Phân giải hay thủy phân protein là quá trình phân hủy protein thành các polypeptide nhỏ hơn hoặc các amino acid. Quá trình này nếu không có sự xúc tác của các enzyme chuyên biệt thì sẽ diễn ra cực kỳ chậm, thậm chí có thể mất tới hàng trăm năm hoặc hơn. Các loại enzyme đó được gọi là enzyme phân giải protein hoặc enzyme thủy phân protein, hai thuật ngữ này thực chất là một và cùng để chỉ nhóm các enzyme tế bào được gọi là Protease.

Enzyme Protease có trong cơ thể nhiều loại sinh vật và đã được thu nhận qua nhiều nguồn, từ động, thực vật cho tới vi sinh vật. Chính vì thế chúng rất dễ tiếp cận và thực tế là đang ngày càng chứng minh được vai trò của mình trong đời sống thực tiễn.

Enzyme Protease là gì?

Bản chất của enzyme là protein được sinh vật tổng hợp nên, tham gia vào các phản ứng hóa sinh học. Mỗi enzyme đều có tác dụng chọn lọc đối với một cơ chất hoặc một loại cơ chất nhất định, tính chất chọn lọc này được gọi là tính đặc hiệu của enzyme. Enzyme protease tất nhiên sẽ mang đầy đủ các đặc tính chung của enzyme, đó là:

An toàn với sinh vật, môi trường

Tính linh hoạt cao, hoạt động ngay cả khi bị tách khỏi tế bào gốc

Có thể tham gia xúc tác trong toàn bộ các giai đoạn của phản ứng, bất kể trong hay ngoài cơ thể.

Enzyme giống như các chất xúc tác, nó không bị tiêu thụ trong các phản ứng hóa học và không làm thay đổi sự cân bằng hóa học.

Enzyme tăng tốc độ phản ứng bằng cách làm giảm năng lượng hoạt hóa

Enzyme có tính chọn lọc (tính đặc hiệu) cao, sự chọn lọc của enzyme đến từ cấu trúc bậc 3 của nó..

Cách enzyme tồn tại, hoạt động đều được quy định bởi gen, cùng với đó là sự phụ thuộc vào các điều kiện phản ứng.

Cấu tạo và cơ chế xúc tác 

Enzyme protease xúc tác thủy phân các liên kết peptit (-CO-NH-) trong phân tử protein giải phóng các acid amin, pepton hoặc dittripepton.

Trong cấu tạo của enzyme protease, ở vùng trung tâm hoạt động của nó là bộ 3 amino acid Asp-His-Ser. Đây là bộ 3 amino acid truyền thống của serine protease.

Đây là nhóm peptidase lớn nhất và được phát hiện ở mọi giới sinh vật như sinh vật nhân thực, sinh vật nhân sơ, cổ khuẩn và virus.

Cơ chế xúc tác phản ứng thủy phân chung của các enzyme protease về cơ bản thông qua hai bước chính:

Bước 1: Acyl hóa: hình thành liên kết cộng hóa trị giữa nhóm -OH của serine với nguyên tử cacbon trong nhóm cacboxyl của phân tử cơ chất nhờ có hỗ trợ của nhóm imidazole từ histidine.

Bước 2: Khử acyl hóa: phức hệ acyl – enzyme bị thủy phân bởi phân tử H2O theo chiều ngược lại của bước một. Trong đó, nhóm imidazole chuyển proton của gốc -OH từ serine cho nhóm amine để tái sinh lại enzyme.

Phân loại các protease

Dựa vào vị trí tác dụng lên các peptide mà các protease được chia làm 2 nhóm chính:

Exopeptidase: Đây là các enzyme xúc tác việc phá vỡ các liên kết peptit ở các đầu cuối và loại bỏ các axit amin đơn lẻ khỏi phân tử protein.

Exopeptidase còn được chia thành 2 loại nhỏ là carboxypeptidase và aminopeptidase. Dipeptidase là một tên khác được sử dụng để chỉ exopeptidase.

Endopeptidase: Đây là enzyme phân cắt protein, phá vỡ các liên kết peptit trong phân tử protein. Kết quả của phản ứng endopeptidase cho ra protein đã bị tách thành các chuỗi peptit. Hơn nữa, chuỗi peptit là trình tự của các axit amin. Do đó, các axit amin đơn lẻ không chịu tác động của endopeptidase. Đại diện cho nhóm này là các enzyme như Pepsin, Chymotrypsin, Thermolysin và Trypsin.

