Enzyme là gì? Chất xúc tác sinh học làm tăng tốc độ phản ứng và được ứng dụng trong đa dạng lĩnh vực của cuộc sống
Enzyme là thuật ngữ quan trọng trong lĩnh vực sinh học và hóa học. Chúng là thành phần không thể thiếu trong các phản ứng, hoạt động sống của cơ thể. Vậy enzyme là gì? Bài viết dưới đây sẽ cung cấp đầy đủ và toàn diện nhất về enzyme. Đặc biệt là khám phá sâu hơn về tầm quan trọng của enzyme trong duy trì sự sống và hoạt động của cơ thể.
Nội dung
- 1. Enzyme là gì?
- 2. Cơ chế hoạt động của enzyme
- 3. Một số loại enzyme trong cơ thể con người
- 4. Vai trò của enzyme
- 5. Điều kiện thuận lợi cho hoạt động của enzyme
- 6. Cofactor (đồng yếu tố)
- 7. Các yếu tố khiến enzyme biến chất
- 8. Đối tượng cần bổ sung enzyme và một số lưu ý
- 9. Ứng dụng của enzyme trong các lĩnh vực khác
- 10. Tạm kết
1. Enzyme là gì?
1.1 Khái niệm enzyme
Enzyme là chất xúc tác sinh học, được cấu trúc bởi protein và tế bào sinh vật. Mọi sinh vật sống đều có sự tồn tại của enzyme. Nó làm tăng tốc độ phản ứng hóa học nhờ liên kết và biến đổi cấu trúc phân tử. Bởi vậy, enzyme đóng vai trò quan trọng trong nhiều hoạt động. Chẳng hạn như hô hấp, tiêu hóa, chức năng cơ và thần kinh.
- Hệ tiêu hóa: Enzyme giúp phá vỡ, phân chia phân tử phức tạp thành đơn giản để dễ chuyển đổi thành năng lượng. Điển hình như glucose.
- Sao chép DNA: DNA cần được sao chép trong mỗi lần phân chia tế bào. Enzyme hỗ trợ quá trình này thông qua tháo cuộn DNA và sao chép thông tin.
- Men gan: Enzyme giúp gan thực hiện chức năng thải độc và duy trì sức khỏe.
Enzyme đóng vai trò quan trọng trong hoạt động sống của con người. Nó giúp chuyển hóa thức ăn thành năng lượng. Tuy nhiên, cấu trúc của enzyme dễ dàng bị ảnh hưởng bởi một số yếu tố. Ví dụ như nhiệt độ, bệnh tật và hóa chất độc hại. Enzyme bị phá vỡ tác động xấu đến sức khỏe con người.
1.2 Lịch sử
- Từ cuối thế kỷ 17 đến đầu thế kỷ 18, quá trình tiêu hóa thịt được tiết ra từ dạ dày (de Réaumur, RAF (1752). “Observations sur la digestion des oiseaux”. Histoire de l’academie royale des sciences. 1752: 266, 461.). Quá trình chuyển hóa tinh bột đã được biết đến, nhưng cơ chế chưa rõ ràng.
- Năm 1833, nhà hóa học Pháp Anselme Payen phát hiện ra enzyme đầu tiên, diastase. Louis Pasteur sau đó phát hiện ra rằng quá trình lên men được xúc tác bởi enzim trong tế bào nấm men, gọi là “ferments” (Dubos J. (1951). “Louis Pasteur: Free Lance of Science, Gollancz. Quoted in Manchester K. L. (1995) Louis Pasteur (1822–1895)—chance and the prepared mind”. Trends Biotechnol. 13 (12): 511–5.).
- Năm 1877, nhà vật lý học người Đức Wilhelm Kühne đặt tên quá trình này là “enzyme”.
- Năm 1897, Eduard Buchner chứng minh rằng men có thể được chiết xuất từ tế bào nấm men còn sống và đặt tên enzym lên men sucrose là “zymase”.
- Ông nhận được giải Nobel hóa học vào năm 1907 vì công trình này.
1.3 Cấu trúc của enzyme
Hầu hết enzyme thường có dạng hình cầu (hình hạt). Khối lượng phân tử rất rộng từ 12.000 dalton – 1.000.000 dalton hoặc lớn hơn. Enzyme tan trong nước, dung dịch muối loãng, glycerin và một số dung môi có cực. Ở nhiệt độ cao, enzyme rất dễ bị biến tính và mất đi khả năng xúc tác.
