tuy nhiên nhìn chung có một số đặc điểm chung cơ bản. Một phân tử catalase hoạt động chức năng thường có cấu trúc dimer hoặc tetramer hoặc hexamer. Mỗi monomer là một chuỗi polypeptide có khoảng 500-700 amino acid và một nhóm heme có chứa nguyên tử Fe ở trung tâm, một số trường hợp Fe được thay bằng Mn hoặc NADPH với vai trò bảo vệ nhân heme khỏi sự oxi hóa [31].1: Cấutrúcnhânhemecủa catalase [69] Khác với cấu trúc nhân heme trong hồng cầu, nhóm heme trong catalase bao gồm một nguyên tử Fe ở trung tâm và được bao bọc phía ngoài bởi thành phần hữu cơ là nhóm protoporphyrin, cấu trúc được tạo ra bởi sự liên kết của các cầu metan hình thành nên một vòng tetrapyrrole.
Nguyên tử Fe sẽ tạo thành sáu liên kết phối trí với bốn nguyên tử N của vòng pyrol, một liên kết với phân tử H2O2 và một với amino acid tyrosine của protein [9]. Nhóm heme là vị trí xảy ra sự phân giải H2O2, nằm tách khỏi phần bề mặt và phía sâu trong phân tử catalase (Hình 1. 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Về phân loại, có hơn 300 catalase đã được biết đến, chúng được tinh sạch từ các chủng khác nhau, có thể có nhân heme hoặc không có nhân heme. Dựa trên sự khác nhau về kích thước của các phần dưới đơn vị cấu tạo nên enzyme và có hay không có nhân heme chúng được chia ra làm ba loại khác nhau.
Nhóm một là các catalase đơn chức năng (monofunctional catalase) có chứa nhân heme, được tìm thấy nhiều nhất ở trong tự nhiên. Nhóm thứ hai là catalase hai chức năng (Bifunctional catalase-peroxydase), có chứa nhân heme, ít phổ biến hơn, có mối liên quan chặt chẽ đến các peroxidase ở thực vật về cấu trúc và trình tự amino acid. Cuối cùng là nhóm manganese catalase, không chứa nhân heme, tìm thấy ở các vi khuẩn có khả năng chịu các điều kiện khắc nghiệt của môi trường như nhiệt độ, nồng độ muối cao…[39]. Nhóm catalase đơn chức (monofunctional catalase): Đây là nhóm phổ biến nhất, có mặt ở hầu hết các đại diện của động vật, thực vật và vi sinh vật với số lượng hơn 225 catalase trong số hơn 300 catalase được phát hiện đến nay; có chức năng chính là phân giải H2O2và chức năng phụ là peroxy hóa [9].
Catalase thường có hoạt tính khi ở dạng tetramer, nhưng một số dạng như dimer, hexamer hay thậm chí dạng hiếm gặp như heteromer cũng được tìm thấy (Pseudomonas aeruginosa) [31].KLPT của catalase dao động khoảng từ 200-340 kDa với một nhóm heme ở vùng trung tâm hoạt động. Dựa trên kích thước của mỗi monomer, catalase được chia ra loại có monomer kích thước nhỏ (55-69 kDa) và loại có kích thước lớn (75- 84 kDa) [31, 38, 56, 65]. 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.2:Cấutrúc monomer của catalase hemeđơnchứcnăng [54] Bên cạnh đó, cũng có sự khác nhau ở loại nhân heme, nhân heme loại b hay tồn tại trong các catalase có monomer kích thước nhỏ (catalase từ gan bò) và nhân heme loại d hay tồn tại trong những catalase có monomer kích thước lớn (catalase của E.Cấu trúc bậc 4 của catalase có vùngbảo thủ bao gồm: đầu N-terminal với 70 amino acid đầu tiên, vùng gấp nếp β từ vị trí amino acid thứ 72-318, vùng domain kết nối hay còn gọi là vùng kết nốivà vùng xoắn α (vị trí 444-503). Một số catalase thuộc nhóm này cũng có vùng bảo thủ là đầu C-terminal dài khoảng 150 amino acid (Hình 1.
Theo nghiên cứu gần đây, catalase điển hình ở cả sinh vật nhân sơ và sinh vật nhân thực đều có vùng β-barrel là vùng có tính bảo thủ cao nhất, vùng kết nối và α-helical vẫn có một số biến đổi [31, 54]. Nhóm hai chức năng (Bifunctional catalase- peroxydase) Nhóm catalase hai chức năng thường ít gặp, chỉ có chủ yếu ở các vi sinh vật hiếu khí, chưa được phát hiện ở những đại diện như thực vật và động vật. Catalase thuộc nhóm này có KLPT dao động trong khoảng 120-340 kDa. Nhóm enzyme này thể hiện cả hoạt tính catalase và hoạt tính peroxidase, thường rất nhạy cảm với nhiệt độ và pH phụ thuộc vào điều kiện phân lập.
Enzyme tồn tại chủ yếu ở dạng dimer có khoảng 750 amino acid trong mỗi monomer (Hình 1.3), ngoài ra dạng tetramer 6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com cũng được tìm thấy ở E. Mỗi monomer được chia ra 2 vùng chủ yếu là vùng N và C được sắp xếp dọc theo chiều dài của phân tử, nhân heme nằm ở vùng N- terminal. Một đặc điểm bảo thủ ở hầu hết các catalase thuộc nhóm 2 là sự có mặt của một covalent adduct- cấu trúc mà vị trí ortho của tyrosine sẽ liên kết với methionine ở một bên và bên đối diện sẽ liên kết với tryptophan [54].3:Cấutrúcđơnphâncủa catalase-peroxidases từSynechococcus elongates PCC7942 [73] Nhóm pseudocatalase (Manganese catalase) Nhóm non-hemecatalase còn gọi là pseudocatalase,là nhóm catalase đặc biệt, có 2 nguyên tử Mn ở vùng trung tâm hoạt động thay cho Fe, thường được tìm thấy ở vi khuẩn và vi khuẩn cổ. Những enzyme này có KLPT trong khoảng 170-210 kDa (Hình 1.
Catalase thuộc nhóm này là một homohexamer, mỗi tiểu đơn vị có khối lượng khoảng 30 kDa.