Bài giảng Hóa sinh tổng hợp

173 trang phuongnguyen 50

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Hóa sinh tổng hợp", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

bai_giang_hoa_sinh_tong_hop.pdf

Nội dung text: Bài giảng Hóa sinh tổng hợp

  Bài giảng Hĩa sinh tổng hợp
17 Chương 1 Saccharide Là hợp chất hữu cơ được tạo nên từ các nguyên tố: C, H, O cĩ cơng thức cấu tạo chung Cm(H2O)n, thường m = n. Do cĩ cơng thức cấu tạo như trên nên saccharide thường được gọi là carbohydrate - cĩ nghĩa là carbon ngậm nước. Tuy nhiên cĩ những saccharide cĩ cơng thức cấu tạo khơng ứng với cơng thức chung nĩi trên ví dụ: deoxyribose (C5H10O4). Cĩ những chất khơng phải là saccharide nhưng cĩ cơng thức cấu tạo phù hợp với cơng thức chung ở trên ví dụ : acetic acid (CH3COOH). Saccharide là thành phần quan trọng trong mọi sinh vật . Ở thực vật, saccharide chiếm từ 80 - 90% trọng lượng khơ, saccharide tham gia vào thành phân các mơ nâng đỡ, ví dụ cellulose, hay tích trữ dưới dạng thực phẩm dự trữ với lượng lớn, ví dụ tinh bột. Ở động vật, hàm lượng saccharide thấp hơn nhiều, thường khơng quá 2%, ví dụ glycogen. 1.1. Monosaccharide 1.1.1. Cấu tạo và danh pháp Là chất cĩ chứa nhiều nhĩm rượu và một nhĩm khử oxy (nhĩm khử là nhĩm carbonyl là aldehyde hay ketone). - Nhĩm khử là aldehyde ta cĩ đường aldose và cĩ cơng thức tổng quát: CHO (CHOH)n CH2OH - Nhĩm khử là ketone ta cĩ đường ketose cĩ cơng thức tổng quát: CH2OH C= O (CHOH)n CH2OH
18 CHO - CH2OH được xem như là “monosaccharide”đơn giản nhất. Trong thiên nhiên monosaccharide cĩ chứa từ 2 đến 7 carbon và được gọi tên theo số carbon (theo tiếng Hy Lạp) + ose Ví dụ: monosaccharide cĩ 3C gọi là triose. Tương tự ta cĩ tetrose, pentose, hexose, heptose. 1.1.2. Đồng phân quang học Quy ước Fischer: Fischer là người đầu tiên nêu ra nguyên tắc biểu diễn các monosaccharide bằng cơng thức hình chiếu của chúng. Theo đĩ: hình chiếu của các nguyên tử carbon bất đối (C*) và các nguyên tử C khác nằm trên một đường thẳng, nguyên tử C cĩ số thứ tự nhỏ nhất cĩ hình chiếu nằm trên cùng. Cịn các nhĩm thế cĩ hình chiếu ở bên phải hay bên trái. Ví dụ : glyceraldehyde. Vì glyceraldehyde cĩ 1 C* nên theo quy tắc của Van’t Hoff cĩ 2 đồng phân (N = 2n) 1CHO 1CHO HO- 2C* -H H-2C*-OH D: -OH ở bên phải L: -OH ở bên trái 3CH2OH 3CH2OH L glyceraldehyde D glyceraldehyde. Khi phân tử monosaccharide cĩ nhiều C* thì cơng thức cĩ dạng D hay L được căn cứ vào vị trí nhĩm OH của C* xa nhĩm carbonyl nhất. Ví dụ : CHO CHO H-C-OH H-C-OH HO-C-H HO-C-H H-C-OH H-C-OH H-C-OH HO-C-H CH2OH CH2OH D glucose L glucose
19 Chú ý: monosaccharide từ triose trở lên đều cĩ C* trừ dihydoxy aceton CH2OH C = O CH2OH 1.1.3. Cơng thức vịng của monosaccharide Cơng thức thẳng theo Fischer như trình bày ở trên khơng phù hợp với một số tính chất hố học của chúng như: một số phản ứng hố học thường xảy ra với aldehyde khơng xảy ra đối với monosaccharide . Vì vậy cĩ thể nghĩ rằng nhĩm -CHO trong monosaccharide cịn tồn tại dưới dạng cấu tạo riêng biệt nào đĩ. Mặt khác: monosaccharide cĩ thể tạo ether với methanol tạo thành một hỗn hợp 2 đồng phân cĩ cùng nhĩm methoxy (- OCH3). Điều đĩ chứng tỏ trong monosaccharide cịn tồn tại một nhĩm -OH đặc biệt. Qua nghiên cứu Kolle cho thấy: số đồng phân thu được của monosaccharide thực tế nhiều hơn số đồng phân tính theo cơng thức N=2n, do đĩ để giải thích các hiện tượng trên, Kolle cho rằng ngịai dạng thẳng monosaccharide cịn tồn tại ở dạng vịng. Sự tạo thành dạng vịng xảy ra do tác dụng của nhĩm -OH cùng phân tử monosaccharide tạo thành dạng hemiacetal hay hemiketal.
20 Ví dụ : cấu tạo vịng của glucose xảy ra như sau: Do sự tạo thành hemiacetal vịng mà C1 trở nên C*, nhĩm -OH mới được tạo ra ở C1 là -OH glucoside. Tương tự với ketose thì C2 trở nên C*, nhĩm -OH mới được tạo ra ở C2 là -OH glucoside khi tạo thành hemiketal. Cách biểu diễn cơng thức vịng như trên dựa vào nguyên tắc của Haworth: C và cầu nối với oxy nằm trên một măt phẳng , các nhĩm thế ở cơng thức thẳng nằm ở bên phải thì ở cơng thức vịng nằm dưới măt phẳng và ngược lại. Riêng các nhĩm thế của C cĩ nhĩm OH dùng để tạo cầu nối oxy thì theo quy tắc ngược lại. 1.1.4. Hiện tượng hổ biến của monosaccharide Như ta thấy, khơng thể giải thích được tất cả các tính chất của monosaccharide nếu ta chỉ thừa nhận một dạng cấu tạo nào đĩ của monosaccharide. Nên người ta cho rằng các dạng cấu tạo đĩ cĩ thể đã chuyển hố lẫn nhau. β pyranose α pyranose Dạng thẳng β Furanose α Furanose
21 1.1.5. Tính chất của monosaccharide 1.1.5.1. Lý tính Các monosaccharide tan trong nước, khơng tan trong dung mơi hữu cơ, cĩ tính quay cực trừ biose vì khơng cĩ C*. 1.1.5.2. Hố tính a. Monose là tác nhân khử Trong mơi trường kiềm, khử các ion kim loại nặng cĩ hố trị cao thành ion cĩ hĩa trị thấp hay các ion kim loại thành kim loại. Tính khử này do nhĩm aldehyde hay nhĩm ketone tạo ra và các monose biến thành acid. Ví dụ: Cu2+ bị biến đổi thành Cu+ trong phản ứng với thuốc thử Fehling, Ag+ bị biến đổi thành Ag trong phản ứng tráng gương. b. Phản ứng với các chất oxy hố Tuỳ thuộc vào chất oxy hố: - Chất oxy hố nhẹ như nước brom đường aldose sẽ thành aldonic acid, với ketose phản ứng khơng xảy ra. - Chất oxy hố mạnh như HNO3 đậm đặc cĩ sự oxy hố xảy ra ở 2 đầu cho ta di acid. - Trường hợp đặc biệt nếu ta bảo vệ nhĩm -OH glucoside bằng cách methyl hĩa hay acetyl hố trước khi oxy hố bằng nước brom, sản phẩm tạo thành là uronic acid. c. Phản ứng với chất khử Dù dạng vịng chiếm tỷ lệ rất lớn trong thành phần, dạng thẳng chiếm tỷ lệ nhỏ nhưng đủ để cho ta thấy rõ tính chất của một carbonyl thật sự. Khi bị khử: monose sẽ biến thành polyalcohol. d. Phản ứng tạo furfural Dưới tác dụng của acid đậm đặc, các aldopentose tạo thành furfural và aldohexose biến thành hydroxymethylfurfural. Các sản phẩm này khi cho tác dụng với các phenol cho màu đặc trưng như: α naphthol cho vịng màu tím (Molisch). Đây là phản ứng để phân biệt đường với các chất khác. Nếu đường 5C sẽ cho màu xanh cẩm thạch với orcinol (Bial). e. Phản ứng ester hố Các gốc rượu của monose cĩ khả năng kết hợp với acid để tạo thành ester. Các ester phosphate thường gặp là: Glucose-6-phosphate, fructose- 6-phosphate
22 1.1.6. Các monose quan trọng 1.1.6.1. Pentose 1.1.6.2. Hexose Các hexose quan trọng như: * Glucose: cịn gọi là dextrose vì làm quay mặt phẳng ánh sáng phân cực về phía phải. Phổ biến rộng rãi trong thực vật nhất là trong quả nho, nên cịn gọi là đường nho, trong máu người cĩ 0.8 - 1,1 g/l, những người bị bệnh đái đường cĩ thể đến 2g/l. Các disaccharide quan trọng là saccharose, lactose, maltose và các polysaccharide quan trọng là tinh bột, glycogen. Người ta sử dụng glucose trong y học như chất tăng lực. * D - Mannose: ít gặp ở trạng thái tự do, thường gặp trong polysaccharride và glucoside * D - Galactose: là thành phần của lactose cĩ trong sữa cịn gọi là đường não tuỷ. Chúng là thành phần cấu tạo của raffinose, hemicellulose. pectine * D - Fructose cịn gọi là levulose vì làm quay mặt phẳng ánh sáng phân cực về phía trái. Fructose cịn gọi là đường quả, cĩ ở trạng thái tự do trong trái cây chín và mật ong. Chúng là thành phần của disaccharide saccharose. Trong cơ thể ta cịn thấy ở dạng ester với phosphoric acid đĩng vai trị quan trọng trong trao đổi chất. Fructose cĩ độ ngọt rất lớn, dạng α cĩ độ ngọt bằng 1/3 dạng β.
24 1.2. Oligosaccharide 1.2.1. Disaccharide Sự tạo thành disaccharide là do sự kết hợp của 2 monose cùng loại hay khác loại nhờ liên kết glucosidic. Liên kết glucosidic cĩ thể được tạo thành giữa -OH glucoside của monose này với -OH glucoside của monose kia, hay giữa một nhĩm -OH glucoside của monose này với -OH ( khơng phải -OH glucoside) của monose kia. Disaccharide chỉ cĩ tính khử khi ít nhất một trong 2 nhĩm -OH glucoside ở trạng thái tự do. Nghĩa là disaccharide sẽ khơng cĩ tính khử khi 2 nhĩm -OH glucoside liên kết với nhau. Các disaccharide quan trọng * Maltose do 2 phân tử α- D-glucose liên kết với nhau ở vị trí C1 - C4 tạo thành. Cơng thức cấu tạo: Maltose cĩ nhĩm -OH glucoside ở trạng thái tự do nên cĩ tính khử. Maltose cĩ nhiều trong mầm lúa và mạch nha (maltum) nên gọi nĩ là maltose. * Lactose (đường sữa) do một phần tử β D-galactose liên kết với một phân tử β D- glucose ở vị trí C1- C4. * Saccharose do một phần tử α D-glucose liên kết với một phân tử β D-fructose ở vị trí C1-C2. Do đĩ nĩ khơng cĩ tính khử, cịn gọi là đường mía vì cĩ nhiều trong mía. Dễ bị thủy phân khi đun nĩng.
25 1.2.2. Trisaccharide Là oligosaccharide cĩ chứa 3 monosaccharide, phổ biến trong thiên nhiên là raffinose. Cơng thức cấu tạo như sau: α-D-galactopyranosyl 1-2 α-D glucopyranosyl 1-2 β-D fructofuranose. Do cĩ cơng thức như trên nên khơng cĩ tính khử oxy. Dễ bị thủy phân, dưới tác dụng của β fructofuranosidase sẽ tạo thành fructose và melobiose với α galactosidase sẽ tạo thành galactose và saccharose. 1.3. Polysaccharide Cịn gọi là glycan, tùy thành phần monose cĩ trong polysaccharide người ta chia chúng ra làm: homopolysaccharide (chỉ chứa một lọai monosaccharide) và heteropolysaccharide (cĩ ít nhất 2 lọai monosaccharide).
26 Polysaccharide đĩng vai trị quan trọng trong đời sống động vật, thực vật. Một số polysaccharide thường gặp như tinh bột, glycogen, cellulose 1.3.1. Polysaccharide thực vật 1.3.1.1. Tinh bột Là polysaccharide dự trữ của thực vật, do quang hợp tạo thành. Trong củ và hạt cĩ từ 40 đến 70% tinh bột, các thành phần khác của cây xanh cĩ it hơn và chiếm khoảng từ 4 đến 20%. Tinh bột khơng hịa tan trong nước, đun nĩng thì hạt tinh bột phồng lên rất nhanh tạo thành dung dịch keo gọi là hồ tinh bột. Tinh bột cĩ cấu tạo gồm hai phần: amylose và amylopectin, ngồi ra cịn cĩ khoảng 2% phospho dưới dạng ester. Tỷ lệ amylopectin/amylose ở các đối tượng khác nhau là khơng giống nhau, tỷ lệ này ở gạo nếp là lớn hơn gạo tẻ. *Amylose Chiếm 15 đến 25% lượng tinh bột, do nhiều gốc α D- glucose liên kết với nhau thơng qua C1-C4 tạo thành mạch thẳng khơng phân nhánh. Trong khơng gian nĩ cuộn lại thành hình xoắn ốc và được giữ bền vững nhờ các liên kết hydro. Theo một số tài liệu trong amylose cịn cĩ chứa các α D- glucopyranose dạng thuyền. Amylose bắt màu xanh với iodine, màu này mất đi khi đun nĩng, hiện màu trở lại khi nguội. Một đặc trưng hĩa lý khác cần chú ý là nĩ bị kết tủa bởi rượu butylic.
27 Hạt tinh bột trong lục lạp amylose * Amylopectin Cấu tạo do các phân tử α D- glucose liên kết với nhau, nhưng cĩ phân nhánh. Chổ phân nhánh là liên kết C1-C6 glucosidic.
28 1.3.1.2. Cellulose Được cấu tạo bởi những phân tử β D-glucose liên kết với nhau bằng liên kết 1-4 glucosidic. Chúng là thành phần chủ yếu của vách tế bào thực vật. Đối với người thì cellulose khơng cĩ giá trị dinh dưỡng vì cellulose khơng bị thủy phân trong ống tiêu hĩa. Một số nghiên cứu cho thấy nĩ cĩ vai trị trong điều hịa tiêu hố. Động vật ăn cỏ thủy phân được cellulose nhờ enzyme cellulase. Cellulose khơng tan trong nước, tan trong dung dịch Schweitzer. Khi đun nĩng với H2SO4, cellulose sẽ bị thủy phân thành các phân tử β D-glucose. Cellulose cĩ dạng hình sợi dài, nhiều sợi kết hợp song song với nhau thành chùm nhờ các liên kết hydro, mỗi chùm (micelle) chứa khỏang 60 phân tử cellulose. Giữa các chùm cĩ những khoảng trống, khi hố gỗ khoảng trống này chứa đầy lignin và ta xem lớp lignin này như là một lớp cement. Lignin là chất trùng hợp của coniferylic alcohol Các gốc -OH của cellulose cĩ thể tạo ester với acid ví dụ: tạo nitro cellulose với HNO3 , tạo acetyl cellulose với CH3COOH.
