Peroxidase là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học liên quan

Peroxidase là gì?

Tóm tắt sơ lược: Peroxidase là nhóm enzyme xúc tác phản ứng oxy hóa khử, sử dụng hydrogen peroxide (H₂O₂) làm chất nhận electron. Chúng có vai trò thiết yếu trong chuyển hóa sinh học, phản ứng phòng vệ của thực vật, khử độc tế bào và ứng dụng trong công nghiệp thực phẩm, sinh học phân tử, y học chẩn đoán.

Cấu trúc và đặc điểm phân tử

Peroxidase là enzyme có tính đa dạng cao về cấu trúc, bao gồm các loại có nhóm prosthetic heme (như HRP – horseradish peroxidase) và các loại không chứa heme (như thiol peroxidase). Nhóm heme, với nhân sắt nằm trong vòng porphyrin, là đặc điểm phân tử quan trọng giúp xúc tác quá trình oxy hóa khử. Các phân tử peroxidase thường có khối lượng phân tử trong khoảng 30–45 kDa và có cấu trúc bậc ba ổn định nhờ các cầu nối disulfide nội phân tử.

Heme peroxidase hoạt động bằng cách thay đổi trạng thái oxy hóa của ion sắt trung tâm từ Fe(III) sang Fe(IV)=O trong quá trình phản ứng, tạo điều kiện cho phản ứng truyền điện tử giữa cơ chất và H₂O₂. Vùng hoạt động được bao bọc bởi các acid amin có tính phân cực, giúp định hướng phân tử cơ chất và giữ ổn định cho trạng thái trung gian.

Các loại peroxidase có thể chứa thêm vùng glycosyl hóa (như trong HRP) giúp tăng độ bền nhiệt và chống lại sự phân hủy bởi protease. Dưới đây là bảng so sánh cấu trúc một số loại peroxidase phổ biến:

Loại enzyme	Chứa heme	Khối lượng phân tử (kDa)	Glycosyl hóa
Horseradish peroxidase (HRP)	Có	~44	Có
Myeloperoxidase (MPO)	Có	~150 (dimer)	Có
Thiol peroxidase	Không	~25	Không

Cơ chế phản ứng

Peroxidase hoạt động dựa trên phản ứng oxy hóa khử với hydrogen peroxide (H₂O₂) làm chất nhận electron và một chất cho electron (donor) như phenol, anilin, hoặc các phân tử hữu cơ khác. Phản ứng cơ bản của peroxidase được biểu diễn như sau:

$\mathrm{H_2O_2 + AH_2 \rightarrow 2H_2O + A}$

Trong đó, AH₂ là cơ chất cho electron và A là sản phẩm oxy hóa. Phản ứng diễn ra theo một chu trình ba bước gồm ba trạng thái của enzyme:

• Compund I: trạng thái Fe(IV)=O với gốc tự do trên vòng porphyrin, sau khi nhận H₂O₂
• Compund II: trạng thái Fe(IV)=O sau khi truyền một electron
• Trạng thái gốc: enzyme trở lại trạng thái ban đầu Fe(III)

Mỗi phân tử enzyme có thể trải qua hàng ngàn chu kỳ phản ứng mỗi giây tùy thuộc vào điều kiện pH, nhiệt độ và nồng độ cơ chất. Cơ chế này là nền tảng cho ứng dụng trong đo hoạt tính enzyme, phản ứng phát hiện sinh học và xử lý oxy hóa chọn lọc.

Phân loại peroxidase

Peroxidase được phân loại dựa trên nguồn gốc sinh học và đặc điểm cấu trúc thành ba nhóm chính theo hệ thống của Welinder:

• Class I: Bao gồm cytochrome c peroxidase (CCP), ascorbate peroxidase (APX); thường là enzyme nội bào, không glycosyl hóa, có ở ty thể hoặc vi sinh vật.
• Class II: Là peroxidase ngoại bào của nấm phân giải lignin, như lignin peroxidase (LiP), manganese peroxidase (MnP); liên quan đến phân hủy hợp chất phenolic trong tự nhiên.
• Class III: Là peroxidase thực vật như HRP, có vai trò trong phản ứng phòng vệ, lignin hóa và điều hòa tăng trưởng.

Một số enzyme không thuộc ba nhóm trên như thiol peroxidase, vanadium-dependent peroxidase (VPO) và haloperoxidase được phân loại riêng biệt dựa trên đặc điểm không chứa heme hoặc hoạt tính xúc tác đặc thù. Các enzyme này thường được tìm thấy trong vi sinh vật biển hoặc vi khuẩn kỵ khí.

