CHƯƠNG I: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1. Giới thiệu chung về Enzyme 1.1 Định nghĩa Trong cơ thể sống (các tế bào) luôn luôn xảy ra quá trình trao đổi chất. Sự trao đổi chất ngừng thì sự sống không tồn tại. Quá trình trao đổi của một chất là tập hợp các quy luật của rất nhiều các phản ứng hóa học khác nhau.
Các phản ứng hóa học phức tạp này có liên quan chặt chẽ với nhau và điều chỉnh lẫn nhau. enzyme là các hợp chất protein xúc tác cho các phản ứng hóa học đó. Chúng có khả năng xúc tác đặc hiệu các phản ứng hóa học nhất định và đảm bảo cho các phản ứng xảy ra theo một chiều hướng nhất định với tốc độ nhịp nhàng trong cơ thể sống.[1] Chúng có trong hầu hết các loại tế bào của cơ thể sống. Chính do những tác nhân xúc tác có nguồn gốc sinh học nên enzyme còn được gọi là các chất xúc tác sinh học (biocatalysators) nhằm để phân biệt với các chất xúc tác hóa học.
Lịch sử nghiên cứu Enzyme Do Enzyme học được coi như cột sống của hóa sinh học nên phần lớn các nghiên cứu hóa sinh từ trước đến nay đều liên quan nhiều đến enzyme. Sự phất triển của enzyme có thể chia thành 4 giai đoạn [2] - Giai đoạn 1: trước thế kỷ thứ XVII - Giai đoạn 2: từ thế kỷ XVII đến nửa đầu của thế kỷ XX - Giai đoạn 3: từ giữa thế kỷ XIX đến 30 năm đầu của thế kỷ XX - Giai đoạn 4: từ ngững năm 30 của thế kỷ XX đến nay 1. Giai đoạn 1 Trước thế kỷ XVII người ta đã biết sử dụng các quá trình enzyme trong đời sống song chỉ có tính chất kinh nghiệm thực tế và thông qua hoạt động của vi Khoa Công nghệ Sinh học 3 Viện Đại Học Mở Hà Nội Vũ Văn Trường K14 – Lớp 07 - 5 sinh vật. Đó là các quá trình lên men rượu, muối dưa, làm tương và nước chấm… Ở thời kỳ này người ta chưa hiểu về bản chất enzyme và các quá trình lên men…[2] 1.
Giai đoạn 2 Ở giai đoạn này các nhà bác học đã tiến hành tìm hiểu bản chất của các quá trình lên men. Thời kỳ này đã khái quát hiện tượng lên men như là hiện tượng phổ biến trong sự sống và enzyme là yếu tố gây nên sự chuyển hóa các chất trong quá trình lên men. Vào những năm 1600 của thế kỷ XVII, Jan Baptista Van Helmont (Hà Lan, 1577 – 1644) là người đầu tiên tìm hiểu sâu bản chất của quá trình lên men. Van Helmont đã nhận thấy bản chất của sự tiêu hóa là sự chuyển hóa hóa học của thức ăn và giải thích cơ chế của nó với sự so sánh nó với quá trình lên men rượu.
Danh từ ‘ferment’ được Van helmont dùng để chỉ tác nhân gây ra sự chuyển biến các chất trong quá trinh lên men rượu. Vào nửa cuối thế kỷ thứ XVIII, nhà tự nhiên học người Pháp là Réaumur cũng đã nghiên cứu bản chất của sự tiêu hóa. Ông đã nghiên cứu trên vật thí nghiệm là chim quạ đen. Đầu thế kỷ XIX, các nhà nghiên cứu đã tách được các chất gây ra quá trình lên men.
Năm 1814 Kirchoff, viện sỹ Saint Petercburg đã phát hiện amylase trong mầm đại mạch. Năm 1833, hai nhà khoa học người Pháp là Payen và Pessoz đã chứng minh chất có hoạt động phân giải tinh bột thành đường có thể tách được ở dạng bột. Tiếp đó người ta đã tìm ra và tách được nhiều Enzyme khác như Enzyme phân giải protein của dich tiêu hóa trong dạ dày như Pepsin. Sau đó, lý thuyết xúc tác đã ra đời.