29 1.3.1.3. Hemicellulose Tên gọi chung cho lớp polysaccharide thường đi theo với cellulose trong thực vật. Hemicellulose khơng tan trong nước, tan trong dung dịch kiềm và thủy phân bằng acid dễ hơn cellulose. Khi bị thủy phân hemicellulose tạo thành một hổn hợp gồm các hexose và pentose hay chỉ một mình hexose mà thơi. Trong hemicellulose khi monose nào chiếm đa số thì hemicellulose cĩ tên tương ứng với monose đĩ: Xylose chiếm đa số thì hemicellulose cĩ tên là Xylan, Arabinose chiếm đa số thì hemicellulose cĩ tên là Araban, Galactose chiếm đa số thì hemicellulose cĩ tên là Galactan Xylan cĩ nhiều trong rơm rạ, trong một số cơ quan của thực vật, galactose cĩ nhiều trong rơm, gổ và các loại hạt. 1.3.1.4. Inulin Là polysacchride dự trữ của thực vật cĩ trọng lượng phân tử khoảng 5000-6000, do những phân tử β D- fructose liên kết với nhau bằng liên kết 1-2 và tận cùng bằng một phân tử saccharose. Inulin được tìm thấy trong củ thược dược khoảng 40%. Người ta xử dụng inulin để sản xuất fructose. Để xác định inulin người ta thủy phân nĩ và xác định bằng phản ứng định tính Seliwanoff. 1.3.1.5. Pectin Là loại polysaccharide cĩ nhiều trong quả , củ và thân cây, thành phần chính là galacturonic acid cĩ nhĩm -COOH bị methyl hĩa. Người ta sử dụng rộng rãi pectin trong sản xuất keo. 1.3.2. Polysaccharide động vật 1.3.2.1. Glycogen Là polysaccharide dự trử ở động vật được tìm thấy trong gan và cơ, hiện nay cịn tìm thấy trong một số thực vật như ngơ, nấm. Cĩ cấu tạo giống amylopectin nhưng phân nhánh nhiều hơn, bị thuỷ phân bởi phosphorylase ( cĩ coenzyme là pyrydoxal phosphate), để cắt liên kết 1-6 cần enzyme debranching. Sản phẩm cuối cùng là các phân tử glucose-1-P.
30 Phía ngồi glucose liên kết 1-6 Mạch chính hạt glycogen ở tế bào gan 1.3.2.2. Hyaluronic acid Cĩ cơng thức cấu tạo được lập lại từ đơn vị sau: Hyaluronic acid cĩ trọng lượng phân tử rất lớn, cĩ thể lên đến nhiều triệu, hyaluronic acid rất phổ biến và là thành phần quan trọng của mơ liên kết, được tìm thấy trong dịch khớp xương, trong thủy tinh thể mắt, nĩ tác dụng như một lớp cement bảo vệ bên trong tế bào để chống lại sự xâm nhập của vi khuẩn cũng như các chất lạ khác. Ở khớp xương nĩ làm
31 cho dịch cĩ tính trơn giúp cử động khỏi bị đau. Hyaluronic acid bị thủy phân bởi hyaluronidase, enzyme này được tìm thấy trong vi khuẩn gây bệnh, trong tinh trùng. Hyaluronidase tạo dễ dàng cho tinh trùng đi vào nỗn của buồn trứng, mặt khác nĩ cũng là yếu tố giúp cho các chất khác và vi khuẩn gây bệnh đi vào các mơ trong cơ thể. 1.3.2.3. Chondroitin Là heteropolysaccharide, thành phần khơng thể thiếu được ở mơ xương sụn. 1.3.2.4. Heparin Heteropolysaccharide cĩ tác dụng chống lại sự đơng máu và ngăn chặn sự biến đổi prothrombin thành thrombin. GlcA2S hoặc IdoA2S 1.3.3. Một số polysaccharide phổ biến khác 1.3.3.1. Chitin Là homopolysaccharide, cĩ ở võ sị, ốc, các loại cơn trùng và ở nấm mốc. Nĩ cĩ cấu tạo như sau:
32 1.3.3.2. Dextran Được tìm thấy ở vi khuẩn và nấm men, cấu tạo mạch chính là α D- glucose1-6, nhánh là α 1-3 và thỉnh thoảng cĩ nhánh α1-2 hay α1-4. Do cĩ cấu tạo 1-6 nên đối với động vật, dextran khơng bị phân giãi hay bị phân giãi rất chậm.
33 Dextran cĩ độ dài và hình dạng giống albumin, người ta thường dùng nhiệt để thủy phân khơng hồn tồn dextran nhằm thay thế protein của huyết tương , dung dịch 10% của nĩ hồn tồn trong suốt. Trong cơng nghệ người ta tổng hợp dextran và được gọi là sephadex để sử dụng trong tách từng phần protein. TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu tiếng Việt 1. Phạm Thị Trân Châu, Trần thi Áng. 1999. Hố sinh học, NXB Giáo dục, Hà Nội. 2. Đỗ Quý Hai. 2004. Giáo trình Hĩa sinh đại cương, Tài liệu lưu hành nội bộ Trường ĐHKH Huế. 3. Trần Thanh Phong.2004. Giáo trình Hĩa sinh đại cương, Tài liệu lưu hành nội bộ Trường ĐHKH Huế. 4. Lê Ngọc Tú (chủ biên), Lê Văn Chứ, Đặng Thị Thu, Phạm Quốc Thăng Nguyễn Thị Thịnh, Bùi Đức Hợi, Lưu Duẫn, Lê Dỗn Diên, 2000. Hĩa sinh Cơng nghiệp, Nxb KH&KT, Hà Nội. Tài liệu tiếng Anh 1. Gilbert H. F. 1992. Basic concepts in biochemistry, Copyright by the Mcgraw- Hill companies, Inc. 2. Lehninger A. L. 2004. Principles of Biochemistry, 4th Edition. W.H Freeman.
34 Chương 2 Lipid Cũng như saccharide, protein, lipid là chất hữu cơ phức tạp, ta cĩ thể định nghĩa như sau: * Định nghĩa rộng: Lipid là chất tan được trong dung mơi hữu cơ, khơng tan trong nước, định nghĩa này khơng phản ánh hết tính chất của các lipid vì: - Cĩ lipid khơng tan được trong dung mơi hữu cơ như phospholipid khơng tan trong aceton. - Nhưng cũng cĩ chất khơng phải lipid nhưng tan được trong dung mơi hữu cơ. * Định nghĩa hẹp: Lipid là ester của rượu và acid béo. Tuy nhiên cĩ những lipid do acid béo liên kết với rượu bằng liên kết peptide. * Định nghĩa dung hồ: Lipid là những chất chuyển hố của acid béo và tan được trong dung mơi hữu cơ. Lipid rất phổ biến ở động vật cũng như ở thực vật và tồn tại dưới 2 dạng mỡ nguyên sinh chất (dạng liên kết) và dạng dự trữ (dạng tự do). - Mỡ nguyên sinh chất: thành phần của màng tế bào cũng như các bào quan khác ví dụ: ty thể, lạp thể dạng này khơng bị biến đổi ngay cả khi con người bị bệnh béo phì hoặc bị đĩi. - Dạng dự trữ (dạng tự do) cĩ tác dụng cung cấp năng lượng cho cơ thể, bảo vệ các nội quan, là dung mơi cần thiết cho một số chất khác. Căn cứ vào thành phần nguyên tố cĩ mặt, người ta chia lipid ra làm 2 loại * Lipid đơn giản: trong phân tử chỉ chứa C, H, O. * Lipid phức tạp: ngồi C, H, O cịn cĩ một số nguyên tố khác như N, P, S. 2.1. Lipid đơn giản 2.1.1. Glycerid Glycerid là ester của rượu glycerol và acid béo, là mỡ dự trữ phổ biến ở động vật và thực vật.
35 1- Stearoyl, 2- linoleoyl, 3-palmitoyl glycerol, một triacylglycerol hỗn tạp 2.1.1.1. Glycerol Là triol khơng màu, vị ngọt nhờn. Khi đốt glycerol hay lipid cĩ chứa glycerol với chất hút nước sẽ tạo acrolein cĩ mùi khét. 2.1.1.2. Acid béo Acid béo thường gặp là những acid béo cĩ số carbon chẵn, mạch thẳng, cĩ thể no hay khơng no và chuỗi C xếp theo hình chữ chi. Tuy nhiên cũng cĩ những acid béo ngồi nhĩm chức acid cịn chứa những nhĩm chức khác như rượu, ketone, mạch carbon cĩ vịng hay nhánh. a. Acid béo chẵn, thẳng, no: CH3(CH2)nCOOH C4 CH3 -(CH2)2 – COOH butylic acid cĩ nhiều trong cơ. C6 CH3 -(CH2)4 -COOH caproic acid cĩ trong bơ, sữa dê. C8 CH3 - (CH2)6-COOH caprylic acid cĩ trong bơ, sữa dê. C10 CH3-(CH2)8 –COOH capric acid cĩ trong bơ, sữa dê.
36 C12 n=10 lauric acid cĩ trong dầu dừa. C14 n=12 myristic acid cĩ trong dầu dừa. C16 n=14 palmitic acid cĩ trong dầu động vật,thực vật. C18 n=16 stearic acid cĩ trong dầu động vật,thực vật. C20 n=18 arachidic acid cĩ trong dầu lạc. b. Acid béo chẵn, thẳng, khơng no - Chứa một nối đơi (C’): 10 9 ’ C 16 (Δ9-10): CH3-(CH2)5 -CH = CH- (CH2)7–COOH Palmitoleic acid : Tìm thấy trong dầu thực vật. ’ C 18 (Δ9-10): CH3-(CH2)7 -CH = CH- (CH2)7 –COOH Oleic acid: acid này cĩ ba đồng phân. ’ C 18 (Δ6-7): Petroselenic acid ’ C 18 (Δ11-12): Vaccenic acid. ’ C 18 (Δ12-13): Heparic acid - Acid béo cĩ 2 nối đơi (C’’): ’’ C 18 (Δ9-10,12-13): Linoleic acid CH3-(CH2)4 -CH = CH- CH2-CH=CH-(CH2)7-COOH Cơ thể khơng tổng hợp được acid này mà lấy từ ngồi vào. Ngày xưa người ta quan niệm acid này là vitamin và gọi là vitamin S. Nhưng thực chất đĩ là một acid béo mà cơ thể cần với một lượng lớn. - Acid béo cĩ chứa 3 nối đơi (C’’’): C18’’’((9-10,12-13,15-16): Linolenic acid, cơ thể khơng tổng hợp được acid này. - Acid béo cĩ 4 nối đơi (C’’’’): ’’’’ C20 (Δ5-6,8-9,11-12,14-15): Arachidonic acid. Ngồi ra cịn cĩ các acid béo cĩ chứa nối ba nhưng khơng quan trọng. c. Acid béo cĩ chứa chức rượu Thường gặp trong lipid phức tạp và chứa nhĩm rượu gần chức acid nên cĩ tên là α- hydroxy α R-CH-COOH OH
37 Ví dụ: α - hydroxy lynoceric acid CH3 -(CH2 )21- CH-COOH OH Ricinoleic acid CH3-(CH2)5 - CH - CH2 - CH = CH- (CH2)7 - COOH 10 9 OH d. Gốc R trong phân tử acid cĩ nhánh và cĩ số C lẻ Phocenic acid: CH3 CH – CH2 – COOH CH3 Undecylonic acid : CH2 = CH - (CH2)8 - COOH e. Acid béo cĩ vịng * Chaulmoogric acid: - (CH2)12 - COOH * Sferculic acid: C H3 - CH2 - C = C - (CH2)7 - COOH CH2 2.1.1.3. Tính chất của acid béo và triglyceride * Tính chất vật lý: a. Điểm tan chảy Điểm tan chảy phụ thuộc vào số C của acid béo, acid béo cĩ chuỗi C dài thì điểm tan chảy cao và ngược lại. Nhưng acid béo cĩ C lẻ cĩ điểm tan chảy thấp hơn acid béo cĩ số C nhỏ hơn nĩ 1 đơn vị . Ngồi ra độ tan chảy cịn phụ thuộc vào số nối đơi trong phân tử acid béo, acid béo chứa nhiều nối đơi thì điểm tan chảy càng thấp. b. Độ sơi Acid béo cĩ chuỗi C dài thì độ sơi càng cao, thường áp dụng tính chất này để tách các acid béo ra khỏi nhau. c. Tính hồ tan - Trong nước: acid béo cĩ chuỗi C ngắn (4,6,8) dễ tan, C10 khĩ tan, C12 khơng tan. Nếu acid béo ở dạng muối thì dễ hịa tan hơn. - Trong dung mơi hữu khơng phân cực như benzen, ether, ether dầu hoả acid béo dễ tan.
38 - Trong dung mơi hữu cơ phân cực như aceton, acid béo khĩ hồ tan hay hồ tan rất ít. * Tính chất hố học: a. Sự hydrogen hố Acid béo chưa no cĩ thể kết hợp với H2 để tạo thành acid béo no R - (CH2)n - CH =CH- (CH2)n - COOH + H2 R - (CH2)n -CH2 - CH2 - (CH2)n - COOH Người ta dùng phản ứng này để chế tạo thực phẩm như margarin. b. Sự halogen hố Acid béo khơng no kết hợp với các nguyên tố thuộc họ halogen (F, Cl, Br, I) để tạo thành acid béo no. R - (CH2)n - CH = CH- (CH2)n - COOH + I 2 R - (CH2 )n - CH - CH- (CH2)n - COOH I I Cĩ thể dùng phản ứng này để xác định số nối đơi trong phân tử acid béo. Phản ứng dễ dàng hay khĩ xẩy ra tuỳ thuộc vào vị trí nối đơi đối với nhĩm carboxyl, nối đơi càng gần nhĩm carboxyl phản ứng càng khĩ xảy ra. Để xác định số nối đơi người ta căn cứ vào chỉ số Iod. Chỉ số Iod: Là số gam Iod cần thiết để tác dụng lên 100gam chất béo. Do đĩ chỉ số iod càng lớn thì số nối đơi càng nhiều. c. Sự thuỷ phân: Ester nên khi thuỷ phân sẽ tạo thành rượu glycerol và acid béo. Tác nhân thủy phân là acid, kiềm, nước hay enzyme. * Thủy phân bằng nước cần nhiệt độ và áp suất cao. * Thủy phân bằng kiềm: NaOH hay KOH Chỉ số xà phịng hố: số mg KOH cần thiết để trung hồ 1g chất béo Do đĩ chỉ số xà phịng càng lớn thì độ dài mạch càng ngắn, nên được dùng để xác định độ dài của mạch C. Để xác định tính chất của chất béo người ta cịn căn cứ vào một số chỉ số khác như chỉ số acid. Chỉ số acid: số mg KOH dùng để trung hồ tất cả acid béo tự do cĩ trong 1g chất béo.
39 * Thuỷ phân bằng enzyme: trong cơ thể lipid bị thuỷ phân bằng enzyme lipase. - Lipase dịch tràng tác dụng vào vị trí β. - Lipase tụy tạng tác dụng vào vị trí α và α’. d. Sự ơi hĩa: Dầu mỡ để lâu cĩ mùi và vị khĩ chịu gọi là sự ơi hĩa, một trong những nguyên nhân gây ra là do oxy khơng khí kết hợp vào nối đơi tạo thành peroxide. Nếu oxy kết hợp vào nguyên tử carbon đứng cạnh liên kết đơi thì sẽ tạo thành hydrogen peroxide. Sau đĩ peroxide và hydrogen peroxide sẽ bị phân giải để tạo thành aldehyde và ketone. Các aldehyde và ketone này đều là những chất cĩ mùi và vị khĩ chịu. 2.1.2. Cerid Cũng là ester của rượu và acid béo, nhiệt độ thường ở thể rắn, cĩ ở động thực vật, ở thực vật nĩ thường tạo thành một lớp mỏng phủ lên lá, thân, quả của cây. Cơng thức tổng quát: R – O – CO – R Rượu trong cerid là rượu cao phân tử, chỉ chứa một nhĩm OH , mạnh C khơng phân nhánh, rất ít khi mạch C cĩ vịng Ví dụ: Rượu cetol:CH3 - (CH2)14-CH2OH. Sáp ong, sáp cá voi (spermaceti) là ester của rượu cetol và palmitic acid. Ngồi ra trong sáp ong và sáp cá voi cịn cĩ rượu tự do, acid béo tự do và hydrocarbon. 2.1.3. Sterid Là ester của rượu sterol và acid béo. Rưọu sterol cĩ vịng và trọng lượng phân tử rất lớn, sterol tiêu biểu là cholesterol, acid mật. Acid béo thường là palmitic, oleic, ricinoleic.