Bảng tóm tắt các nhóm peroxidase chính:

Lớp	Nguồn gốc	Ví dụ	Vai trò chính
Class I	Vi khuẩn, nấm, thực vật	CCP, APX	Chống oxy hóa nội bào
Class II	Nấm hoại sinh	LiP, MnP	Phân hủy lignin
Class III	Thực vật	HRP	Phòng vệ, phát triển tế bào

Phân bố sinh học và vai trò sinh lý

Peroxidase hiện diện rộng rãi trong hầu hết các dạng sống, từ vi khuẩn, nấm, thực vật đến động vật có xương sống. Ở thực vật, peroxidase phân bố trong không bào, thành tế bào, và bào quan như ty thể hoặc lạp thể. Enzyme này giúp thực vật phân giải H₂O₂ sinh ra trong quá trình quang hợp, hô hấp hoặc khi bị stress sinh học như nhiễm vi khuẩn, sâu bệnh.

Chúng tham gia vào lignin hóa thành tế bào, làm cứng mô thực vật, điều hòa nảy mầm, và kiểm soát cân bằng hormone (auxin, jasmonate). Trong động vật, peroxidase chủ yếu có mặt trong bạch cầu hạt trung tính (neutrophil), giúp tạo các chất oxy hóa mạnh như hypochlorous acid (HOCl) để diệt khuẩn.

Vi sinh vật sử dụng peroxidase để thích nghi với môi trường giàu peroxit, như các loài sống trong đất hoặc sông suối giàu chất hữu cơ. Ở vi khuẩn kỵ khí, peroxidase giúp bảo vệ tế bào khỏi các gốc tự do sinh ra do oxy hóa ngoài ý muốn.

Ứng dụng trong công nghiệp và y học

Peroxidase, đặc biệt là horseradish peroxidase (HRP), có vai trò nổi bật trong nhiều ứng dụng công nghiệp và sinh học. Trong lĩnh vực công nghệ sinh học, HRP là enzyme được sử dụng phổ biến trong các xét nghiệm miễn dịch như ELISA, Western blot và các cảm biến sinh học do khả năng xúc tác tạo ra sản phẩm có màu, phát huỳnh quang hoặc phát xạ hóa học dễ phát hiện.

Cơ chế ứng dụng dựa vào phản ứng giữa HRP, hydrogen peroxide và cơ chất như TMB (3,3′,5,5′-Tetramethylbenzidine) hoặc ABTS. Phản ứng này tạo ra sản phẩm màu hoặc tín hiệu phát xạ, giúp phát hiện sự hiện diện của kháng nguyên hoặc kháng thể trong mẫu. Sự ổn định, độ nhạy cao và khả năng tái sử dụng khiến HRP trở thành lựa chọn hàng đầu cho các bộ kit chẩn đoán.

Trong công nghiệp thực phẩm, peroxidase được sử dụng để đánh giá mức độ xử lý nhiệt (blanching) của rau quả. Enzyme này là chỉ thị tự nhiên giúp xác định xem quá trình tiệt trùng đã đủ để phá hủy các enzyme gây hỏng thực phẩm hay chưa. Một số peroxidase thực vật cũng được dùng để xử lý oxy trong bao bì nhằm kéo dài hạn sử dụng thực phẩm nhạy cảm với oxy.

Bên cạnh đó, peroxidase được khai thác trong xử lý nước thải và ô nhiễm môi trường. Nhờ khả năng oxy hóa các hợp chất phenolic, thuốc nhuộm và chất gây độc hữu cơ, peroxidase trở thành chất xúc tác sinh học trong quá trình phân hủy sinh học có kiểm soát. Nguồn tham khảo ứng dụng công nghiệp: Sigma-Aldrich – HRP Product Page.

Peroxidase và stress oxy hóa

Stress oxy hóa là tình trạng mất cân bằng giữa sản xuất gốc tự do và khả năng chống oxy hóa của tế bào. Trong cơ chế phòng vệ, peroxidase đóng vai trò trung tâm trong việc loại bỏ hydrogen peroxide (H₂O₂), một trong những phân tử oxy phản ứng (ROS) phổ biến nhất. Nếu không kiểm soát, H₂O₂ có thể gây tổn thương cho protein, DNA, lipid màng và các phân tử sinh học khác.

Peroxidase hoạt động phối hợp với catalase và superoxide dismutase (SOD) trong hệ thống enzyme bảo vệ tế bào. Trong đó, SOD chuyển superoxide thành H₂O₂, và peroxidase tiếp tục chuyển hóa H₂O₂ thành nước, giảm độc tính của ROS. Chuỗi phản ứng này đặc biệt quan trọng trong các mô có tốc độ chuyển hóa cao như gan, não, và hệ miễn dịch.

Thiếu hụt hoạt tính peroxidase hoặc rối loạn điều hòa enzyme có thể dẫn đến tích tụ peroxit và tổn thương mô mạn tính. Nhiều bệnh lý nghiêm trọng có liên quan đến stress oxy hóa kéo dài, bao gồm ung thư, tiểu đường, Alzheimer, Parkinson và xơ vữa động mạch. Các nghiên cứu gần đây đã tập trung vào việc tăng cường hoạt tính peroxidase thông qua liệu pháp enzyme hoặc điều chỉnh gene biểu hiện.