Ngoài ra các protease còn được phân loại dựa vùng pH mà enzyme hoạt động tối ưu nhất:

Protease acid: pepsin, renin,… hoạt động ở vùng pH acid 2-4.

Protease trung tính: như papain từ quả đu đủ, bromelain từ quả dứa,… hoạt động ở vùng pH trung tính 7-8.

Protease kiềm: trypsin, chymotrypsin,… hoạt động ở vùng pH kiềm 9-11.

Ngoài các cách trên, ta còn có thể phân làm 2 loại khác là: Enzyme protease nội bào Enzyme protease ngoại bào 

Một số ứng dụng của Enzyme Protease

Chế biến thịt

Đây là ứng dụng nổi bật nhất của enzyme protease, các chế phẩm protease có thể dùng để làm mềm thịt. Enzyme có ảnh hưởng lớn nhất trong hoạt động này là papain hoặc hỗn hợp của papain với protease của vi sinh vật. Ngoài ra còn tùy vào tình huống thực tiễn như: loại thịt, đặc điểm thịt thành phẩm mà sử dụng các chế phẩm enzyme protease khác nhau.

Sản xuất chất tẩy rửa

Khó có thể tìm thấy loại chất tẩy rửa nào đang có trên thị trường mà không chứa thành phần protease, từ chất tẩy rửa gia đình như nước rửa chén, kem đánh răng, nước lau kính đến các chất tẩy rửa công nghiệp. Nói như vậy để thấy được enzyme protease là thành phần không thể thiếu trong loại sản phẩm này. Việc ứng dụng enzyme vào các chất tẩy rửa nhiều nhất là trong bột giặt, đơn giản bởi đối tượng xử lý của bột giặt thường là các vết bẩn do thức ăn, máu và các chất do cơ thể con người tiết ra.

Công nghiệp thuộc da

Chính từ cái tên của ngành công nghiệp này cũng đã cho thấy nó rất cần tới các protease. Trong quá khứ, khi mà tiềm năng của enzyme chưa được khai phá, quá trình chế biến da phụ thuộc hoàn toàn vào các hóa chất độc hại như natri sunfit, không chỉ một mà là tất cả các công đoạn ngâm ướt, tẩy lông, làm mềm da và thuộc da. Điều này làm ảnh hưởng rất nghiêm trọng đến các mặt của môi trường, không chỉ gây ô nhiễm nguồn nước, nguồn đất mà cả môi trường không khí. Việc sử dụng enzyme để thay thế là một bước đột phá mang lại nhiều lợi ích bền vững.

Về cơ bản thì da và lông đều có thành phần chính là protein nên việc protease phát huy khả năng của mình là điều có lẽ không cần phải nghiên cứu thêm. Ngoài ra các enzyme này còn giúp thủy phân một số thành phần phi collagen của da và loại bỏ các protein phi fibrin như albumin, globulin trong quá trình thuộc da rất có hiệu quả.

Một số ứng dụng khác

Do protease kiềm thu được từ Bacillus với lượng lớn, có đặc tính bền vững, hoạt động tốt với nhiệt độ và pH cao nên chúng được ứng dụng ở nhiều ngành công nghiệp khác nhau như: xử lý phim X-quang đã qua sử dụng để nhằm thu hồi bạc, làm dược phẩm, làm nước mắm cá, làm thức ăn gia súc, xử lý chất thải từ động vật giáp xác, xử lý rác thải trong các lò mổ gia cầm trên cơ sở dùng Bacillus spp, v.v…

Trong những năm gần đây, tổng giá trị thương mại của các enzyme công nghiệp ngày càng lớn, trong đó phần lớn là các enzyme thủy phân (75%), trong nhóm này enzyme protease là nhóm enzyme đóng góp nhiều nhất trong công nghiệp (chiếm 60%).

Ở nước ta, việc nghiên cứu sử dụng protease đang có nhiều bước tiến đáng kể. Cùng với sự tiếp thu thành tựu của ngành nghiên cứu enzyme trên toàn thế giới, hy vọng trong thời gian tới sẽ có nhiều phát kiến mới ra đời, giá thành chế phẩm enzyme giảm, như vậy người dùng sẽ dễ dàng tiếp cận các lợi ích tuyệt vời mà các enzyme protease mang lại.