40 2.1.3.1.Cholesterol Cholesterol bao gồm nhân phenanthrene kết hợp với cyclopentan tạo thành cyclopentanoperhydrophenanthrene. Cholesterol cĩ mang nhĩm rượu ở C3, nối đơi ở C5 - C6 và 2 gốc CH3 ở C10, C13 và một nhánh isooctan ở C17. Cholesterol chỉ cĩ ở động vật, trong máu cĩ khoảng 2.10-3, cĩ nhiều trong ĩc, những mơ ở lá lách, gan, da cũng cĩ chứa cholesterol hay các chất chuyển hố của nĩ. Cholesterol đựơc tìm thấy đầu tiên ở sạn mật, sạn mật là do sự dẫn mật đến ruột non bị nghẽn, mật chứa nhiều cholesterol nên kết tủa lại thàng sạn mật. Cholesterol là chất quan trọng trong sự sinh tổng hợp acid mật, vitamin D và nhiều chất khác. Cholesterol + acid béo cholesterid Trong thiên nhiên, các sterol ở trạng thái tự do nhiều hơn ở trạng thái sterid. Ở cơ thể người, chỉ 10% sterol bị ester hĩa tạo thành sterid. Tỷ lệ sterol và sterid ở các mơ khác nhau là khơng giống nhau. * Lý tính của cholesterol: kết tinh dưới dạng vảy ĩng ánh như xà cừ, dạng kết tinh cũng khác nhau tuỳ theo mơi trường kết tinh. * Hố tính: - Phản ứng với acid béo do nhĩm -OH ở C3. - Bị hydrogen hĩa hay halogen hố ở C5 - C6.
41 - Phản ứng màu: + Phản ứng Liebermann: Cholesterol cho màu xanh lục, màu này rất bền trong nhiều giờ, phản ứng này được dùng để xác định cholesterol ở bệnh viện. + Phản ứng Salkowski: Cholesterol cho vành màu đỏ. 2.1.3.2. Acid mật: Acid mật được tìm thấy trong động vật cĩ vú gồm 3 dạng sau: cholic acid, deoxycholic và chenodeoxycholic acid. Acid mật là chất độc đối với người. Vì vậy trong mật, acid mật liên kết với acetamin tạo thành một chất ít độc hơn. Ngồi cholesterol và acid mật cịn cĩ các sterol khác cũng cĩ nguồn gốc động vật như hormone nang thượng thận, hormone tuyến sinh dục, các sterol cĩ nguồn gốc thực vật như ergosterol, stigmasterol 2.2. Lipid phức tạp Khác với lipid tự do cĩ nhiệm vụ cung cấp năng lượng , hàm lượng luơn thay đổi. Lipid phức tạp cĩ nhiệm vụ tham gia xây dựng các cấu tử của tế bào, hàm lượng khơng thay đổi hay rất ít thay đổi. 2.2.1. Glycerophospholipid (phosphatid) Chúng ta cĩ thể hình dung cấu tạo chung của glycerophospholipid như sau: Glycerophospholipid là diester của phosphoric acid. Một phía phosphoric acid liên kết với glycerol, phía kia liên kết với X. Tùy cấu tạo của X ta cĩ các loại glycerophospholipid khác nhau:
42 Lecithin: Lúc đĩ X là choline nên lecithin cịn được gọi là choline phosphatid Lecithin cĩ nhiều trong lịng đỏ trứng gà, trong đậu nành, trong máu, trong các dây thần kinh. Qua cấu tạo ta nhận thấy nĩ gồm 2 phần - Phần phân cực bao gồm phosphoric acid và base nitrogen ưa nước.
43 - Phần khơng phân cực bao gồm các gốc acid béo, rượu glycerol ghét nước. Do cĩ cấu tạo như trên nên lecithin ở trong nước sẽ tạo thành dung dịch gọi là dung dịch giả. Nhờ đặc tính vừa ưa nước, vừa ghét nước mà hình như phospholipid tham gia trong việc bảo đảm tính thấm một chiều của các màng cấu trúc dưới tế bào. Lecithin cĩ thể bị thuỷ phân bằng acid, kiềm hay enzyme: * Thuỷ phân bằng acid: tất cả liên kết ester đều bị cắt đứt. * Thuỷ phân bằng kiềm: ta được acid béo ở dạng muối, glycerophosphate và choline. Nhưng choline bị phân hủy để cho trimetylamin. Với kiềm nhẹ chỉ cĩ thể cắt liên kết ester giữa rượu và acid béo. * Thuỷ phân bằng enzyme: cĩ 4 loại enzyme lecithinase A, B, C và D tác động lên các liên kết ester khác nhau: B α CH2O - CO - R1 A β CHO - CO - R2 C OH α’CH O - PO D 2 Lecithinase A cắt liên kết ở vị trí β của lecithin cho acid béo và lisolecithin. Cephalin: Trong cấu tạo của cephalin X là colamine. α CH2O-CO-R1 β CHO-CO- R2 O α’CH2O-P = O + O-CH2- CH2 -H3N
44 Tương tự lecithin, cephalin (X là ethanolamine) cĩ cấu tao gồm hai phần ưa nước và ghét nước, là thành phần của dây thần kinh và cĩ nhiều trong não. Lisocephalin được tạo thành khi cắt liên kết ester ở vị trí β, cũng cĩ tính chất phá hủy hồng cầu như lisolecithin. Serinphosphatid: Gọi là serinphosphatid khi X là serine. Trong cơ thể: lecithin, cephalin, serinphosphatid thường gặp ở dạng hổn hợp bởi cĩ sự biến đổi tương hổ giữa serine, choline và colamine. 2.2.2. Sphingophospholipid Đây là lipid phức tạp, trong đĩ rượu đa nguyên tử là sphingosine. Acid béo liên kết với rượu sphingosine bằng liên kết peptid. Tùy theo X ta cĩ các loại sphingophospholipid khác nhau Acid béo Sphingophospholipid quan trọng nhất là sphingomyelin, ở đây X là: phosphocholine. Acid béo trong sphingomyelin là lignoceric, palmitic,
45 stearic hay nervonic. Sphingophospholipid là diaminophospholipid, khác với phosphatid là monoaminophospholipid. Sphingophospholipid khơng tan trong ethylic ether, dựa vào tính chất này để tách chúng ra khỏi hỗn hợp lipid 2.2.3.Glycolipid Glycolipid là lipid phức tạp khơng chứa phospho, trong thành phần của chúng cĩ chứa hexose, thường là galactose hay các dẫn xuất của galactose, đơi khi là glucose. Thuộc nhĩm này cĩ MGDG, DGDG và sulfolipid khá phổ biến trong lục lạp và các thành phần khác của tế bào ở lá. 6-Sulfo-6-deoxy-α-D-glucopyranosyldiacyglycerrol (sulfolipid) 2.2.4. Sphingolipid Cerebroside: trong phân tử cerebroside rượu sphingosine liên kết với acid béo bằng liên kết peptide, với galactose (X) bằng liên kết glucosidic.
46 Các cerebroside khác nhau về thành phần acid béo, cĩ nhiều trong mơ thần kinh, hồng cầu, bạch cầu, tinh trùng Acid béo Ganglyoside: cấu tạo giống cerebroside nhưng X là phức hợp oligosaccharide Phức hợp ologosaccharide TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu tiếng Việt 1. Phạm Thị Trân Châu, Trần thi Áng. 1999. Hố sinh học, NXB Giáo dục, Hà Nội. 2. Đỗ Quý Hai.2004. Giáo trình Hĩa sinh đại cương, Tài liệu lưu hành nội bộ Trường ĐHKH Huế. 3. Trần Thanh Phong.2004. Giáo trình Hĩa sinh đại cương, Tài liệu lưu hành nội bộ Trường ĐHKH Huế. 4. Lê Ngọc Tú (chủ biên), Lê Văn Chứ, Đặng Thị Thu, Phạm Quốc Thăng Nguyễn Thị Thịnh, Bùi Đức Hợi, Lưu Duẫn, Lê Dỗn Diên, 2000. Hĩa sinh Cơng nghiệp, Nxb KH&KT, Hà Nội. Tài liệu tiếng Anh 1. LehningerA.L. 2004. Principles of Biochemistry, 4th Edition. W.H Freeman. 2. Mead, Alfin-Slater, Howton & Popják. 1986. Lipids: Chemistry, biochemistry and nutrion, Plenum, New York.
79 Chương 4 Nucleic acid 4.1. Thành phần hố học của nucleic acid Nucleic acid, vật chất mang thơng tin di truyền của các hệ thống sống, là một polymer được hình thành từ các monomer là nucleotide. Trong nucleic acid cĩ chứa các nguyên tố C, H, O, N và P. Hàm lượng P từ 8- 10% Mỗi nucleotide gồm 3 thành phần kết hợp với nhau theo tỷ lệ 1:1:1, bao gồm: nhĩm phosphate, đường pentose (là đường 5 carbon) và một base nitơ (nitrogen). 4.1.1 Base nitơ (Nitrogen) Các base nitơ (nitrogen) thuộc phân tử nucleic acid đều là dẫn xuất của base purine hoặc pyrimidine. Các base purine gồm adenine (6-amino purine) và guanine (2-amino, 6-aminopurine), các base nitơ pyrimidine gồm thymine (2,6-dioxy, 5-methylpyrimidine), cytosine(2-oxy,6- aminopyrimidine) và uracil (2,6 dioxypyrimidine).( Hình 4.1.) Hình 4.1 Cơng thức cấu tạo của các base nitơ (nitrogen) trong nucleic acid 4.1.2 Đường pentose Đường pentose trong nucleic acid gồm cĩ hai loại là đường deoxyribose và ribose. Sự cĩ mặt của 2 loại đường này là một trong những đặc điểm để phân biệt DNA và RNA. 4.1.3 Phosphoric acid Là một acid vơ cơ - H3PO4
80 Hình 4. 2. Cơng thức cấu tạo của hai loại đường pentose trong nucleic acid 4.1.4. Sự tạo thành nucleoside Nucleoside là sản phẩm thuỷ phân khơng hồn tồn của nucleic acid. Nucleoside gồm cĩ hai thành phần là đường pentose và một base nitơ (nitrogen, thuộc purine hay pyrimidine).
81 Hình 4. 3. Cấu tạo hố học của các nucleoside và nucleotide 4.1.5. Sự tạo thành nucleotide Nucleotide cũng là sản phẩm thuỷ phân khơng hồn tồn của nucleic acid. Nucleotide gồm cĩ ba thành phần: đường pentose, một base nitơ (nitrogen) và phosphoric acid (Hình 4.3). 4.1.6. Sự tạo thành nucleic acid Các nucleotide được nối với nhau bằng liên kết phosphodiester Acide thơng qua các nhĩm OH ở vị trí C3’ và C5’ của đường pentose để tạo thành một chuỗi dài gọi là polynucleotide. Do liên kết phosphodiester được tao thành ở vị trí C3’ và C5’ nên chuỗi polypeptide cĩ tính phân cực: đầu 5’ thường cĩ gốc phosphate và đầu 3’ thường cĩ OH tự do. Nucleic acid gồm hai loại phân tử cĩ cấu tạo rất giống nhau là DNA (desoxyribonucleic acid) và RNA (ribonucleic acid). 4.1.7. Một số nucleotide quan trọng khơng tham gia cấu tạo nucleic acid - ADP và ATP
82 ADP (adenosindiphosphate) và ATP (adenosintriphosphate) là những dẫn xuất của adenine, chúng tham gia quá trình phosphoryl hố-oxy hố. ATP được coi là nguồn phosphate cao năng trong tế bào (Hình 4.4). Hình 4.4. Cấu tạo hố học của ADP và ATP - cAMP(AMP vịng) Adenosinemonophosphate vịng được hình thành từ ATP, cAMP chỉ tìm thấy ở tế bào động vật và vi khuẩn, nĩ thường liên kết với màng bào tương của tế bào và tham gia nhiều quá trình chuyển hố. cAMP cĩ thể được sinh ra nhờ một số hormone hoạt hố adenylcyclase (Hình 4.5.) - UDP và UTP UDP (uridinediphosphate) và UTP (uridinetriphosphate) đều là những dẫn xuất của uracil là những coenzyme quan trọng trong các phản ứng trung gian chuyển hố glucose và galactose. Ngồi ra, chúng cịn tham gia trong việc hình thành những hợp chất phosphate giàu năng lượng. Hình 4.5. Cấu tạo hố học của AMP vịng (cAMP) - CDP và CTP CDP (cytidindiphosphate) và CTP (cytidinetriphosphate) là những dẫn xuất của cytidine. CTP cũng là hợp chất giàu năng lương và co thể tham gia nhiều phản ứng khác nhau như: phosphoryl hố ethanolamine để
83 dẫn đến sự sinh tổng hợp cephaline hoặc phản ứng với phosphate choline để hình thành cytidinediphosphate-choline (CDP-Choline, hình 4.6). Hình 4.6. Cấu tạo hố học của CDP- cholin 4.1.8. Các coenzyme nucleotide Hiện nay người ta biết được một số nucleotide tham gia cấu tạo nên các coenzyme quan trọng như vitamin B5 (pantothenic acid) trong coezyme A (SH-CoA), vitamin B2 (riboflavine) trong coenzyme flavin adenine đinucleotide (FAD) và vitamin PP (nicotinamide) trong coenzyme nicotinamide adenine dinucleotide (NAD) v.v Chúng được phosphoryl hố khi làm chức phận nhĩm ngoại của các enzyme trong chuyển hố trung gian, (hình 4.7)
84 FAD Hình 4.7. Cấu tạo hố học của một số coenzyme 4.2. Cấu trúc của nucleic acid 4.2.1 DNA (Desoxyribonucleic acid) Phân tử DNA là một chuỗi xoắn kép gồm hai chuỗi đơn. Mỗi chuỗi đơn là một chuỗi nucleotide. Mỗi nucleotide gồm ba thành phần: nhĩm phosphate, đường desoxyribose và một trong bốn base và thường được ký hiệu bằng chữ cái đầu tiên của các base đĩ (A-adenine, C- cytosine, G- guanine và T- thymine). Hai chuỗi đơn kết hợp với nhau nhờ các liên kết hydrogen hình thành giữa các base bổ sung nằm trên hai chuỗi: A bổ sung cho T và C bổ sung cho G. Mỗi chuỗi đơn cĩ một trình tự định hướng với một đầu 5’phosphate tự do, đầu kia là 3’ hydroxyl tự do (quy ước là 5’ → 3’. Hướng của hai chuỗi đơn trong chuỗi xoắn kép ngược nhau, nên được gọi là hai chuỗi đối song. Những phân tích cấu trúc hiện đại đã cho thấy
85 cấu trúc của DNA khơng phải luơn luơn tương ứng với dạng được gọi là B mà Watson và Crick đã đưa ra. Do sự tác động của các hợp chất cĩ trọng lượng nhỏ hoặc protein dạng B cĩ thể chuyển sang dạng A (nén nhiều hơn) hoặc là dạng Z (xoắn trái). Chúng cĩ thể tự gấp lại (DNA) hoặc xoắn mạnh, ví dụ một chuỗi kép DNA cĩ độ dài là 20 cm được nén trong một chromosome cĩ kích thước là 5 μm. Liên kết hydrogen 1 nm 3,4 nm 0,34 nm (a) Cấu trúc của DNA (b) Cấu trúc hĩa học của một phần DNA Hình 4.8. Chuỗi xoắn kép của DNA Phân tử DNA trong nhiễm sắc thể của sinh vật eukaryote ở dạng thẳng, cịn ở phần lớn tế bào prokaryote (vi khuẩn) phân tử DNA cĩ dạng vịng. Dù ở dạng nào thì các phân tử DNA đều tồn tại dưới dạng cuộn chặt. Trong tế bào eukaryote, DNA kết hợp chặt chẽ với các protein là histone.