Enzyme được chia thành 2 phần: phần protein (apoenzyme) và phần không phải protein (coenzyme). Coenzyme quyết định phản ứng xúc tác và làm tăng độ bền của apoenzyme. Còn Apoenzyme giúp tăng cường hoạt tính của coenzyme và quy định tính đặc hiệu của enzyme.
1.4 Tính chất của enzyme
- Enzyme mang đặc chất và các thuộc tính lý hóa như protein. Đa số enzyme khó di qua màng bán thấm bởi phân tử khối lớn.
- Chỉ tan trong nước và các dung môi phân cực. Không tan trong ete.
- Dễ bị biến tính, không bền bởi nhiệt. Thậm chí, bất động trong môi trường axit và bazo.
- Enzyme có tính lưỡng tính. Tồn tại ở một số dạng như cation, anion hay trung hòa điện tùy theo độ pH.
- Enzyme chia làm hai nhóm: enzyme một cấu tử (chỉ chứa protein) và enzyme hai cấu tử (chứa nhóm không phải protein như apoenzym và coenzym).
1.5 Điều chế sản xuất Enzymes
Hai loại enzyme chính là enzyme tiêu hóa và chuyển hóa được cơ thể tạo ra. Các enzyme tiêu hóa được tìm thấy trong tuyến nước bọt, dạ dày, tuyến tụy và ruột non. Nhờ đó, giúp cơ thể cải thiện tiêu hóa và hấp thu tốt chất dinh dưỡng. Còn enzyme chuyển hóa được sản sinh trong tế bào. Nhờ đó, có thể tổng hợp năng lượng hỗ trợ các hoạt động sống như hít thở, suy nghĩ, di chuyển…
2. Cơ chế hoạt động của enzyme
2.1 Cơ chế
Enzyme đóng vai trò quan trọng trong bảo vệ sức khỏe và duy trì sự sống. Cơ thể tự sản sinh ra rất nhiều enzyme để đáp ứng nhu cầu. Có tới 5.000 loại enzyme với 25.000 chức năng riêng biệt. Mọi hoạt động như tiêu hóa, hấp thụ, vận động,… đều cần enzyme. Vậy cơ chế hoạt động của enzyme ra sao? Cùng BCC khám phá ngay.
Enzyme hoạt động theo mô hình ‘khóa và chìa khóa’. Ban đầu, một enzyme chỉ liên kết với một cơ chất tương ứng. Tuy nhiên, theo mô hình khớp cảm ứng, khi tiếp xúc, enzyme phải biến đổi để phù hợp với cơ chất. Tức là nó có thể liên kết với nhiều cơ chất khác nhau. Quá trình xúc tác bắt đầu diễn ra khi cơ chất được cố định vị trí nhất định.
Về cơ bản, enzyme được hoạt động theo công thức sau:
E + S → ES → P + E
Trong đó, E là Enzyme hỗ trợ xúc tác. S là cơ chất (Substrate). ES là phức hợp Enzyme. Còn P là sản phẩm (Product).
2.2 Giai đoạn
Dựa trên công thức trên, cơ chế hoạt động của enzyme được chia làm 3 giai đoạn:
- Giai đoạn thứ nhất: Enzyme liên kết yếu với cơ chất tạo phức hợp enzyme – Cơ chất (E-S) không bền. Đặc biệt là liên kết hydrogen. Nó làm thay đổi cấu hình không gian của cơ chất, ảnh hưởng đến động năng và thế năng. Nhờ đó, cơ chất trở nên linh hoạt và dễ dàng tham gia phản ứng.
- Giai đoạn thứ hai: Cơ chất biến đổi do enzyme xúc tác. Nó dẫn đến kéo căng và phá vỡ liên kết đồng hóa trị trong phản ứng hình thành sản phẩm (Product), tạo phức hệ E-P.
- Giai đoạn thứ ba: Enzyme xúc tác lên cơ chất tạo sản phẩm. Còn enzyme được giải phóng dưới dạng tự do.
Xem thêm:
- Công nghệ Enzyme – Chi tiết quy trình và ứng dụng thực tiễn
- Enzyme tiêu hóa – Khái niệm, vai trò và cách thức bổ sung hiệu quả
3. Một số loại enzyme trong cơ thể con người
Có hàng ngàn enzyme trong cơ thể người. Cùng BCC liệt kê ngay một số loại enzyme chính, điển hình.
- Lipase: Được sản xuất tại tuyến tụy và ruột non. Nó giúp tiêu hóa chất béo, dự trữ năng lượng và hỗ trợ tế bào.
