Giải chuyên đề học tập Sinh học 10 KNTT bài 5: Khái quát về công nghệ enzyme

Công nghệ enzyme là quy trình kĩ thuật tách chiết và tinh sạch enzyme dùng cho nghiên cứu cũng như ứng dụng trong thực tiễn. Các chế phẩm của enzyme được sử dụng trong nhiều lĩnh vực của đời sống như: sản xuất thuốc chữa bệnh, chế biến thức ăn cho người và gia súc, xử lí ô nhiễm môi trường, sản xuất bột giặt và các chất tẩy rửa,...

Nhiều loại enzyme có vai trò quan trọng trong công nghệ sinh học, không chỉ giúp tạo ra các giống vật nuôi, cây trồng mới có năng suất và chất lượng cao mà còn góp phần phát hiện và chữa trị nhiều bệnh hiểm nghèo ở người.

Câu hỏi 2. Thành tựu của công nghệ enzyme trong giai đoạn từ những năm 30 của thế kỉ XX đến nay đã giải quyết được những vấn đề gì trong thực tiễn?

Từ những năm 30 của thế kỉ XX đến nay, công nghệ enzyme phát triển lên một tầm cao mới và đã giải quyết được nhiều vấn đề phục vụ cho thực tiễn như:

• Sản xuất nhiên liệu sinh học thế hệ thứ hai từ các sản phẩm có nguồn gốc thực vật nhờ ứng dụng hoạt động của enzyme cellulase.
• Sản xuất được các enzyme làm chín trái cây, tạo mùi hương thay thế các hợp chất hoá học độc hại.
• Mở ra triển vọng xử lí rác thải nhựa bằng công nghệ enzyme.
• Nghiên cứu thành công enzyme cắt giới hạn, khởi đầu cho những thành tựu trong y học như tái tổ hợp gene, có thể loại bỏ hoặc thay thế gene mong muốn.
• Nghiên cứu sửa chữa DNA trong các bệnh lí di truyền ở người nhằm mục đích chữa bệnh di truyền.
• Nghiên cứu hệ enzyme CRISPR/Cas được sử dụng để tạo ra sinh vật biến đổi gene với hiệu quả cao.

Enzyme dị lập thể là loại enzyme trong cấu trúc có một hoặc vài vị trí dị lập thể. Trung tâm hoạt động tiếp nhận cơ chất để xúc tác cho phản ứng, trong khi vị trí dị lập thể liên kết với chất tác dụng để điểu chỉnh hoạt động xúc tác (ức chế hay tăng cường) của enzyme. Phân tử enzyme dị lập thể có thể có loại vị trí dị lập thể dương, loại vị trí dị lập thể âm hoặc có cả hai. Trong cơ thể sống, dị lập thể âm rất quan trọng và phổ biến, thường thể hiện ở cơ chế ức chế ngược để đảm bảo tế bào không tạo ra các chất thừa so với nhu cầu.

Câu hỏi 2. Phân tích những đặc tính ưu việt của enzyme để chỉ ra cơ sở khoa học của việc ứng dụng công nghệ enzyme trong các lĩnh vực khác nhau của đời sống.

• Enzyme có trung tâm hoạt động, là nơi enzyme liên kết đặc hiệu với cơ chất. Do đó, mỗi enzyme chỉ tác động lên một hay một số chất có cấu hình không gian tương ứng tạo nên tính đặc hiệu của enzyme.
• Một số enzyme có vùng cấu trúc dị lập thể, có thể liên kết với chất hoạt hoá dị lập thể để ức chế hoặc tăng cường hoạt động của enzyme. Nhờ đó, có thể ứng dụng trong điều trị bệnh hoặc chủ động sản xuất các chế phẩm với số lượng mong muốn.
• Enzyme hoạt động trong điều kiện ôn hoà. Do đó, trong các phản ứng có enzyme xúc tác, sự tiêu hao năng lượng thường rất ít, hiệu quả xúc tác cao. Ở điều kiện thích hợp, khi có enzyme xúc tác, phản ứng xảy ra nhanh hơn nhiều lần so với khi xúc tác bằng chất hoá học khác; enzyme cũng có khả năng xúc tác chuyển hoá cho một lượng cơ chất rất lớn chỉ với lượng enzyme rất nhỏ. Do đó, enzyme sử dụng trong các lĩnh vực sản xuất sẽ tiết kiệm được thời gian và tăng hiệu quả sản xuất, hạ giá thành sản phẩm.
• Enzyme có thể thu được từ nhiều nguồn đễ kiếm, rẻ tiền. Enzyme thu được từ quá trình sống của sinh vật nên không gây độc cho con người, các sinh vật khác và môi trường.

Enzyme trong hình có một trung tâm hoạt động và một vùng cấu trúc dị lập thể, tuy nhiên, cấu trúc của trung tâm hoạt động không tương thích với cơ chất nên cơ chất không thể liên kết với trung tâm hoạt động dẫn đến enzyme bất hoạt.

Khi có chất hoạt hoá dị lập thể liên kết vào vị trí đị lập thể của enzyme, làm biến đổi cấu trúc của trung tâm hoạt động, trung tâm hoạt động lúc này tương thích với cơ chất, enzyme hoạt động xúc tác phản ứng để tạo ra sản phẩm.

a) Cơ chế hoạt hoá của enzyme phosphofructokinase-1:

Phosphofructokinase-1 là enzyme quan trọng điểu khiển quá trình đường phân, được hoạt hoá dị lập thể bởi AMP và fructose 2, 6-bisphosphate. Khi nồng độ hai chất này tăng sẽ xúc tác chuyển hoá fructose 6-phosphate. Ngược lại, ATP và citrate là chất ức chế enzyme phosphofructokinase-1 nên khi hai chất này tăng sẽ ức chế chuyển hoá fructose 6-phosphate. Fructose 6-phosphate dư thừa do không được chuyển hoá sẽ tạo thành fructose 2, 6-bisphosphate, chất này lại kích thích hoạt động của enzyme phosphofructokinase-1 giúp tăng cường chuyển hoá fructose 6-phosphate.

b) Thuốc giảm béo làm tăng ái lực với đường fructose 2, 6-bisphosphate dẫn đến làm giảm nồng độ fructose 2, 6-bisphosphate, từ đó tăng cường chuyển hoá fructose 6-phosphate để tạo fructose 2, 6-bisphosphate. Quá trình này tiêu tốn ATP, ATP giảm sẽ giảm sự ức chế hoạt động của enzyme fructosekinase-1, từ đó làm tăng cường chuyển hoá đường phân, hạn chế tích luỹ năng lượng dư thừa đưới dạng lipid, giúp cơ thể giảm béo.