86 Trục đường-phosphate Các base Thymine (T) Adenine (A) Cytosine (C) DNA nucleotide Phosphate Đường (deoxyribose) . Guanine (G) Hình 4.9. Cấu trúc của các nucleotide điển hình. DNA của eukaryote cĩ kích thước rất lớn (ví dụ DNA ở người cĩ thể dài đến 1 m) nên câu hỏi đặt ra là phân tử này phải được nén như thế nào vào thể tích rất hạn chế của nhân. Việc nén được thực hiện ở nhiều mức độ, mức độ thấp nhất là nucleosome và mức độ cao nhất là cấuo trúc nhiễm sắc chất. Thật vậy, đường kính của chuỗi xoắn DNA chỉ là 20 A , trong khi sợi nhio ễm sắc chất quano sát dưới kính hiển vi điện tử cĩ đường kính 100 A, đơi khi đạt 300 A. Điều này chứng tỏ phân tử DNA tham gia hìnho thành những cấu trúc phức tạp hơn (Hình 4.10). Sợi cĩ đường kính 100 A là một chuỗi nhiều nucleosome. Đĩ là những cấu trúc hình thành từ một
87 o chuỗi DNA quấn quanh một lõi gồm 8 phân tử histon. Sợi 100 A nàyo được tổ chức thành cấu trúc phức tạp hơn là sợi cĩ đường kính 300 A. Trong nhân tế bào, các sợi vừa kể trên kết hợp chặt chẽ với nhiều protein khác nhau và cả với các RNA tạo hành nhiễm sắc chất, mức độ tổ chức cao nhất của DNA Chuỗi xoắn kép DNA 2 nm Dạng xâu chuỗi của 11 nm nhiễm sắc thể Sợi nhiễm sắc chất đường kính 30 nm gồm 30 nm các nucleosome được đĩng gĩi Vùng nhiễm sắc thể 300 nm ở dạng lỏng lẽo Vùng nén chặt của 700 nm nhiễm sắc thể ở trung kỳ 1400 nm Nhiễm sắc thể ở trung kỳ Hình 4.10. Cấu trúc nucleosome và nhiễm sắc thể. Phân tử DNA được sắp xếp trên nhiễm sắc thể làm cho chiều dài ngắn lại hơn 50.000 lần. Các DNA ở eukaryote cĩ đặc điểm khác với DNA prokaryote. Tồn bộ phân tử DNA prokaryote đều mang thơng tin mã hĩa cho các protein trong khi đĩ DNA eukaryote bao gồm những trình tự mã hố (các exon)
88 xen kẽ với những trình tự khơng mã hố (intron). Các trình tự mã hố ở eukaryote chìm ngập trong một khối lớn DNA mà cho đến nay vẫn chưa rõ tác dụng. Tùy theo mức độ hiện diện của chúng trong nhân, các trình tự DNA được chia làm ba loại: - Các trình tự lặp lại nhiều lần. Ví dụ: ở động vật cĩ vú các trình tự này chiếm 10-15% genome (hệ gen). Đĩ là những trình tự DNA ngắn (10- 200 kb), khơng mã hố, thường tập trung ở những vùng chuyên biệt trên nhiễm sắc thể như ở vùng tâm động (trình tự CEN) hay ở đầu các nhiễm sắc thể (trình tự TEL). Chức năng của các trình tự này chưa rõ, cĩ thể chúng tham gia vào quá trình di chuyển DNA trên thoi vơ sắc (trình tự CEN) hoặc vào quá trình sao chép tồn vẹn của phần DNA nằm ở đầu mút nhiễm sắc thể (trình tự TEL). - Các trình tự cĩ số lần lặp lại trung bình. Ví dụ: ở genome người các trình tự này chiếm 25-40 %. Chúng đa dạng hơn và cĩ kích thước lớn hơn (100-1.000 kb) các trình tự lặp lại nhiều lần. Các trình tự này phân bố trên tồn bộ bộ gen. Chúng cĩ thể là những trình tự khơng mã hĩa mà cũng cĩ thể là những trình tự mã hĩa cho rRNA, tRNA và RNA 5S. - Các trình tự duy nhất: là các gen mã hĩa cho các protein, cĩ trình tự đặc trưng cho từng gen. Một đặc điểm của phân tử DNA cĩ ý nghĩa rất quan trọng được sử dụng vào phương pháp lai phân tử. Đĩ là khả năng biến tính và hồi tính. Biến tính là hiện tượng hai sợi đơn của phân tử DNA tách rời nhau khi các liên kết hydrogen giữa các base bổ sung nằm trên hai sợi bị đứt do các tác nhân hĩa học (dung dịch kiềm, formamide, urea) hay do tác nhân vật lý (nhiệt). Sau đĩ, nếu điều chỉnh nhiệt độ và nồng độ muối thích hợp, các sợi đơn cĩ thể bắt cặp trở lại theo nguyên tắc bổ sung, để hình thành phân tử DNA ban đầu, đĩ là sự hồi tính. 4.2.2 RNA (Ribonucleic acid ) Phân tử RNA cĩ cấu tạo tương tự DNA với ba điểm khác biệt sau: - Phân tử RNA là chuỗi đơn. - Đường pentose của phân tử DNA là deoxyribose được thay bằng ribose. - Thymine, một trong bốn loại base hình thành nên phân tử DNA, được thay thế bằng uracil trong phân tử RNA. Cấu trúc và chức năng của RNA cĩ sự biến đổi rõ rệt. Về cơ bản RNA chỉ là chất mang thơng tin di truyền ở virus, sau đĩ người ta chứng minh rằng nĩ khơng những đĩng vai trị cơ bản ở việc chuyển thơng tin di truyền mà cịn cĩ vai trị cấu trúc khi tạo nên phức hệ RNA-protein.
89 Theo một lý thuyết tiến hĩa mà đại diện là Manfred Eigen, RNA là chất mang thơng tin di truyền, thành viên trung gian của sự biểu hiện gen, thành phần cấu tạo và là chất xúc tác. Nhĩm OH rượu ở vị trí thứ hai của ribose cần thiết cho đa chức năng làm nhiễu loạn sự tạo thành chuỗi kép, qua đĩ làm tăng độ khơng bền vững của liên kết photphodieste. Trong tế bào cĩ ba loại RNA chính, cĩ các chức năng khác nhau: - Các RNA thơng tin (mRNA) mRNA là bản sao của những trình tự nhất định trên phân tử DNA, cĩ vai trị trung tâm là chuyển thơng tin mã hĩa trên phân tử DNA đến bộ máy giải mã thành phân tử protein tương ứng. Các RNA cĩ cấu trúc đa dạng, kích thước nhỏ hơn so với DNA vì chỉ chứa thơng tin mã hĩa cho một hoặc vài protein và chỉ chiếm khoảng 2-5% tổng số RNA trong tế bào. Quá trình chuyển thơng tin được thể hiện như sau: Phiên mã Dịch mã DNA RNA Protein Ở Escherichia coli, kích thước trung bình của một phân tử mRNA khoảng 1,2 kb. - RNA vận chuyển (tRNA) tRNA làm nhiệm vụ vận chuyển các amino acid hoạt hĩa đến ribosome để tổng hợp protein từ các mRNA tương ứng. Cĩ ít nhất một loại tRNA cho một loại amino acid. tRNA vận chuyển chứa khoảng 75 nucleotide (cĩ trọng lượng khoảng 25 kDa), là phân tử RNA nhỏ nhất. Các tRNA cĩ cấu trúc dạng cỏ ba lá (Hình 7). Cấu trúc này được ổn định nhờ các liên kết bổ sung hiện diện ở nhiều vùng của phân tử tRNA. Hai vị trí khơng cĩ liên kết bổ sung đĩng vai trị đặc biệt quan trọng đối với chức năng của tRNA: - Trình tự anticodon gồm ba nucleotide. - Trình tự CCA, cĩ khả năng liên kết cộng hĩa trị với một amino acid đặc trưng. - RNA ribosome (rRNA) rRNA là thành phần cơ bản của ribosome, vừa đĩng vai trị xúc tác và cấu trúc trong sự tổng hợp protein. Tùy theo hệ số lắng rRNA được chia thành nhiều loại: ở eukaryote cĩ rRNA 28S, 18S, 5,8S và 5S, cịn các rRNA ở E. coli cĩ ba loại: 23S,
90 16S và 5S. rRNA chiếm nhiều nhất trong ba loại RNA (80% tổng số RNA tế bào), tiếp đến là tRNA và mRNA chỉ chiếm 5%. Ribosome của mọi tế bào đều gồm một tiểu đơn vị nhỏ và một tiểu đơn vị lớn. Mỗi tiểu đơn vị cĩ mang nhiều protein và rRNA cĩ kích thước khác nhau. Amino acid anticodon . Hình 4.11. Mơ hình cấu trúc của một tRNA - Một số loại RNA khác. Tế bào sinh vật nhân chuẩn cịn chứa một số loại RNA khác, chúng đều cĩ vai trị nhất định trong bộ máy tổng hợp protein như: + snRNA (small nuclear) là những phân tử RNA nhỏ tham gia vào việc ghép nối các exon. + hn RNA( heterogenous nuclear) là những RNA khơng đồng nhất ở nhân tế bào. + scRNA (small cytoplasmic) là những RNA nhỏ của tế bào chất.
91 Bảng 4.1. Các phân tử RNA trong E. coli Loại Tổng số tương Hệ số Khối lượng phân Số lượng đối (%) lắng (S) tử (kDa) nucleotide rRNA 80 1,2 × 103 3700 23 0,55 × 103 1700 16 3,6 × 101 120 5 tRNA 15 2,5 × 101 75 4 mRNA 5 Khơng đồng nhất Nhìn chung tất cả RNA trong tế bào đều được tổng hợp nhờ enzyme RNA polymerase. Enzyme này địi hỏi những thành phần sau đây: a) Một khuơn mẫu, thường là DNA chuỗi đơi. b) Tiền chất hoạt hĩa: Bốn ribonucleoside triphosphate: ATP, GTP, UTP và CTP. Sinh tổng hợp RNA giống DNA ở một số điểm, thứ nhất hướng tổng hợp là 5’ → 3’, thứ hai là cơ chế kéo dài giống nhau: nhĩm 3’-OH ở đầu cuối của chuỗi tổng hợp là vị trí gắn kết của nucleoside triphosphate tiếp theo. Thứ ba, sự tổng hợp xảy ra do thủy phân pyrophosphate. Tuy nhiên, khác với DNA là RNA khơng địi hỏi mồi (primer). Ngồi ra RNA polymerase khơng cĩ hoạt tính nuclease để sửa chữa khi các nucleotide bị gắn nhầm. Cả ba loại RNA trong tế bào được tổng hợp trong E. coli nhờ một loại RNA polymerase. Ở động vật cĩ vú các RNA khác nhau được tổng hợp bằng các loại RNA polymerase khác nhau. 4.3. Một số tính chất của nucleic acid Dung dịch nucleic acid cĩ độ nhớt cao, cĩ hoạt tính quang học (làm quay mặt phẳng ánh sang phân cực). Nucleic acid hấp thụ mạnh ở vùng ánh sáng tử ngoại cĩ bước sĩng 250-280 nm, cực đại hấp thụ ở 260 nm. Tính chất này được sử dụng để dịnh lượng nucleic acid và xác định độ sạch của nucleic acid. Khi đun nĩng dung dịch nucleic acid ở nhiệt độ cao, thêm acd hoặc kiềm để ion hố các base của nĩ, nucleic acid bị biến tính. Phân tử DNA xoắn kép bị tháo rời, độ hấp thụ ở bước song 260 nm tăng lên. Sự tăng độ hấp thụ này gọi là hiện tượng tăng sắc tố (hyperchromism). Nhiệt độ làm mất một nửa cấu trúc xoắn kép cuả phân tử DNA được gọi là nhiệt độ
92 nĩng chảy (melting temperature) viết tắt là Tm. Các DNA giàu các base G và C cĩ nhiệt độ nĩng chảy cao. DNA phản ứng với thuốc thử fucsin tạo thành màu đỏ (phản ứng Feulgen), phản ứng này thường sử dụng trong hố tế bào. Để phân biệt DNA và RNA người ta dùng các phản ứng đặc trưng với thuốc thử orcine tạo thành màu xanh lục bền, desoxyribose của DNA phản ứng với diphenylamine tạo thành màu xanh da trời bền. TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu tiếng Việt 1. Trần Thị Ân, Đái Duy Ban, Nguyễn Hữu Chấn, Đỗ Đình Hồ, Lê Đức Trình. 1980. Hố sinh học. NXB Y học, Hà Nội 2. Phạm Thị Trân Châu, Trần Thị Áng. 1999. Hố sinh học. NXB Giáo dục, Hà Nội. 3. Hồ Huỳnh Thuỳ Dương. 1998. Sinh học phân tử. NXB Giáo dục, Hà Nội. 4. Phạm Thành Hổ. 2001. Di truyền học, (tái bản lần thứ 3) NXB Giáo dục, Hà Nội. Tài liệu tiếng Anh 1. Lehninger A.L. , 2004. Principle of Biochemistry , 4th Ed., E-Book 2. Lodish H., 2003. Molecular Cell Biology. 5th Ed. E-book
92 Chương 5 Vitamin Vitamin là một nhĩm chất hữu cơ cĩ các tính chất lý, hố học rất khác nhau. Tác dụng của chúng trên các cơ thể sinh vật cũng rất khác nhau nhưng đều rất cần thiết cho sự sống của sinh vật, nhất là đối với người và động vật. Khi thiếu một loại vitamin nào đĩ sẽ dẫn đến những rối loạn về hoạt động sinh lý bình thường của cơ thể. Vitamin được tổng hợp chủ yếu ở thực vật và vi sinh vật. Ở người và động vật cũng cĩ thể tổng hợp được một số Vitamin nhưng rất ít nên khơng thoả mãn nhu cầu của cơ thể mà phải tiếp nhận thêm ở ngồi vào bằng con đường thức ăn. Cĩ nhiều loại Vitamin khác nhau. Tên Vitamin được gọi theo nhiều cách như gọi theo chữ cái, gọi theo danh pháp hố học, gọi theo chức năng. Ví dụ Vitamin B1 cịn cĩ tên hĩa học là Thiamin, đồng thời theo chức năng của nĩ cịn cĩ tên antinevrit. Cĩ nhiều kiểu phân loại Vitamin, nhưng kiểu phân loại được sử dụng phổ biến nhất là dựa vào khả năng hồ tan của Vitamin vào các dung mơi. Người ta chia Vitamin ra 2 nhĩm: Vitamin tan trong nước và Vitamin tan trong mỡ. Vitamin tan trong nước chủ yếu tham gia vào các quá trình liên quan tới sự giải phĩng năng lượng như quá trình oxi hố khử, quá trình phân giải các hợp chất hữu cơ Vitamin tan trong mỡ tham gia vào các phản ứng tạo nên các chất cĩ chức năng cấu trúc các mơ, các cơ quan. 5.1. Vitamin tan trong nước 5.1.1. Vitamin B1 (Thiamin) Vitamin B1 là loại Vitamin rất phổ biến trong thiên nhiên, đặc biệt trong nấm men, cám gạo, mầm lúa mì Trong đĩ cám gạo cĩ hàm lượng Vitamin B1cao nhất. Vitamin B1 được tách ra ở dạng tinh thể vào năm 1912 và xác định được cấu trúc hố học của nĩ.