- Amylase: Được tiết ra từ tuyến nước bọt, tuyến tụy và ruột non. Amylase giúp chuyển hóa thức ăn thành tinh bột, đường và cuối cùng là glucose bởi các enzym khác. Glucose được hấp thụ vào hệ tuần hoàn máu qua thành ruột non.
- Maltase: Có khả năng chuyển hóa đường maltose thành glucose. Nó được tìm thấy trong nhiều loại thực phẩm như khoai tây, mì ống và bia.
- Trypsin: Được tiết ở trong ruột non, chuyển hóa protein thành axit amin.
- Lactase: Được tìm thấy trong ruột non, hỗ trợ chuyển hóa lactose thành glucose và galactose.
- Acetylcholinesterase: Hỗ trợ phân hủy chất dẫn truyền thần kinh acetylcholine trong dây thần kinh và cơ.
- Helicase: Enzyme tháo xoắn DNA.
- DNA polymerase: Tổng hợp DNA từ deoxyribonucleotide.
- Protease: Được tìm thấy trong dạ dày, tuyến tụy và ruột non. Trong dạ dày, pepsin là enzym tiêu hóa chính. Một số enzyme tuyến tụy khác sẽ phân hủy protein tại ruột non.
4. Vai trò của enzyme
Enzyme cần thiết cho mọi hoạt động sống. Bởi vậy, việc thiếu hụt enzyme khiến cơ thể gặp rất nhiều vấn đề về sức khỏe. Điển hình là làm giảm/vô hiệu hóa khả năng phân giải thức ăn thành năng lượng. Điều này khiến cơ thể mệt mỏi và thiếu sức sống. Ngoài ra, còn gây ra tình trạng trào ngược dạ dày thực quản, khó tiêu, xơ vữa động mạch, cholesterol cao, yếu cơ,… Nguy hiểm nhất là làm giảm chức năng của các cơ quan. Dưới đây là một số tác dụng của enzyme với hoạt động sống:
- Tạo chất xúc tác phản ứng sinh hóa giúp tăng tốc độ chuyển hóa năng lượng.
- Xây dựng cơ bắp, giải độc tố và tiêu hóa thức ăn.
- Hỗ trợ tiêu hóa, hấp thu dinh dưỡng khi enzyme kết hợp với axit dạ dày và dịch mật.
- Tác dụng phân giải, cân bằng chất dinh dưỡng, tăng cường trao đổi chất giúp nâng cao sức đề kháng.
- Làm sạch máu và cân bằng cholesterol trong máu.
- Kháng viêm, kháng khuẩn, chống nhiễm trùng và phục hồi vết thương nhanh chóng.
5. Điều kiện thuận lợi cho hoạt động của enzyme
Enzyme chỉ hoạt động được trong một số điều kiện nhất định. Bao gồm: nhiệt độ, độ pH và đặc tính môi trường. Các điều kiện này đạt đến mức lý tưởng giúp enzyme hoạt hóa hiệu quả.
- Enzyme hoạt động tốt ở nhiệt độ khoảng 37°C. Dưới mức nhiệt độ này, enzyme hoạt động chậm hơn nhiều.
- Tùy vị trí enzyme, tương ứng với khoảng pH nhất định. Cụ thể, enzyme trong ruột hoạt động tốt nhất ở độ pH 7,5. Còn với enzyme dạ dày, con số này là 2. Bởi dạ dày có tính axit hơn nhiều.
- Môi trường quá axit hoặc quá kiềm cũng khiến hoạt động của enzyme bị ảnh hưởng. Bởi hình dạng thay đổi khiến việc liên kết với cơ chất gặp nhiều bất lợi.
- Khi bị sốt, thân nhiệt tăng lên quá mức làm phá vỡ cấu trúc enzyme. Bên cạnh đó, một số vấn đề về sức khỏe như viêm tụy cũng khiến enzyme tiêu hóa bị suy giảm cả về số lượng và chức năng hoạt động.
6. Cofactor (đồng yếu tố)
Một số enzyme không liên kết được với cơ chất cho đến khi cofactor gắn vào. Cofactor có vai trò kết nối giữa enzyme và cơ chất. Chẳng hạn carbonic anhydrase, enzyme giúp duy trì độ pH. Nó không thể liên kết với cơ chất trừ khi gắn với một ion kẽm.