Biến đổi gen và công nghệ enzyme tái tổ hợp

Sự phát triển của công nghệ sinh học đã cho phép sản xuất peroxidase tái tổ hợp với năng suất cao và độ tinh khiết vượt trội. Các hệ thống biểu hiện như vi khuẩn E. coli, nấm men Pichia pastoris, và tế bào động vật được sử dụng để tổng hợp HRP và các loại peroxidase khác với khả năng kiểm soát chặt chẽ hoạt tính, cấu trúc và khả năng glycosyl hóa.

Các kỹ thuật biến đổi gen như đột biến định hướng (site-directed mutagenesis), tái tổ hợp domain chức năng và tiến hóa chỉ đạo (directed evolution) cho phép cải thiện độ ổn định nhiệt, khả năng chịu dung môi hữu cơ hoặc thay đổi độ đặc hiệu cơ chất. Điều này mở rộng phạm vi ứng dụng của peroxidase vào các hệ thống vi dòng (microfluidic), sensor nano và tổng hợp hóa học xanh.

Ví dụ, một số HRP đột biến đã được tạo ra để có thể hoạt động ổn định ở pH thấp hoặc trong dung môi hữu cơ như acetonitrile, rất hữu ích trong phân tích mẫu môi trường hoặc dược phẩm. Việc tái thiết kế peroxidase cũng giúp loại bỏ các vị trí glycosyl hóa không mong muốn, tăng cường tính đồng nhất trong sản xuất công nghiệp.

Phương pháp đo hoạt tính peroxidase

Hoạt tính peroxidase được xác định thông qua phản ứng chuyển cơ chất thành sản phẩm có khả năng đo bằng quang phổ. Các cơ chất thường được dùng gồm guaiacol, ABTS, TMB, OPD,... Khi phản ứng xảy ra, cơ chất bị oxy hóa tạo thành hợp chất có màu đặc trưng, được theo dõi bằng phổ UV-Vis ở bước sóng xác định.

Ví dụ, phản ứng giữa HRP, H₂O₂ và ABTS tạo ra ABTS^•+ có màu xanh lam, hấp thụ mạnh tại bước sóng 414 nm:

$\text{HRP} + \text{H}_2\text{O}_2 + \text{ABTS} \rightarrow \text{ABTS}^{\cdot+} + 2\text{H}_2\text{O}$

Quá trình đo hoạt tính thường diễn ra trong dung dịch đệm phosphat, pH khoảng 5–7, ở nhiệt độ phòng. Tốc độ tăng mật độ quang (ΔA/min) phản ánh tốc độ phản ứng, từ đó tính toán được đơn vị hoạt tính enzyme (U). Một đơn vị hoạt tính được định nghĩa là lượng enzyme cần thiết để oxy hóa 1 µmol cơ chất/phút trong điều kiện tiêu chuẩn.

Tiềm năng ứng dụng tương lai

Peroxidase đang mở ra tiềm năng trong nhiều lĩnh vực mới như thiết kế cảm biến sinh học (biosensor), xúc tác nano, y học tái tạo và tổng hợp hóa học xanh. Nhờ khả năng kiểm soát phản ứng oxy hóa một cách chọn lọc, peroxidase có thể được sử dụng để xúc tác trong các phản ứng hữu cơ thân thiện môi trường mà không cần kim loại nặng.

Các hệ thống cảm biến gắn enzyme peroxidase lên bề mặt vật liệu nano (như vàng, graphene, carbon dot) có thể phát hiện các dấu ấn sinh học ở nồng độ thấp, dùng cho chẩn đoán sớm ung thư hoặc nhiễm khuẩn. Kết hợp với công nghệ học máy (machine learning), các đặc điểm hoạt tính của enzyme có thể được tối ưu hóa tự động, giúp tăng hiệu suất thiết kế enzyme thế hệ mới.

Trong kỹ thuật y sinh, peroxidase còn được khai thác để tạo cấu trúc hydrogel nhờ phản ứng polymer hóa khởi phát bằng H₂O₂, ứng dụng trong dẫn thuốc hoặc tái tạo mô mềm. Những hướng phát triển này đang mở rộng vai trò của peroxidase từ enzyme tự nhiên thành nền tảng công nghệ trong y học và vật liệu mới.

Tài liệu tham khảo

1. Veitch, N. C. (2004). Horseradish peroxidase: a modern view of a classic enzyme. Phytochemistry, 65(3), 249–259.
2. Passardi, F. et al. (2005). Peroxidases: more than a hundred enzymes? Trends in Plant Science, 10(12), 522–529.
3. Wang, Y., et al. (2018). Engineering peroxidases for biocatalysis. ACS Catalysis, 8(6), 4069–4080.
4. Halliwell, B., & Gutteridge, J. M. (2015). Free radicals in biology and medicine. Oxford University Press.
5. Sigma-Aldrich. Horseradish Peroxidase Product Page. sigmaaldrich.com.