93 NH2 CH CH N 2 N 3 H3C CH2 - CH2OH N S Vitamin B1 bền trong mơi trường acid, cịn trong mơi trường kiềm nĩ rất dễ bị phân huỷ khi đun nĩng. Trong cơ thể B1 cĩ thể tồn tại ở trạng thái tự do hay ở dạng Thiamin pyrophosphate. Thiamin pyrophosphate là dạng B1 liên kết với H3PO4 và cĩ vai trị quan trọng trong quá trình trao đổi chất của cơ thể. Thiamin pyrophosphate là coenzyme xúc tác cho quá trình phân giải các ceto acid như pyruvic acid, oxaloacetic acid Vì vậy khi thiếu Vitamin B1 sự chuyển hố các ceto acid bị ngừng trệ làm cho cơ thể tích luỹ một lượng lớn các ceto acid làm rối loạn trao đổi chất và gây nên các trạng thái bệnh lý nguy hiểm. Vitamin B1 hồ tan tốt trong mơi trường nước và chịu nhiệt khá nên khơng bị phân huỷ khi nấu nướng. B1 được tổng hợp chủ yếu ở thực vật và một số vi sinh vật. Người và động vật khơng tổng hợp được B1 mà phải nhận từ nguồn thức ăn. Nguồn chứa nhiều Vitamin B1 là cám gạo, ngơ, lúa mì, gan, thận, tim, não, nhất là ở nấm men. Khi thiếu B1 cĩ thể phát sinh bệnh beri-beri, cịn gọi là bệnh tê phù, do quá trình trao đổi chất bị rối loạn. Nhu cầu Vitamin B1 phụ thuộc vào điều kiện nghề nghiệp, vào trạng thái sinh lý của cơ thể, vào lứa tuối. Nhu cầu hàng ngày của người lớn là 1-3mg, của trẻ em 0,5-2mg. 5.1.2. Vitamin B2 (Riboflavin) Vitamin B2 là dẫn xuất của vịng Isoalloxazin, thuộc nhĩm flavin. Trong cơ thể B2 liên kết với H3PO4 tạo nên coenzyme FMN và FAD là những coenzyme của hệ enzyme dehydrogenase hiếu khí. Ở trạng thái khơ Vitamin B2 bền với nhiệt và acid. Vitamin B2 cĩ nhiều trong nấm men, đậu, thịt, sữa, gan, trứng. Khi thiếu Vitamin B2 sự tổng hợp các enzyme oxi hố khử bị ngừng trệ làm ảnh hưởng đến quá trình oxi hố khử tạo năng lượng cho cơ thể. Đồng thời khi thiếu Vitamin B2 việc sản sinh ra các tế bào của biểu bì ruột cũng
94 bị ảnh hưởng gây nên sự chảy máu ruột hay rối loạn hoạt động của dạ dày, ruột. Vitamin B2 cịn giúp cơ thể kháng khuẩn tốt hơn. Nhu cầu Vitamin B2 hàng ngày của một người khoảng 2-3mg. CH2 - (CHOH)3-CH2OH N N H3C O H3C NH N O Riboflavin (Vitamin B2) 5.1.3. Vitamin PP (Nicotinic acid, nicotinamid) Vitamin PP là nicotinic acid và amid của nĩ là nicotinamid. O C COOH NH2 N N Nicotinic acid Nicotinamid Vitamin PP là thành phần của coenzyme NAD, NADP cĩ trong các enzyme thuộc nhĩm dehydrogenase kỵ khí. Vitamin PP giúp cơ thể chống lại bệnh pellagra (bệnh da sần sùi). Khi mắc bệnh pellagra sẽ dẫn đến sưng màng nhầy dạ dầy, ruột, sau đĩ sưng ngồi da. Vitamin PP dạng nicotinic acid bền với nhiệt, acid và cả kiềm nên khĩ bị phân huỷ, cịn ở dạng nicotinamid lại kém bền với acid và kiềm.
95 Vitamin PP khơng bị biến đổi khi nấu nướng nên thức ăn giữ được hàm lượng PP qua xử lý. Vitamin PP cĩ nhiều trong gan, thịt nạc, tim, đặc biệt là nấm men. Nếu cơ thể thiếu Vitamin PP sẽ ảnh hưởng đến các quá trình oxi hố khử. Vitamin PP cĩ tác dụng ngăn ngừa bệnh ngồi da, sưng màng nhầy ruột, dạ dày. Hàng ngày nhu cầu của một người khoảng 15-25mg Vitamin PP. 5.1.4. Vitamin B6 (Pyridoxin) Vitamin B6B tồn tại trong cơ thể ở 3 dạng khác nhau: Piridoxol, Pyridoxal, Pyridoxamine. Ba dạng này cĩ thể chuyển hố lẫn nhau CH2OH HO CH2OH H3C N Pyridoxol Vitamin B6 là thành phần coenzyme của nhiều enzyme xúc tác cho quá trình chuyển hố amino acid, là thành phần cấu tạo của phosphorylase Vitamin B6 cĩ nhiều trong nấm men, trứng, gan, hạt ngũ cốc, rau quả Nếu thiếu Vitamin B6 sẽ dẫn đến các bệnh ngồi da, bệnh thần kinh như đau đầu, bệnh rụng tĩc, rụng lơng Hàng ngày mỗi người lớn cần 1,5-2,8 mg, với trẻ em cần 0,5-2mg Vitamin B6. 5.1.5. Vitamin C (Ascorbic acid) Vitamin C là ascorbic acid. Trong cơ thể Vitamin C tồn tại ở 2 dạng: dạng khử là ascobic acid và dạng oxy hố là dehydro ascobic.
96 CH2OH CH2OH CHOH CHOH O O O O OH OH O O Ascorbic acid Dehydro ascorbic acid Vitamin C tham gia nhiều quá trình sinh lý quan trọng trong cơ thể: - Quá trình hydroxyl hố do hydroxylase xúc tác. - Duy trì cân bằng giữa các dạng ion Fe+2/Fe+3, Cu+1/Cu+2. - Vận chuyển H2 trong chuỗi hơ hấp phụ. - Làm tăng tính đề kháng của cơ thể đối với những điều kiện khơng thuận lợi của mơi trường, các độc tố của bệnh nhiễm trùng, làm giảm các triệu chứng bệnh lý do tác dụng của phĩng xạ. Ngồi ra Vitamin C cịn tham gia vào nhiều quá trình khác cĩ vai trị quan trọng trong cơ thể. Vitamin C cĩ nhiều trong các loại rau quả tươi, nhất là trong các loại quả cĩ múi như cam, chanh, bưởi Nhu cầu hàng ngày cần 70- 80mg/người. Nếu thiếu Vitamin C sẽ dẫn đến bệnh hoại huyết, giảm sức đề kháng của cơ thể, bị bệnh chảy máu răng, lợi hay nội quan (bệnh scorbutus). 5.1.6. Vitamin B12 (Cyanocobalamin) Vitamin B12B cĩ cấu tạo phức tạp, trong thành phần cĩ chứa nhĩm CN, CO, amin. Thành phần chính của Vitamin B12 là nhĩm porphyrin. Vitamin B12B giúp cho việc tạo huyết cầu tố và hồng cầu. B12 tham gia các quá trình tổng hợp nucleotide nhờ xúc tác các phản ứng metyl hố các base Nitơ. Thiếu B12 sẽ gây bệnh thiếu máu ác tính. Ngồi các loại Vitamin trên, trong nhĩm Vitamin tan trong nước cịn một số Vitamin khác như Vitamin B5, Vitamin Bc, Vitamin H
97 5.2. Vitamin tan trong chất béo 5.2.1. Vitamin A (retinol) Vitamin A cĩ 2 dạng quan trọng là A1 và A2. Vitamin A được hình thành từ β.caroten là tiền Vitamin A. Từ β.caroten tạo thành 2 phân tử Vitamin A. CH3 CH3 CH3 CH3 CH2OH Vitamin A CH3 1 Vitamin A cĩ nhiều trong dầu cá, lịng đỏ trứng. Trong thực vật cĩ nhiều tiền Vitamin A (β.caroten) nhất là trong củ cà rốt, quả cà chua, quả gấc, quả đu đủ. Vitamin A cĩ vai trị quan trọng trong cơ chế tiếp nhận ánh sáng của mắt, tham gia vào quá trình trao đổi protein, lipid, saccharide. Thiếu Vitamin A sẽ bị bệnh quáng gà, khơ mắt, chậm lớn, sút cân, giảm khả năng đề kháng của cơ thể đối với các bệnh nhiễm trùng. Nhu cầu Vitamin A hàng ngày đối với người lớn 1-2mg, trẻ em dưới 1 tuổi 0,5-1mg. 5.2.2. Vitamin D Trong cơ thể tồn tại nhiều loại Vitamin D, trong đĩ quan trọng nhất là dạng D2 và D3. Các Vitamin D là dẫn xuất của các sterol. Trong cơ thể Vitamin D được tạo ra từ tiền Vitamin D cĩ sẵn dưới da nhờ ánh sáng mặt trời cĩ tia tử ngoại. Thiếu hoặc thừa Vitamin D đều ảnh hưởng đến nồng độ photpho và canxi trong máu. Thiếu Vitamin D trẻ em dễ bị bệnh cịi xương, ở người lớn bị bệnh lỗng xương. Vitamin D cĩ nhiều trong dầu cá, mỡ bị, lịng đỏ trứng. Tiền Vitamin D cĩ sẵn trong mỡ động vật. Hàng ngày mỗi người cần khoảng 10-20mg, trẻ em dưới 30 tháng cần nhiều hơn: 20-40mg.
98 5.2.3. Vitamin E (Tocopherol) Vitamin E cĩ nhiều dạng khác nhau. Đĩ là các dạng α, β, γ, δ tocopherol. Các dạng khác nhau này được phân biệt bởi số lượng và vị trí của các nhĩm metyl gắn vào vịng thơm của phân tử. Trong các loại Vitamin E, dạng α -tocopherol cĩ hoạt tính cao nhất: CH3 CH O 3 H C CH3 CH3 CH3 3 (CH2)3 - CH - (CH2)3 - CH - (CH2)3- CH - CH3 HO CH3 α - Tocopherol Vitamin E cĩ nhiều ở các loại rau xanh, nhất là xà lách, ở hạt ngũ cốc, dầu thực vật, gan bị, lịng đỏ trứng, mầm hạt hồ thảo Vitamin E cĩ tác dụng như chất chống oxi hố nên cĩ tác dụng bảo vệ các chất dễ bị oxi hố trong tế bào. Vitamin E cịn cĩ vai trị quan trọng trong sinh sản. Nhu cầu Vitamin E hàng ngày khoảng 20mg cho một người lớn. 5.2.4. Vitamin K Cĩ nhiều loại Vitamin K, với cơng thức tổng quát là O CH3 R O Vitamin K cần cho quá trình sinh tổng hợp các yếu tố làm đơng máu (prothrombin) cho nên Vitamin K là Vitamin chống chảy máu, thiếu Vitamin K tốc độ đơng máu giảm, máu khĩ đơng.
99 Vitamin K cĩ nhiều trong cỏ linh lăng, bắp cải, rau má, cà chua, đậu, ngũ cốc, lịng đỏ trứng, thịt bị Thường ở người khoẻ mạnh, vi khuẩn đường ruột cĩ khả năng cung cấp đủ Vitamin K cho nhu cầu của cơ thể, chỉ cần bổ sung thêm khoảng 0,2-0,3mg/ngày/người. 5.2.5. Vitamin F Vitamin F là các acid béo khơng no như linoleic acid, linolenic acid, arachidonic acid Vitamin F cĩ tác dụng nuơi da, tiêu mỡ. Thiếu Vitamin F động vật chậm lớn, viêm da, rụng lơng, hoại tử đuơi. Vitamin F cĩ nhiều trong các loại dầu thực vật. 5.2.6. Vitamin Q (Ubiquinon) Vitamin Q lần đầu tiên được tách ra từ mỡ động vật vào năm 1955. Cấu trúc và chức năng của Vitamin Q gần tương tự như Vitamin K và F. Vitamin Q tham gia vào các quá trình oxi hố-khử của cơ thể với chức năng thành viên của chuỗi vận chuyển điện tử của ty thể. Vitamin Q cĩ trong nhiều đối tượng như vi sinh vật, thực vật, động vật 5.2.7. Vitamin P (Rutin) Vitamin P là nhĩm Vitamin cĩ cấu trúc từ flavon. Hiện nay người ta đã phát hiện khoảng 150 loại chất flavonoid khác nhau cĩ tác dụng như Vitamin P, trong đĩ cĩ 10 chất đã được nghiên cứu kỹ. Thiếu Vitamin P xảy ra hiện tượng tăng tính thấm của mao quản, chảy máu bất thường, mỏi mệt, suy nhược cơ thể. Vitamin P cĩ tác dụng làm giảm tính thấm của thành mao quản. Vitamin P cịn cĩ thể tham gia vào quá trình oxi hố khử của cơ thể như chức năng của Vitamin C. Nhu cầu Vitamin P khoảng bằng 50% nhu cầu Vitamin C.
100 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu tiếng Việt 1. Trần Thị Ân (chủ biên). 1979. Hĩa sinh đại cương (tập I, II). NxB KH&KT, Hà Nội. 2. Phạm Thị Trân Châu, Trần Thị Áng. 2000. Hĩa sinh học. Nxb Giáo dục, Hà Nội. 3. Nguyễn Bá Lộc. 1997. Hĩa sinh. Nxb Giáo dục, Hà Nội Tài liệu dịch 1. Musil J.G., Kurz .K., Novakava .O. 1982 Sinh hĩa học hiện đại theo sơ đồ. Nxb Y học, Hà Nội. Tài liệu tiếng Anh 1. Farkas G. 1984. Nưvényi anyagcsereélettan. Akadémiai Kiadĩ Budapest. 2. Lehninger A. L., 2004. Principle of Biochemistry, 4th Edition. W.H Freeman.