7. Các yếu tố khiến enzyme biến chất
Cấu trúc enzyme liên quan chặt chẽ đến các chức năng. Thế nhưng, cấu trúc rất dễ bị phá vỡ bởi nhiệt độ, bệnh tật và hóa chất độc hại. Khi cấu trúc bị phá vỡ, enzyme mất chức năng hoạt động.
Dưới đây là một số trường hợp khiến enzyme biến chất:
- Nhiệt độ: Nhiệt độ cơ thể khiến enzyme hoạt động tốt nhất là 97°F – 99°F (36,1°C đến 37,2°C). Sốt và tăng nhiệt quá cao khiến enzyme bất hoạt. Do đó, cần điều chỉnh nhiệt độ cơ thể phù hợp.
- Bệnh tật: Viêm tụy, một số bệnh gây tổn thương tuyến tụy. Nó làm giảm số lượng và chức năng hoạt động của enzyme.
Độ pH của dạ dày và ruột: Nếu độ pH quá thấp (quá axit) hoặc quá cao (quá bazo) khiến hoạt động của enzyme bị ảnh hưởng. - Chất ức chế: Chất ức chế cản trở phản ứng hóa học của enzyme. Nó được sản xuất tự nhiên trong cơ thể hoặc dạng thuốc kháng sinh. Nó ngăn chặn enzyme thực hiện chức năng khiến tình trạng nhiễm trùng gia tăng.
- Chế độ ăn uống: Nhiều thực phẩm chứa enzyme tiêu hóa hỗ trợ enzyme sản sinh tự nhiên trong cơ thể hoạt động. Chẳng hạn chuối chứa amylase. Bởi vậy, dù chứa nhiều carbs nhưng nó vẫn được tiêu hóa dễ dàng.
8. Đối tượng cần bổ sung enzyme và một số lưu ý
8.1 Đối tượng
Enzyme rất cần cho mọi hoạt động sống. Nếu thiếu hụt enzyme, các cơ quan sẽ khó thực hiện được đầy đủ các chức năng của nó.
-
Người mắc bệnh lý tuyến tụy
Viêm tụy, xơ nang và ung thư tuyến tụy khiến lượng enzyme giảm đáng kể. Điều này khiến khả năng tiêu hóa và hấp thụ dinh dưỡng bị ảnh hưởng. Nếu mắc các bệnh liên quan, cần thăm khám và điều trị kịp thời.
-
Người ăn kiêng
Nếu không xây dựng được thực đơn phù hợp khiến cơ thể dễ bị thiếu hụt enzyme. Bởi vậy, đây là đối tượng cần được bổ sung enzyme. Enzyme giảm cân có ở dạng viên. Cần mua và sử dụng men tụy (PEP) đã được FDA chấp thuận theo sự chỉ định của bác sĩ.
-
Người thường xuyên tiếp xúc hóa chất độc hại
Hóa chất độc hại có thể ảnh hưởng xấu đến số lượng và chức năng của enzyme. Do đó, cần bổ sung enzyme nếu tiếp xúc với nhiều loại hóa chất, thuốc trừ sâu.
8.2 Lưu ý
- Một số trường hợp bổ sung enzyme khiến dạ dày bị kích ứng và rối loạn hệ tiêu hóa. Cần báo cáo cho bác sĩ nếu gặp tác dụng phụ để có giải pháp điều trị kịp thời.
- Hoạt động enzyme còn bị ảnh hưởng bởi chế độ ăn uống. Thực phẩm chứa nhiều enzyme tiêu hóa giúp tiêu hóa tinh bột dễ dàng.
- Thói quen ăn kiêng và tình trạng sức khỏe tác động đến mức độ sản xuất, lưu trữ và giải phóng enzyme. Bởi vậy, cần xây dựng chế độ ăn uống khoa học để đảm bảo sức khỏe tốt nhất. Một khẩu phần ăn hợp lý sẽ nên gồm 85-90% thực vật và 10-15% protein động vật. Ngoài ra, cần bổ sung vitamin và khoáng chất. Ưu tiên các thực phẩm chứa nhiều enzyme.
9. Ứng dụng của enzyme trong các lĩnh vực khác
Sản xuất các chế phẩm enzyme ngày càng phát triển và ứng dụng rộng rãi. Chẳng hạn như: Y học, hoá học, thực phẩm, mỹ phẩm, nông nghiệp,… Có đến hàng nghìn sản phẩm được bán trên thị trường thế giới. Chúng được khai thác và tinh chế có mức độ tinh khiết đạt chuẩn.