Năm 1835, nhà khoa học Berzelius (nhà hóa học Thụy Điển) có quan điểm cho rằng tăng tốc độ phản ứng là hiện tượng xúc tác. Đây là một quan điểm đúng. Song tiếc cho nhà khoa học này đã Khoa Công nghệ Sinh học 4 Viện Đại Học Mở Hà Nội Vũ Văn Trường K14 – Lớp 07 - 5 coi các chất xúc tác này hoạt động được là do “ lực sống” không theo điều khiển của con người. Đây là quan điểm duy tâm, siêu hình đã làm trì trệ sự phát triển của khoa học nhất là ảnh hưởng sâu sắc đến sự phất triển của nghành Enzyme học.
Giai đoạn 3 Giai đoạn từ giữa thế kỷ XIX đến 30 năm đầu của thế kỷ XX. Ở giai đoạn này một số lượng rất lớn các Enzyme ở dạng hòa tan đã được tách chiết. Trong thời kỳ này, có hai trường phái đấu tranh nhau: đó là trường phái Pasteur – nhà bác học vĩ đại người Pháp và trường phái Liebig – nhà bác học nổi tiếng người Đức. *Trường phái Pasteur: Năm 1856 Pasteur đã đề cập đến bản chất của quá trình lên men.
Ông cho rằng không thể tách các Enzyme khỏi tế bào. Tác dụng và tính chất của Enzyme gắn liền với sự sống của tế bào và quá trình lên men rượu là kết quả hoạt động sống của tế bào nấm men chứ không phải là kết quả của tác dụng Enzyme. Ông đã tiến hành thí nghiệm và nhận thấy nếu một dung dịch hữu cơ, ví dụ dung dịch glucose để trong bình đã khử trùng thì không xảy ra quá trình lên men rượu. Chính nhờ suy nghĩ ấy, Pasteur đã chia các Enzyme thành hai loại: “ Enzyme có tổ chức” và “Enzyme không có tổ chức”.
Theo ông, các “Enzyme có tổ chức” là những Enzyme không thể tách khỏi tế bào, nếu tách chúng sẽ mất tách dụng. Các “ Enzyme không có tổ chức” là các Enzyme có trong dịch tiêu hóa (ví dụ Pepsin ở trong dạ dày, amylase ở trong tuyến nước bọt, trong mầm thóc…). Quan điểm sai lầm này của Pasteur đã thống trị nghành Enzyme học trong một thời gian dài. Năm 1878 Kuhne đã đề nghị dùng danh từ “ferment” để gọi các “Enzyme có tổ chức”.
Còn “Enzyme” để gọi các “Enzyme không có tổ chức”. Danh từ Enzyme được xuất phát từ đây. Khoa Công nghệ Sinh học 5 Viện Đại Học Mở Hà Nội Vũ Văn Trường K14 – Lớp 07 - 5 * Trường phái Liebig Chống lại quan điểm trên của Pasteur, Liebig (trước đó có cả Berzeliu) cho rằng không có hoạt động của các tế bào vi sinh vật cũng có quá trình lên men. Điều đó có nghĩa là ông coi Enzyme như một chất hóa học gây lên hiệu quả tương tự chất xúc tác, tác dụng cả ở trong và ngoài tế bào, không phụ thuộc vào hoạt động sống của vi sinh vật.
Nhưng năm 1871 Liebig thất bại vì thực nghiệm không chứng minh được quan điểm trên của mình. Các thí nghiệm được tiến hành bằng cách lấy dịch chiết từ tế bào nấm men nghiền nát, đều không có tác dụng gây men rượu. Cũng vào năm 1871 Mannatxein là một bác sỹ gười Nga đã dùng cát thạch anh nghiền các tế bào nấm men và thu được dịch chiết không chứa tế bào có khả năng biến đổi đường thành rượu. Nhưng những quan sát này đã không được ai chú ý tới.