101 Chương 6 Enzyme Enzyme là protein cĩ khả năng xúc tác đặc hiệu cho các phản ứng hĩa học. Chúng thúc đẩy một phản ứng xảy ra mà khơng cĩ mặt trong sản phẩm cuối cùng. Enzyme cĩ trong nhiều đối tượng sinh học như thực vật, động vật và mơi trường nuơi cấy vi sinh vật.Hiện nay người ta đã thu được nhiều loại chế phẩm enzyme khác nhau và sử dụng rộng rãi trong nhiều lãnh vực như y học , nơng nghiệp, cơng nghiệp 6.1. Bản chất hĩa học của enzyme Ngoại trừ một nhĩm nhỏ RNA cĩ tính xúc tác, tất cả enzyme đều là protein. Tính chất xúc tác phụ thuộc vào cấu tạo của protein. Nếu một enzyme bị biến tính hay phân tách thành những tiểu đơn vị thì hoạt tính xúc tác thường bị mất đi, tương tự khi bản thân protein enzyme bị phân cắt thành những amino acid. Vì vậy cấu trúc bậc 1, 2, 3, 4 của protein enzyme là cần thiết cho hoạt tính xúc tác của chúng. Enzyme, cũng như những protein khác, cĩ trọng lượng phân tử khoảng 12.000 đến hơn 1000.000.Một số enzyme cấu tạo gồm tồn những phân tử L amino acid liên kết với nhau tạo thành, gọi là enzyme một thành phần. Đa số enzyme là những protein phức tạp gọi là enzyme hai thành phần. Phần khơng phải protein gọi là nhĩm ngoại hay coenzyme. Một coenzyme khi kết hợp với các apoenzyme khác nhau (phần protein) thì xúc tác cho quá trình chuyển hĩa các chất khác nhau nhưng chúng giống nhau về kiểu phản ứng. Một số enzyme cần ion kim loại cho hoạt động như: Cu2+ Cytochrome oxidase Fe2+ hoặc Fe3+ Cytochrome oxidase, catalase, peroxidase K+ Pyruvate kinase Mg2+ Hexokinase, glucose 6-phosphatase, pyruvate kinase Mn2+ Arginase, ribonucleotide reductase Mo Dinitrogenase Ni2+ Urease Se Glutathione peroxidase Zn2+ Carbonic anhydrase , alcohol dehydrogenase, các carboxypeptidase A và B
102 Một số coenzyme và chức năng vận chuyển nhĩm tương ứng của chúng như sau: Biocytin CO2 Coenzyme A Nhĩm Acyl 5’- Deoxyadenosylcobalamin Nguyên tử H và nhĩm alkyl (coenzyme B12) Flavin adenine dinucleotide Điện tử Lipoate Điện tử và nhĩm acyl Nicotinamide adenine dinucleotide Ion Hydride (:H-) Pyridoxal phosphate Nhĩm Amino Tetrahydrofolate Nhĩm 1 Carbon Thiamine pyrophosphate Aldehyde 6.2. Cơ chế tác dụng Những quan điểm hiện nay nhằm giải thích cơ chế tác dụng của enzyme đều cho rằng khi enzyme (E) tưong tác với cơ chất (S) sẽ làm giảm năng lựợng hoạt hĩa các phản ứng hĩa sinh. Muốn làm giảm năng lượng hoạt hĩa các phản ứng enzyme cần trải qua nhiều giai đoạn trung gian và tạo thành phức chất nhất định giữa E và S. Khi kết hợp với phân tử enzyme, do kết quả của sự cực hĩa, sự chuyển dịch của các electron và sự biến dạng của các mối liên kết tham gia trực tiếp vào phản ứng sẽ làm thay đổi động năng và thế năng nên phân tử cơ chất trở nên hoạt động và dễ dàng tham gia phản ứng. Việc tạo thành phức hợp E-S giai đoạn đầu xảy ra rất nhanh và rất khơng bền. Do đĩ sau một thời gian dài mới được chứng minh bằng thực nghiệm. Bằng chứng rõ ràng nhất về sự tồn tại của phức hợp E-S là thành cơng của hai nhà hĩa sinh Nhật Bản K. Iaglu và T. Ozava là tách được phức E-S trong phản ứng khử amin bằng cách oxy hĩa (loại trừ nhĩm amine) một amino acid dãy D do oxydase xúc tác. Nhìn chung ta cĩ thể hình dung cơ chế tác dụng của enzyme lên cơ chất tạo sản phẩm bằng phương trình tổng quát như sau: E + S ' E – S P + E Giai đoạn 1: E kết hợp với S để tạo thành E-S. Giai đoạn này xảy ra rất nhanh, nhờ các liên kết khơng bền như liên kết hydro, tương tác tĩnh
103 diện, tương tác Van der Waals Mỗi loại liên kết địi hỏi những điều kiện khác nhau và chịu ảnh hưởng khác nhau khi cĩ nước. Giai đoạn 2: Sau khi tạo phức, cơ chất cĩ những biến đổi nhất định về mật độ điện tử, cấu hình làm cơ chất trở nên hoạt động hơn, phản ứng được dễ dàng để tạo thành sản phẩm P. Trong nhiều phản ứng do enzyme xúc tác cĩ 2 hay nhiều lọai cơ chất, ví dụ hexokinase xúc tác phản ứng: ATP + glucose hexokinase ADP + glucose 6 phosphate Cơ chế enzyme xúc tác cho phản ứng 2 cơ chất cĩ thể như sau: a/ Cơ chế tạo phức 3 thành phần S2 b/ Cơ chế khơng tạo phức 3 thành phần Đây là trường hợp cơ chất thứ 2(S2) chỉ kết hợp vào enzyme ( ở trạng thái E’) sau khi P1 được tạo thành. 6.3. Trung tâm hoạt động (TTHĐ) của enzyme Từ kết quả nghiên cứu về bản chất hố học, về cấu trúc trung tâm hoạt động , cơ chế tác động, về trung tâm hoạt động chúng ta cĩ thể cĩ một số nhận xét chung về trung tâm hoạt động như sau: - Là bộ phận dùng để liên kết với cơ chất. - Chỉ chiếm tỉ lệ rất bé so với thể tích tồn bộ của enzyme. - Gồm các nhĩm chức của amino acid ngồi ra cĩ thể cĩ cả các ion kim loại và các nhĩm chức của các coenzyme.
104 Đối với E một thành phần: TTHĐ chỉ gồm những nhĩm chức của các amino acid như nhĩm hydroxy của serin, carboxy của glutamic, vịng imidazol Các nhĩm chức của các amino acid cĩ thể xa nhau trong chuỗi polypeptide nhưng nhờ cấu trúc khơng gian nên nĩ gần nhau về mặt khơng gian. Đối với E hai thành phần: TTHĐ cũng như trên, các nhĩm chức của các amino acid tham gia tạo thành TTHĐ liên kết với nhau bằng các liên kết hydro. Ngồi ra trong TTHĐ của loại này cịn cĩ sự tham gia của coenzyme và cĩ thể cả ion kim loại. Theo Fisher TTHĐ cĩ cấu trúc cố định, khi kết hợp với cơ chất để tạo phức E-S ta cĩ thể hình dung giống như chìa khĩa và ổ khĩa. Ngày nay người ta đã chứng minh được rằng: TTHĐ của enzyme chỉ cĩ cấu tạo hồn chỉnh khi cĩ sự tương tác với cơ chất (thuyết tiếp xúc cảm ứng của Koshland). 6.4. Tính đặc hiệu của enzyme Người ta chia tính đặc hiệu ra làm 3 kiểu: + Đặc hiệu phản ứng + Đặc hiệu cơ chất + Đặc hiệu khơng gian a/ Đặc hiệu phản ứng: Đĩ là biểu hiện của một enzyme chỉ thường xuyên xúc tác cho một kiểu phản ứng nhất định, ví dụ vận chuyển hydro từ chất cho (rượu bậc nhất hay rượu bậc hai) đến chất nhận (NAD+ hay NADP+) hay chuyền nhĩm amin từ một amino acid đến một ceto acid. Các phản ứng loại thứ nhất do dehydrogenase xúc tác, cịn phản ứng loại thứ hai do aminotransferase xúc tác.
105 b/ Đặc hiệu cơ chất: Tuỳ mức độ người ta chia thành: đặc hiệu tương đối và đặc hiệu tuyệt đối + Đặc hiệu tuyệt đối: Enzyme chỉ tác dụng lên một cơ chất nhất định, một ví dụ cĩ tính chất kinh điển về chuyên hố tuyệt đối là urease, enzyme chỉ phân giải ure: Hằng trăm thí nghiệm trên các dẫn xuất của ure đều cho thấy chúng khơng bị phân giải dưới tác động của urease. Thực ra người ta đã phát hiện khả năng phân giải cơ chất hydroxyure nhưng với tốc độ bé hơn khoảng 120 lần. + Đặc hiệu nhĩm tuyệt đối: Các enzyme này chỉ tác dụng lên những chất cĩ cùng một kiểu cấu trúc phân tử, một liên kết và cĩ những yêu cầu xác định đối với nhĩm nguyên tử đối vơi nhĩm nguyên tử ở gần liên kết chịu tác dụng. ví dụ : maltase chỉ phân giải liên kết glucosidic được tạo thành từ glucoside của glucose với -OH của monose khác. + Đặc hiệu nhĩm tương đối: Các enzyme khơng cĩ những yêu cầu đối vơi nhĩm chức ở gần liên kết chịu tác dụng. ví dụ lipase thuỷ phân lipid. c/ Đặc hiệu khơng gian: Các enzyme chỉ xúc tác cho một dạng đồng phân nào đĩ như dạng L hay dạng D, dạng cis hay trans mà thơi. 6.5. Các yều tố ảnh hưởng đến tốc độ của phản ứng enzyme 6.5.1. Ảnh hưởng của nồng độ enzyme Trong điều kiện dư thừa cơ chất, nghĩa là [S] >>>[E] thì tốc độ phản ứng phụ thuộc vào [S], v= K[E] cĩ dạng y = ax. Nhờ đĩ người ta đã đo [E] bằng cách đo vận tốc phản ứng do enzyme đĩ xúc tác. Cĩ nhiều trường hợp trong mơi trường cĩ chứa chất kìm hãm hay hoạt hố thì vận tốc phản ứng do enzyme xúc tác khơng phụ thuộc tuyến tính với [E] đĩ. v [E] Hình 6.1: Sự phụ thuộc của vận tốc phản ứng vào [E] 6.5.2 Ảnh hưởng của nồng độ cơ chất [S] Ta khảo sát trường hợp đơn giản nhất : chỉ một cơ chất.
106 (1) Gọi v1 là vận tốc của phản ứng tạo thành phức chất ES. Gọi v-1 là vận tốc của phản ứng phân ly phức chất ES để tạo thành E và S Gọi v2 là vận tốc của phản ứng tạo thành E và P (sản phẩm). v 1 = k1[E][S] v -1 = k-1[ES] v 2 = k2[ES] Khi hệ thống đạt trạng thái cân bằng ta cĩ: k-1[ES]+k2[ES] = k1[E][S] (k-1+k2)[ES] = k+1[E][S] (2) G ọi E0 là nồng độ ban đầu: [E0]=[E]+[ES]=>[E]=[E0]-[ES] (3) Thay trị số [E] từ (3) vào (2) ta cĩ: (k-1+k2)[ES] = k1([E0]-[ES]) [S] k1 [E0] [S] [ES] = k-1+ k2+k1[S] Nếu đặt Km= k-1+k2/ k1 (Km: gọi là hằng số Michaelis Menten). Ta cĩ : [ES] = [E0][S]/ Km+[S] M ặt khác vận tốc phản ứng tạo thành sản phẩm P là: V = k2[ES] Thay [ES] bằng giá trị ở trên ta thu được: k2[E0] [S] v = (4) Km + [S]
107 Qua đây ta thấy nồng độ enzyme càng cao thì vận tốc phản ứng enzyme càng lớn. Vận tốc đạt cực đại khi tồn bộ enzyme liên kết với cơ chất, nghĩa là: Vmax= k2[E0] Thay vào phương trình (4) ta được: [S] v = Vmax (5) Km+ [S] Phương trình (5) gọi là phương trình Michaelis Menten. Km gọi là hằng số Michaelis Menten đặc trưng cho mỗi enzyme Km đặc trưng cho ái lực của enzyme với cơ chất, Km cĩ trị số càng nhỏ thì ái lực của enzyme với cơ chất càng lớn, nghĩa là vận tốc của phản ứng do enzyme xúc tác càng lớn. [S] Hình 6.2. Biến thiên vận tốc phản ứng theo nồng độ cơ chất. Khi tăng [S] thì v phản ứng tăng, tăng [S] đến một giá trị nào đĩ thì v đạt đến giá trị vmax và sẽ khơng tăng nữa nếu ta vẫn tiếp tục tăng [S]. Khi Km=[S] thì v =1/2 Vmax Năm 1934. Lineweaver và Burk, trên cơ sở của phương trình (5) đã nghịch đảo để biến thành dạng đường thẳng y=ax+b, nĩ cĩ ý nghĩa lớn đối với việc nghiên cứu kìm hãm enzyme.
108 1/v 1/Vmax -1/Km 1/[S] Hình 6.3: Sự phụ thuộc của tốc độ phản ứng vào nồng độ cơ chất theo Lineweaver-Burk 6.5.3. Ảnh hưởng của chất kìm hãm (inhibitor) Là chất cĩ tác dụng làm giảm hoạt độ hay làm enzyme khơng cịn khả nâng xúc tác biến cơ chất thành sản phẩm. Kìm hãm enzyme cĩ thể thực hiện bằng nhiều cách khác nhau (thuận nghịch hay khơng thuận nghịch). Thuận nghịch cĩ: Cách 1: Kìm hãm cạnh tranh (competitive inhibition) Trong trường hợp kìm hãm cạnh tranh là cơ chất và chất kìm hãm đều tác dung lên trung tâm hoạt động của enzyme, Chất kìm hãm chốn chổ của cơ chất ở enzyme. Hình 6.4. Kiểu kìm hãm cạnh tranh Khi cơ chất dư thùa, nồng độ chất kìm hãm thấp thì cĩ thể loại bỏ tác dụng của chất kìm hãm, cịn nồng độ cơ chất thấp và nồng độ chất kìm hãm cao thì lại cĩ tác dụng kìm hãm hồn tồn. 1/v= (αKm/Vmax) 1/S +1/Vmax α = 1+[I]/KI
109 1/v [I] 1/Vmax Khơng cĩ chất kìm hãm 1/[S] Hình 6. 5. Sự phụ thuộc của tốc độ phản ứng vào nồng độ cơ chất theo Lineweaver-Burk khi cĩ kìm hãm cạnh tranh Người ta thấy kìm hãm như vậy phần lớn xẩy ra giữa chất kìm hãm và cơ chất cĩ sự tương đồng về mặt hố học. ví dụ: malic acid cĩ cấu trúc gần giống với succinic acid nên kìm hãm cạnh tranh enzyme succinatedehydrogenase, là enzyme xúc tác cho sự biến đổi succinic acid thành acid fumaric acid. Trường hợp đặc biệt của kìm hãm cạnh tranh là kìm hãm bằng sản phẩm. Trường hợp này xẩy ra khi một sản phẩm phản ứng tác dụng trở lại enzyme và chốn vị trí hoạt động ở phân tử enzyme. Đường thẳng cĩ chất kìm hãm thì cĩ độ xiên lớn hơn và cắt trục tung ở một điểm là 1/Vmax Cách 2: Kìm hãm phi cạnh tranh (uncompetitive inhibition) Đặc trưng của kiểu kìm hãm này là chất kìm hãm chỉ liên kết với phức hợp ES, mà khơng liên kết với enzyme tự do.