9.1 Y dược
Enzyme phát triển tạo nên những bước đột phá trong y học. Điển hình là phương pháp định lượng và định tính enzyme trong hóa học lâm sàng và thí nghiệm chẩn đoán.
- Hỗ trợ xác định, phân tích nồng độ cơ chất: Glucose, cholesterol…
- Xác định hoạt tính xúc tác enzyme trong mẫu vật.
- Xác định nồng độ cơ chất nhờ thuốc thử enzyme đánh dấu.
- Định lượng các chất và hỗ trợ xét nghiệm, chẳng hạn như kiểm tra glucose nước tiểu.
- Chế phẩm thuốc. Điển hình là dùng protease làm chống tắc nghẽn tim mạch, tiêu mủ vết thương, thông đường hô hấp,…
9.2 Chăm sóc cá nhân
Enzyme được sử dụng trong sản xuất các sản phẩm chăm sóc da tẩy da chết. Tất cả các enzyme đều được xử lý tinh vi về cách thức và điều kiện để đảm bảo môi trường hoạt hóa tốt nhất. Đặc biệt là đảm bảo nhiệt độ và độ pH thích hợp để một số enzyme thực hiện phản ứng đặc biệt. Có enzyme còn phụ thuộc vào enzyme khác như coenzyme, cần nhiệt độ tốt để hoạt hóa. Do là sản phẩm bôi ngoài da nên phải cần thời gian để kích thích enzyme thực hiện chức năng.
9.3 Sản xuất tiêu dùng
Enzym kích thích tốc độ phản ứng hóa học. Bột giặt chứa enzyme làm sạch vết bẩn nhờ phân hủy protein, tinh bột hoặc chất béo. Trong papain, enzyme giúp phân nhỏ protein khiến thịt mềm và dễ nhai hơn.
9.4 Hóa học
Enzyme có cảm ứng cao với các thay đổi nhỏ. Do đó, chúng được ứng dụng khá phổ biến trong hóa học. Chế phẩm enzyme hỗ trợ gắn phức hợp enzyme xúc tác cho nhiều phản ứng. Cụ thể là các bước trong quy trình tổng hợp glutathion, acid béo, alcaloid, sản xuất hormone,… Enzyme còn được sử dụng trong xử lý nước thải, sản xuất alcohol, amino acid,… Ngoài ra, enzyme protease còn hỗ trợ nghiên cứu protein. Enzyme endonuclease nghiên cứu cấu trúc nucleic acid,… Trong hóa phân tích, nó còn được dùng làm thuốc thử.
9.5 Công nghiệp thực phẩm
- Enzyme tạo nên tính đa dạng và nâng tầm chất lượng các sản phẩm trong công nghiệp thực phẩm.
- Enzyme protease giúp chế biến thịt mềm hơn, dễ tiêu hóa và phân hủy protein.
- Enzyme renin và pepsin được khai thác tính đông tụ trong sản xuất phomai.
- Enzyme pectinase nâng cao chất lượng sản xuất nước hoa quả từ quả nghiền. Cụ thể là giúp nước trong suốt, dễ lọc và tăng hiệu suất.
- Enzyme cellulase tăng khả năng hấp thu, nâng tầm vị và làm mềm nhiều loại thực phẩm thực vật.
- Enzyme amylase được sử dụng phổ biến trong sản xuất bánh mì, rượu, bia,… Nó giúp tăng độ xốp, hương vị bánh mỳ. Đồng thời, có thể giảm giá thành bia nhờ sử dụng amylase trong các hạt nảy mầm thay thế malt. Đường maltose giúp thủy phân tinh bột bằng enzyme amylase.
Xem thêm:
- Men tiêu hóa là gì? Vai trò và sự khác biệt với men vi sinh
- Ứng dụng enzyme trong công nghệ thực phẩm cần biết
10. Tạm kết
Trên đây là toàn bộ thông tin về “enzyme là gì”. Enzyme đóng vai trò quan trọng trong quá trình hoạt động của cơ thể, giúp tăng tốc các phản ứng hóa học và duy trì sự cân bằng tổng thể. Việc bổ sung đúng cách các dưỡng chất và enzyme cần thiết là một phần quan trọng của việc duy trì sức khỏe và sự phát triển của cơ thể. Hiểu rõ về enzyme sẽ giúp bạn có những quyết định hợp lý về dinh dưỡng và chăm sóc sức khỏe của bản thân. BCC chuyên cập nhật nhanh chóng và chính xác nhất các thông tin liên quan đến nghiên cứu và ứng dụng Tế bào trong mọi lĩnh vực.