Chính vì vậy, quan điểm siêu hình của Pasteur đã hạn chế khá nhiều sự phát triển của nghành Enzyme học. Buchner – một nhà khoa học người Đức đã nhận được dịch chiết nấm men bằng cách phân hủy tế bào hoàn thiện hơn. Trong thí ngiệm này, các tế bào nấm men được nghiền nát hoàn toàn cùng với bột thủy tinh, sau đó được ép bằng áp suất cao. Dịch chiết thu được không chứa tế bào nhưng vẫn có khả năng gây ra quá trình lên men (chuyển hóa từ đường glucose thành rượu).
Điều đó chứng tỏ quá trình lên men không phải là kết quả của hoạt động sống của tế bào nấm men mà là kết quả của các Enzyme vốn có trong các tế bào. Do đó, quan điểm sai lầm về Enzyme hoàn toàn bị xóa bỏ. Cũng từ đó không có sự phân biệt về nội dung giữa thuật ngữ “ferment” và “enzyme”. Có thể nói công trình của Buchner đã đánh dấu một bước ngoặt quan trọng trong lịch sử phát triển của Enzyme học.
Từ đó có rất nhiều Enzyme trong cơ thể sống được tìm ra. Vì vậy việc phân loại và gọi tên các Enzyme một cách thống nhất là rất cần thiết. Năm 1883, Duyclo nhà bác học người Pháp đã đề ra nguyên tắc phân loại Enzyme theo cơ Khoa Công nghệ Sinh học 6 Viện Đại Học Mở Hà Nội Vũ Văn Trường K14 – Lớp 07 - 5 chất (substrate) do chúng biến đổi và thêm đuôi tận cùng là “ase” vào. Tuy vậy, trong thực tế còn tồn tại rất nhiều ngoại lệ về thuật ngữ, ví dụ những tên gọi Enzyme pepsin, trypsin, catalase trước đây vẫn được dùng.
Giai đoạn quan trọng nhất trong thời kì này là các công trình của nhà bác học vĩ đại người Đức E. Ông đã đặt nền móng cho những khái niệm hiện đại về tính đặc hiệu của Enzyme, về sự tương tác không gian giữa Enzyme và cơ chất. Giả thuyết nổi tiếng của ông là giữa Enzyme và cơ chất kết hợp với nhau như “ổ khóa với chìa khóa”. Rồi những nghiên cứu của Bach và Palladin về các Enzyme oxy hóa khử tạo nên cơ sở cho việc xây dựng học thuyết oxy hóa khử sinh học.
Trong thời gian này người ta cũng đã phát hiện ra được tính tác dụng thuận nghịch của Enzyme (Đanilepsski, 1894), các coenzyme cũng được phát hiện (Harden và Young, 1906). Họ là những người khám phá ra rằng dịch chiết tế bào nấm men chứa hai loại chất cần thiết cho quá trình lên men là “zymase” và “coenzyme”. Giai đoạn 4 Bản chất hóa học của Enzyme chỉ được xác định đúng đắn từ sau khi kết tinh được Enzyme. Năm 1926 nhà khoa học người Mỹ trẻ tuổi Sumner (39 tuổi) đã thành công trong việc chứng minh protein được kết tinh từ hạt đậu tương là chất giống Enzyme xúc tác cho phản ứng thủy phân ure, và đây cũng chính là Enzyme đầu tiên được kết tinh.
Năm 1930 ở Mỹ Northrop đã tách được pepsin ở dạng tinh thể, và vào năm 1931 Northrop và Kunitz cũng đã tách được trypsin ở dạng tinh thể. Các công trình của Sumner và Northrop đã mở ra một chương mới trong lịch sử phát triển của Enzyme học hiện đại. Những kết quả đạt được đã khẳng định một cách dứt khoát bản chất của Enzyme là protein. Phải nói rằng bản chất hóa học phần lớn Enzyme là protein và định nghĩa có tính chất kinh điển về Enzyme phải xem lại từ sau phát hiện của T.
Cech đã phát Khoa Công nghệ Sinh học 7 Viện Đại Học Mở Hà Nội Vũ Văn Trường K14 – Lớp 07 - 5 hiện một RNA có hoạt tính xúc tác như Enzyme và gọi là ribozyme. Ribozyme xúc tác cho quá trình chuyển hóa tiền chất RNA thông tin (pre – mRNA) thành m – RNA.