110 Hình 6.6. Kiểu kìm hãm phi cạnh tranh 1/v=(Km/Vmax)1/[S] + α’/Vmax 1/v [I] -1/Km khơng cĩ chất kìm hãm 1/[S] Hình 6.7. Sự phụ thuộc của tốc độ phản ứng vào nồng độ cơ chất theo Lineweaver-Burk khi cĩ kìm hãm phi cạnh tranh
111 Cách 3: Kìm hãm hỗn tạp( mixed inhibition ) Hình 6.8. Kiểu kìm hãm hỗn tạp Trong đĩ, chất kìm hãm khơng những liên kết với enzmye tự do mà cịn liên kết với cả phức hợp ES tạo thành phức hợp EIS khơng tạo được sản phẩm P. Tương tự như trên ta cĩ phương trình : 1/v= (αKm/Vmax)1/[S] +α’/vmax 1/v [I] 1/Vmax khơng cĩ chất kìm hãm 1/[S] Hình 6.9. Sự phụ thuộc của tốc độ phản ứng vào nồng độ cơ chất theo Lineweaver-Burk khi cĩ kìm hãm hỗn tạp
112 Các giá trị α ,α’ được định nghĩa như trên. Trường hợp α = α’ gọi là kìm hãm khơng cạnh tranh (noncompetitive inhibition). Một trường hợp kìm hãm cịn gặp nữa là kìm hãm enzyme bằng nồng độ cao của cơ chất gọi là “kìm hãm cơ chất” như kìm hãm urease khi nồng độ ure cao, ngồi ra cịn cĩ các enzyme khác như lactatdehydrogenase, carboxypeptidase, lipase, pyrophotphatase, photphofructokinase (đối với ATP). Nguyên nhân của những hiện tượng này cĩn chưa được biết rõ. Đĩ cĩ thể là: + Tồn tại nhiều trung tâm liên kết với cơ chất bằng các ái lực khác nhau. Khi nồng độ cơ chất thấp thì enzyme cĩ thể chỉ liên kết với một phân tử cơ chất, cịn khi ở nồng độ cơ chất cao nĩ liên kết với nhiều cơ chất dẫn đến hình thành phức hợp ES khơng hoạt động. + Cơ chất cũng cĩ thể được liên kết nhờ những vị trí đặc biệt của enzyme. Đĩ là một nhĩm enzyme quan trọng (enzyme dị lập thể) bên cạnh trung tâm xúc tác cịn cĩ trung tâm điểu chỉnh. + Cơ chất cĩ thể liên kết với một chất hoạt hố và bằng cách này nĩ tách khỏi E. + Cơ chất cĩ thể chốn chổ (ngăn cản) một cofactor ( đồng yếu tố ) hay một coenzyme. + Cơ chất cĩ thể ảnh hưởng đến ion lực của mơi trường và qua đĩ làm mất đi tình chuyên hố của enzyme. 6.5.4. Ảnh hưởng của chất hoạt hĩa (activator) Là chất làm tăng khả năng xúc tác nhằm chuyển hĩa cơ chất thành sản phẩm. Thơng thường là những cation kim loại hay những hợp chát hữu cơ như các vitamin tan trong nươc. Ví dụ: Mg++ hoạt hĩa các enzyme mà cơ chất đã được phosphoryl hĩa như pyrophosphatase (cơ chất là pyrophosphate), adenosinetriphosphatase (cơ chất là ATP). Các cation kim loại cĩ thể cĩ tính đặc hiệu, tính đối kháng và tác dụng cịn tuỳ thuộc vào nồng độ. 6.5.5. Ảnh hưởng cuả nhiệt độ Ta cĩ thể tăng vận tốc của một phản ứng hĩa học bằng cách tăng nhiệt độ mơi trừơng, hiện tượng này tuân theo quy luật Vant’-Hoff. Điều này cĩ nghĩa khi tăng nhiệt độ lên 100C thì tốc độ phản ứng tăng lên khỏang 2 lần. Đối với phản ứng do enzyme xúc tác cũng cĩ thể áp dụng được quy luật này nhưng chỉ trong một phạm vi nhất định,vì bản chất enzyme là protein.Khi ta tăng nhiệt độ lên trên 40-500C xảy ra quá trình phá huỷ chất
113 xúc tác. Sau nhiệt độ tối ưu tốc độ phản ứng do enzyme xúc tác sẽ giảm. Nhờ tồn tại nhiệt độ tối ưu người ta phân biệt phản ứng hố sinh với các phản ứng vơ cơ thơng thường. M ỗi enzyme cĩ một nhiệt độ tối ưu khác nhau, phần lớn phụ thuộc nguồn cung cấp enzyme, thơng thường ở trong khoảng từ 40-600C , cũng cĩ enzyme cĩ nhiệt độ tối ưu rất cao như các enzyme của những chủng ưa nhiệt. Các chủng vi sinh vật ưa nhiệt, đăc biệt các vi khuẩn chịu nhiệt cĩ chứa enzyme chịu nhiệt cao. Họat độ nhiệt độ Hình 6.10. Ảnh hưởng của nhiệt độ lên họat độ enzyme 6.5.6. Ảnh hưởng của pH Sự phân li khác nhau của một phân tử protein ở các giá trị pH khác nhau làm thay đổi tính chất của trung tâm liên kết với cơ chất và tính chất hoạt động của phân tử enzyme.Điều này dẩn đến giá trị xúc tác khác nhau phụ thuộc vào giá trị pH. Như đã biết mỗi enzyme cĩ một pH tối ưu,mỗi enzyme cĩ đường biểu diễn ảnh hưởng pH lên vận tốc phản ứng do chúng xúc tác. Đường biểu diễn cĩ dạng như hình sau: Họat độ Hình 6.10. Ảnh hưởng của pH lên họat độ enzyme
114 Ảnh hưởng của giá trị pH đến tác dụng enzyme cĩ thể do các cơ sở sau: a/ Enzyme cĩ sự thay đổi khơng thuận nghịch ở phạm vi pH cực hẹp. b/ Ở hai sườn của pH tối ưu cĩ thể xảy ra sự phân ly nhĩm prosthetic hay coenzyme. c/ Làm thay đổi mức ion hố hay phân ly cơ chất. d/ Làm thay đổi mức ion hố nhĩm chức nhất định trên phân tử enzyme dẫn đến làm thay đổi ái lực liên kết của enzyme với cơ chất và thay đổi hoạt tính cực đại. Nhờ xác định Vmax và Km phụ thuộc giá trị pH cho phép nhận định lại bản chất của các nhĩm tham gia vào liên kết cơ chất và quá trình tự xúc tác. 6.5.7. Các yếu tố khác + Ánh sáng: Cĩ ảnh hưởng khác nhau đến từng loại enzyme, các bước sĩng khác nhau cĩ ảnh hưởng khác nhau, thường ánh sáng trắng cĩ tác động mạnh nhất, ánh sáng đỏ cĩ tác động yếu nhất. Ánh sáng vùng tử ngoại cũng cĩ thể gây nên những bất lợi, enzyme ở trạng thái dung dịch bền hơn khi được kết tinh ở dạng tinh thể, nồng độ enzyme trong dung dịch càng thấp thì càng kém bền, tác động của tia tử ngoại sẽ tăng lên khi nhiệt độ cao. Ví dụ dưới tác động của tia tử ngoại ở nhiệt độ cao enzyme amylase nhanh chĩng mất hoạt tính. + Sự chiếu điện: Điện chiếu với cường độ càng cao thì tác động phá huỷ càng mạnh. Tác động sẽ mạnh hơn đối với dịch enzyme cĩ nồng độ thấp. Cĩ thể do tạo thành những gốc tự do, từ đĩ tấn cơng vào phản ứng enzyme. + Sĩng siêu âm: Tác động rất khác nhau đối với từng loai enzyme, cĩ enzyme bị mất hoạt tính, cĩ enzyme lại khơng chịu ảnh hưởng. Nhận xét chung: Độ bền phụ thuộc vào trang thái tồn tại của enzyme, càng tinh khiết thì enzyme càng kém bền, dịch càng lỗng thì độ bền càng kém, tác động của một số ion kim loại trong dịch với nồng độ khoảng 10-3M như Ca++ làm tăng tính bền. Enzyme allosteric ( Enzyme dị lập thể, dị khơng gian) Cho đến nay, người ta mơ tả enzyme mà họat tính enzyme phụ thuộc nồng độ cơ chất khơng cĩ dạng hyperbol mà cĩ dạng sigmoid là enzyme allosteric (Hình 6.11 ):
115 Hình 6.11. Biến thiên vận tốc phản ứng theo nồng độ cơ chất Đối với enzyme này, khi nồng độ cơ chất thấp thì tốc độ phản ứng tăng chậm, sau đĩ tiếp tục tăng nồng độ thì tốc độ nhanh chĩng đạt giá trị cực đại. Như ta đã biết, enzyme tuân theo động học Michaelis-Menten thì 1 hay nhiều cơ chất cũng chỉ liên kết vào 1 vị trí trên phân tử enzyme, điều này sẽ dẫn đến enzyme bão hịa cơ chất. Cịn enzyme cĩ đường cong tốc độ sigmoid chỉ xuất hiện khi enzyme là một oligomer, nên cĩ thể liên kết với nhiều phân tử cơ chất. Điều này cĩ nghĩa trên enzyme allosteric cĩ nhiều trung tâm liên kết, mỗi monomer cĩ 1 trung tâm liên kết. Người ta cho rằng, trong trường hợp này cĩ tính hợp tác giữa các vị trí liên kết cơ chất trong phân tử enzyme oligomer. Các enzyme oligomer này được Monod gọi là allosteric enzyme dị lập thể (allosteric enzyme). Đường cong tốc độ sigmoid cĩ thể bị chất điều hịa (modulator) đẩy về phía trái hay phải. Chất điều hịa dương tức làm tăng ái lực của enzyme allosteric với cơ chất, ngược lại là chất điều hịa âm. Các chất điều hịa cĩ thể làm ảnh hưởng khác nhau đến các thơng số động học, làm thay đổi giá trị riêng lẻ một trong hai giá trị Km hay Vmax. Hình 6.12 Minh họa khi cĩ modulator
116 6.6. Cách gọi tên và phân loại enzyme Như ta đã biết mỗi enzyme xúc tác cho mỗi kiểu phản ứng hố học duy nhất (như oxy hố một kiểu cơ chất nhất định, thuỷ phân một kiểu liên kết nhất định,vận chuyển một nhĩm chất nhất định từ một chất cho đến một chất nhận cĩ địa chỉ, trong đĩ cĩ cả việc biến đổi chỉ một cơ chất duy nhất), mặt khác cịn cĩ một kiểu phản ứng hố sinh nhất định cĩ thể được xúc tác bằng các enzyme khác nhau. D ựa vào tính đặc hiệu phản ứng của enzyme, năm 1961 tiểu ban enzyme học quốc tế đã trình bày một báo cáo, trong đĩ cĩ đề nghị những nguyên tắc định tên và phân loại enzyme. Người ta chia enzyme ra làm 6 lớp: 1. Oxydoreductase: các enzyme xúc tác cho các phản ứng oxi hố-khử. 2. Transferase: các enzyme xúc tác cho các phản ứng chuyển vị. 3. Hydrolase: các enzyme xúc tác cho các phản ứng thủy phân. 4. Lyase: các enzyme xúc tác cho các phản ưng phân cắt khơng cần nước. 5. Isomerase: các enzyme xúc tác cho các phản ứng đồng phân hố. 6. Ligase (synthetase): các enzyme xúc tác cho các phản ứng tổng hợp cĩ sử dụng liên kết giàu năng lượng của ATP .v.v. Mỗi lớp chia thành nhiều tổ (dưới lớp), mỗi tổ chia thành nhiều nhĩm (siêu lớp). Tên enzyme thường được gọi: Tên cơ chất đặc hiệu - loại phản ứng xúc tác cộng thêm tiếp vĩ ngữ ase. Đứng trước tên enzyme thường cĩ 4 con số: số thứ nhất chỉ lớp, số thứ hai chỉ tổ, số thứ ba chỉ nhĩm, số thứ tư chỉ số hạng enzyme trong nhĩm. Ví dụ: (2.6.1.1) L.aspartate: α-cetoglutarate aminotransferase. Enzyme này xúc tác cho phản ứng chuyển nhĩm amine từ L.aspartate đến α-cetoglutarate. L.aspartate +α-cetoglutarate ' oxaloacetate + glutamate 6.7. Các coenzyme quan trọng Nicotinamide adenine dinucleotide
117 Flavine adenine dinucleotide Lipoic acid Coenzyme A Biotin
118 Thiamin diphosphate (Nhĩm ε- amino protein, Schiff base) Pyridoxal phosphate Tetrahydrofolic acid
119 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu tiếng Việt 1. Phạm Thị Trân Châu, Trần thi Áng. 1999. Hố sinh học, NXB Giáo dục, Hà Nội. 2. Đỗ Quý Hai. 2004. Giáo trình Hĩa sinh đại cương, Tài liệu lưu hành nội bộ Trường ĐHKH Huế. 3. Trần Thanh Phong. 2004. Giáo trình Hĩa sinh đại cương, Tài liệu lưu hành nội bộ Trường ĐHKH Huế. 4. Lê Ngọc Tú (chủ biên), Lê Văn Chứ, Đặng Thị Thu, Phạm Quốc Thăng Nguyễn Thị Thịnh, Bùi Đức Hợi, Lưu Duẫn, Lê Dỗn Diên, 2000. Hĩa sinh Cơng nghiệp, Nxb KH&KT, Hà Nội. Tài liệu tiếng Anh 1. Bergmeyer H. U. 1968. Methods of enzymatic analysis, translated from the third German edition, Acanamic, New York. 2. Copeland R. A. 2000. Enzymes, copyright by Wiley-VCH, Inc. 3. Lehninger A. L. 2004. Principles of Biochemistry, 4th Edition. W.H Freeman. 4. Mikkelsen S. R. 2004. Bioanalytical chemistry, copyright by John Wiley & Sons, Inc.
120 Chương 7 Hormone 7.1. Cơ chế tác dụng của hormone Hormone là những chất hữu cơ được tạo thành trong cơ thể cĩ tác dụng điều hồ các hoạt động sống trong cơ thể. Lượng hormone trong cơ thể thường rất thấp. Hormone cĩ cả ở thực vật và động vật. Ở động vật hormone được sản xuất tại các tuyến nội tiết và tác động đến các mơ khác nơi nĩ được tạo ra. Hormone từ tuyến nội tiết được tiết trực tiếp vào máu và được máu vận chuyển đến các mơ chịu tác dụng. Hormone cĩ tính đặc hiệu. Hormone cĩ tác dụng điều hồ các quá trình sinh lý, hố sinh trong cơ thể mà khơng tham gia trực tiếp vào các phản ứng của cơ thể. Hormone cĩ tác động đến tốc độ sinh tổng hợp protein, enzyme, ảnh hưởng đến tốc độ xúc tác của enzyme; thay đổi tính thấm của màng tế bào, qua đĩ điều hồ hoạt động sống xảy ra trong tế bào. Một số hormone tác động đến cơ thể thơng qua chất trung gian AMP vịng. AMP vịng là chất truyền tin thứ 2, cịn hormone là chất truyền tin thứ nhất. Theo cơ chế này tác dụng của hormone lên tế bào đích xảy ra qua nhiều giai đoạn khá phức tạp. - Trong màng nguyên sinh chất của tế bào cĩ chứa chất nhận hormone, chất này sẽ kết hợp đặc hiệu với hormone. - Sự kết hợp đĩ kích thích làm tăng hoạt độ của adenylatcyclase xúc tác cho phản ứng chuyển hố ATP thành AMP vịng. - Adenylatcyclase xúc tác cho phản ứng chuyển hố ATP thành AMP vịng. - AMP vịng làm thay đổi vận tốc của các quá trình xảy ra trong tế bào liên quan đến hoạt động của hormone. - Như vậy tác dụng của hormone theo cơ chế này phải thơng qua AMP vịng mà khơng tác động trực tiếp vào tế bào. - Quá trình hoạt hố adenylatcyclase bởi phức hormone-chất nhận được thực hiện qua chất trung gian là protein G. Phân tử protein này cĩ khả năng kết hợp với GDP hay GTP. Dạng phức protein G-GTP cĩ tác dụng hoạt hố adenylatcyclase, cịn protein G-GDP khơng cĩ tác dụng này. Như vậy muốn chuyển sang dạng hoạt động phải cĩ sự tham gia của GTP, nếu là protein G-GDP cần cĩ sự thay thế GDP bằng GTP nhờ phức
121 hormone-chất nhận xúc tác. Dịng thơng tin đã được truyền từ chất nhận hormone đến protein G rồi đến adenylatcyclase. - Protein G khơng chỉ cĩ vai trị trung gian mang thơng tin từ chất nhận hormone đến adenylatcyclase mà cịn cĩ hoạt tính của GTPase, đĩ là khả năng thuỷ phân GTP. Nhờ khả năng đĩ nên nĩ xúc tác cho quá trình chuyển phức proteinG-GTP hoạt động thành dạng proteinG-GDP khơng hoạt động do thuỷ phân GTP trong phức proteinGTP thành GDP tạo nên phức proteinG-GDP. Bằng cơ chế đĩ protein G cĩ vai trị quan trọng trong quá trình hoạt hố hay phản hoạt hố adenylatcyclase. Khi lượng hormone giảm adenylatcyclase trở thành dạng khơng hoạt động. - Nhiều hormone cĩ cơ chế tác động thơng qua vai trị trung gian của AMP vịng. Như vậy AMP vịng tham gia vào nhiều quá trình khác nhau trong cơ chế tác động của hormone. Đĩ là do AMP vịng cĩ tác dụng hoạt hố proteinkinase là enzyme xúc tác quá trình photphoryl hố nhiều loại protein khác nhau. Thường các protein enzyme ở dạng phosphoryl hố là dạng cĩ hoạt tính sinh học. - Các hormone tác dụng theo cơ chế qua AMP vịng, tín hiệu được khuyếch đại lên nhiều lần, do vậy nồng độ các hormone trong máu rất thấp, chỉ khoảng 10-10M, nhưng chỉ cần hoạt hố được một phân tử adenylatcyclase đã cĩ thể tạo ra được nhiều phân tử AMP vịng nên nồng độ AMP vịng trong tế bào đích cao hơn nhiều lượng hormone trong máu. Tác dụng hoạt hố proteinkinase nhờ AMP vịng lại làm cho tín hiệu được khuyếch tán tiếp tục vì nhiều phân tử protein được hoạt hố nhờ proteinkinase. Điều đĩ giải thích được tại sao nồng độ hormone trong máu rất thấp mà tác dụng kích thích của nĩ lại rất mạnh. - Một cơ chế tác động thứ hai của hormone là khơng qua AMP vịng.Insulin là hormone tác động đến tế bào đích khơng qua bước trung gian là làm tăng lượng AMP vịng. Insulin liên kết chặt chẻ với chất nhận đặc hiệu của nĩ trên màng nguyên sinh chất của tế bào đích. Tương tác giữa Insulin và chất nhận bảo đảm cho tác động của Insulin được thể hiện nhanh chĩng. Insulin cịn cĩ tác dụng phosphoryl hố protein tham gia vào cơ chế kích thích quá trình trao đổi glycogen. - Cơ chế tác dụng của các hormone thực vật hồn tồn khác hormone động vật. Các hormone thực vật tác động lên hoạt tính các enzyme bằng cách liên kết với enzyme để tạo phức hoạt động. Khi liên kết với hormone hoạt tính của enzyme được tăng lên. - Hormone thực vật cịn làm thay đổi tính chất của màng cellulose, màng nguyên sinh qua đĩ tác động kích thích quá trình sinh trưởng của tế bào.
122 - Một cơ chế tác động quan trọng nữa của hormone thực vật là thay đổi tính chất của nguyên sinh chất của tế bào, từ đĩ ảnh hưởng đến các hoạt động sinh lý, trao đổi chất của tế bào 7.2. Các hormone quan trọng 7.2.1. Hormone động vật - Hormone động vật cĩ nhiều loại với cấu tạo và chức năng rất khác nhau. Dựa vào cấu tạo hố học cĩ thể chia hormone động vật thành 3 nhĩm: - Hormone steroid là dẫn xuất của cholesterol. - Hormone là dẫn xuất của amino acid. - Hormone là peptide hay protein. 7.2.1.1. Hormone là steroid - Đây là nhĩm hormone cĩ số lượng lớn, cĩ vai trị quan trọng và đa dạng. Người ta chia steroid thành 5 nhĩm nhỏ với nhiều loại khác nhau: T Nơi tạo Nhĩm Đại diện Vai trị T thành -Thể vàng Hormone dưỡng thai 1 Progestagen Progesterol -Vỏ thượng giúp trứng phát triển thận - Kích thích tổng hợp glycogen và tích luỹ glycogen ở gan. Vỏ thượng Glucocorticoid Cortisol - Kích thích phân giải thận 2 protein, lipid. - Chống viêm, tích nước muối. - Tăng hấp thụ Na+, Cl- Vỏ thượng Mineral corticoid Andosterol - Tăng tích nước. 3 thận - Bài tiết K+ Phát triển các đặc điểm 4 Androgen Testosterol Tinh hồn của nam giới. - Phát triển các đặc điểm nữ giới. Estrogen Estron Buồng trứng 5 - Phát triển niêm mạc dạ con.
123 7.2.1.2. Hormone là dẫn xuất amino acid Đến nay người ta đã biết một số hormone là dẫn xuất amino acid như adrenaline, noradrenaline, thyroxine - Adrenaline và noradrenaline là các hormone do tuyến thượng thận tạo ra. Các hormone này cĩ tác dụng kích thích sự phân giải glycogen, làm giảm sự tổng hợp glycogen nên làm tăng hàm lượng glucose trong máu. . OH HO CHOH - CH2 - NH - CH3 Adrenaline OH HO CHOH - CH2 - NH2 Noradrenaline Thiroxine là hormone do tuyến giáp sản xuất cĩ tác dụng tăng cường quá trình trao đổi chất, giúp cho cơ thể phát triển bình thường. Nếu thiếu thyroxine gây nên trạng thái thiểu năng tuyến giáp làm cho cơ thể lùn, kém phát triển, đần độn. Ngược lại nếu thừa thyroxine cũng gây bệnh là ưu năng tuyến giáp làm cho người cao quá khổ, khơng cân đối. I I NH2 HO CH2 - CH COOH I O I Thyroxine (Tetraiodothyronine)
124 Đây là nhĩm hormone cĩ vai trị quan trọng trong quá trình điều hồ trao đổi chất trong cơ thể, đặc biệt là điều hồ lượng đường trong máu. Một số hormone là peptide: STT Hormone Nơi tạo ra Vai trị 1 Tyrocalcitonin Tuyến giáp Giảm hàm lượng Ca++ trong máu 2 Insulin Tuyến tụy Giảm lượng đường trong máu 3 Glucagon Tuyến tụy Tăng lượng đường trong máu 4 Oxytoxin (HGF) Tuyến yên Gây co dạ con, kích thích đẻ 5 Vasopressin (ADH) Tuyến yên Tăng áp, chống bài tiết 6 Melanotropin (MSH) Tuyến yên Kích thích tăng sắc tố da 7 Somatotropin (STH) Tuyến yên Kích thích tăng trưởng, tăng TĐC 8 Corticotropin (ACTH) Tuyến yên Kích thích tuyến trên thận 9 Thyreotropin (TSH) Tuyến yên Kích thích tuyến giáp 10 Kích nang tố (FSH) Tuyến yên Kích thích tạo estradiol Sau đây sẽ đề cập đến một số hormone trong nhĩm này: - Insulin: Insulin được tiết từ tế bào beta của đảo Langẻhan của tuyến tụy khi lượng đường trong máu cao. Insulin kích thích các quá trình tổng hợp, kìm hãm các quá trình phân giải glycogen ở gan, mơ mỡ. Insulin cịn kích thích sự phân giải glucose. Nhờ đĩ insulin làm giảm lượng đường trong máu, do đĩ chống lại bệnh đái tháo đường. Insulin cĩ khối lượng phân tử là 5800. Cấu tạo insulin gồm 2 chuỗi polypeptide: chuỗi A cĩ 21 amino acid, chuỗi B cĩ 30 amino acid. Hai chuỗi liên kết với nhau bằng 2 liên kết disunfit. Tiền chất của insulin là proinsulin và preproinsulin.Từ preproinsulin biến đổi thành proinsulin, sau đĩ insulin được tạo nên từ proinsulin. - Glucagon là hormone peptide, cĩ tác dụng ngược với insulin. Khi lượng đường trong máu giảm qúa mức cho phép thì tuyến tuỵ sản sinh ra glucagon cĩ tác dụng làm tăng lượng đường trong máu nhờ kìm hãm quá trình tổng hợp glycogen. Glucagon cĩ khối lượng phân tử 3.500, bao gồm 29 gốc amino acid tạo chuỗi polypeptide mạch thẳng.
125 7.2.2. Hormone thực vật Hormone thực vật là các chất cĩ vai trị quan trọng trong quá trình sinh trưởng, phát triển của thực vật. Cĩ nhiều loại hormone khác nhau trong cơ thể thực vật. Các loại hormone này khác nhau về bản chất hố học, về vai trị đối với thực vật. Cĩ thể chia hormone thực vật thành 5 nhĩm: - Auxin. - Gibberellin. - Cytokinin. - Absisic acid. - Ethylen. 7.2.2.1. Auxin Auxin là nhĩm hormone quan trọng, phổ biến nhất ở thực vật. Cĩ nhiều loại auxin khác nhau với cấu trúc hố học khác nhau. Loại auxin quan trọng nhất là β-indol-acetic acid (IAA), ngồi ra một số auxin khác cũng khá phổ biến là napthalen-acetic acid (NAA), phenyl-acetic acid (PAA) CH -COOH CH -COOH 2 2 CH2-COOH N H IAA NAA PAA Auxin cĩ vai trị nhiều mặt đối với thực vật: - Kích thích sự sinh trưởng tế bào, từ đĩ kích thích sự sinh trưởng các cơ quan và tồn cơ thể. - Cĩ vai trị quyết định hiện tượng ưu thế đỉnh. - Cĩ vai trị quyết định các cử động sinh trưởng như hướng sáng, hướng trọng lực. - Kích thích quá trình nảy mầm, rút ngắn thời kỳ ngủ của hạt, củ. - Ức chế sự rụng lá, kích thích sự tạo quả.
126 - Kích thích các hoạt động sinh lý, các quá trình trao đổi chất và năng lượng của cơ thể. 7.2.2.2. Gibberellin Gibberellin là nhĩm hormone quan trọng thứ hai ở thực vật. Gibberellin được các nhà khoa học Nhật phát hiện lần đầu tiên ở lồi nấm gây bệnh lúa von (Gibberellin fujcoroi). Cĩ nhiều loại Gibberellin khác nhau, đến nay đã tìm thấy hơn 70 loại Gibberellin cĩ mặt ở thực vật, vi sinh vật. Người ta đặt tên các Gibberellin theo thứ tự thời gian phát hiện GA1. GA2 GAn, trong đĩ quan trọng nhất cĩ thể kể đến là GA3. Các Gibberellin đều là dẫn xuất của vịng gibban. O C = O HO OH CH3 COOH CH2 Cấu tạo GA 3 Gibberellin cĩ vai trị quan trọng trong quá trình sinh trưởng, phát triển của thực vật: - Kích thích sự sinh trưởng của tế bào, qua đĩ kích thích sự sinh trưởng của các cơ quan và cơ thể. - Kích thích quá trình nảy mầm, phá trạng thái ngủ của hạt, củ. - Kích thích sự ra hoa của cây ngày dài. - Kích thích các hoạt động sinh lý, các quá trình trao đổi chất và năng lượng của cơ thể. 7.2.2.3. Cytokinin Cytokinin là các dẫn xuất của base Adenine. Cĩ nhiều loại cytokinin khác nhau, quan trọng nhất là kinetin và zeatin.
127 HN - CH2 CH OH O 2 HN - CH2- CH = CH CH 3 N N N N N N H N N H N Kinetin Zeatin Xitokinin tham gia và nhiều hoạt động sống quan trọng của thực vật: - Kích thích sự phân bào qua đĩ kích thích sự sinh trưởng của tế bào. - Làm chậm quá trình hố già của tế bào, mơ. - Giúp cho thực vật chống lại các stress của mơi trường cĩ hiệu quả. - Là thành phần cấu tạo của nucleic acid (trong một số loại RNA) nên cĩ vai trị trong quá trình trao đổi nucleic acid và protein. - Kích thích các hoạt động sinh lý, các quá trình trao đổi chất và năng lượng của cơ thể. 7.2.2.4. Absisic acid Acid absisic (ABA) là nhĩm chất ức chế sinh trưởng cĩ tác dụng ngược lại 3 nhĩm chất trên. Absisic acid là dẫn xuất của triterpen. CH3 CH3 CH3 OH COOH O CH3 ABA
128 Tác dụng chủ yếu của ABA là ức chế quá trình sinh trưởng của tế bào, gây hiện tượng rụng lá, rụng quả. ABA kéo dài thời gian ngủ của hạt, củ. Do ức chế sự sinh trưởng của thực vật nên ABA phối hợp với nhĩm chất kích thích sinh trưởng để điều hồ quá trình sinh trưởng của thực vật xảy ra cân đối. 7.2.2.5. Ethylen Ethylen (CH2 = CH2) là nhĩm hormone thực vật cĩ tác dụng gần giống ABA nên thuộc nhĩm chất ức chế sinh trưởng. Etylen thúc đẩy quá trình chín của quả, quá trình rụng lá. Khác với hormone động vật, hormone thực vật được tổng hợp trong các phần khác nhau của cây mà khơng cĩ các tuyến tiết chuyên biệt. Các hormone thực vật được tổng hợp ở các vùng khác nhau của cây. Auxin, gibberellin chủ yếu được tổng hợp tại các phần non của cây, nhất là vùng sinh trưởng như đỉnh sinh trưởng, tượng tầng Sau khi tổng hợp Auxin, gibberellin được vận chuyển trong các mơ dẫn hay qua hệ thống tế bào sống để đưa đến các vùng tác dụng. Hormone thực vật cũng khơng cĩ tế bào đích chuyên biệt như ở động vật mà tác động lên tồn cơ thể. Cytokinetin được tổng hợp mạnh ở phần rễ non, cịn absisic acid , ethylen lạị được tổng hợp nhiều ở các phần già của cây. Sau khi tổng hợp các hormone này cũng được vận chuyển đến các vùng khác nhau trong cơ thể để thực hiện các chức năng của chúng.
129 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu tiếng Việt 1. Trần Thị Ân (chủ biên). 1979. Hĩa sinh đại cương (tập I, II). NxB KH&KT. Hà Nội. 2. Phạm Thị Trân Châu, Trần Thị Áng. 2000. Hĩa sinh học. Nxb Giáo dục. Hà Nội. 3. Nguyễn Bá Lộc. 1997. Hĩa sinh. Nxb Giáo dục. Hà Nội Tài liệu dịch 1. Musil J.G., Kurz .K., Novakava .O. 1982 2. Sinh hĩa học hiện đại theo sơ đồ. Nxb Y học. Hà Nội. Tài liệu tiếng nước ngồi 1. Farkas G. 1984. Nưvényi anyagcsereélettan. Akadémiai Kiadĩ Budapest. 2. Lehninger A. L., 2004. Principle of Biochemistry, 4th Edition. W.H Freeman.
130 Chương 8 Khái niệm về sự trao đổi chất và trao đổi năng lượng Trao đổi chất và trao đổi năng lượng là bản chất của hoạt động sống của mọi cơ thể sinh vật, là biểu hiện tồn tại sự sống. Sự trao đổi chất của cơ thể luơn gắn liền với sự trao đổi và chuyển hĩa năng lượng. Chính vì vậy, trao đổi chất và trao đổi năng lượng là hai mặt của một quá trình liên quan chặt chẽ với nhau. 8.1. Khái niệm chung về sự trao đổi chất Cơ thể sống tồn tại, phát triển trong mơi trường và khơng ngừng liên hệ mật thiết với mơi trường đĩ. Nĩ hấp thụ các chất khác nhau từ mơi trường ngồi, làm biến đổi các chất đĩ và một mặt tạo nên các yếu tố cẩu tạo của bản thân cơ thể sống, mặt khác lại thải vào mơi trường ngồi các sản phẩm phân giải của chính cơ thể cũng như các sản phẩm hình thành trong quá trình sống của cơ thể. Quá trình đĩ thực hiện được là do các biến đổi hĩa học liên tục xảy ra trong cơ thể. Người ta gọi tồn bộ các biến đổi hĩa học đĩ là sự trao đổi chất. Sự trao đổi chất bao gồm nhiều khâu chuyển hĩa trung gian. Các quá trình này xảy ra phức tạp trong từng mơ, từng tế bào bao gồm 2 quá trình cơ bản là đồng hĩa (tổng hợp) và dị hĩa (phân giải) tạo nên chu kỳ trao đổi chất liên tục giữa chất nguyên sinh và chất nhận vào. Quá trình đồng hĩa là sự hấp thụ các chất mới từ mơi trường bên ngồi, biến đổi chúng thành sinh chất của mình; biến đổi các chất đơn giản thành chất phức tạp hơn, sự tích lũy năng lượng cao hơn. Đây là quá trình biến đổi các chất khơng đặc hiệu (các chất hữu cơ của thức ăn như glucid, lipid, protein) từ các nguồn khác nhau (thực vật, động vật, vi sinh vật) thành các chất hữu cơ khác (glucid, lipid, protein) đặc hiệu của cơ thể. Đặc điểm của quá trình này là thu năng lượng. Năng lượng cần thiết cung cấp cho các phản ứng tổng hợp trên chủ yếu ở dạng liên kết cao năng của ATP. Quá trình dị hĩa là quá trình ngược lại của quá trình đồng hĩa, là sự biến đổi các chất phức tạp thành các chất đơn giản và giải phĩng năng lượng cần thiết cho hoạt động sống. Như vậy đây là quá trình phân giải các chất dự trữ, các chất đặc trưng của cơ thể thành các sản phẩm phân tử nhỏ khơng đặc trưng và cuối cùng thành những chất thải (CO2, H2O,
131 NH3 ) để thải ra mơi trường. Năng lượng được tích trữ trong ATP và được sử dụng cho nhiều phản ứng thu năng lượng khác. Hai quá trình đồng hĩa và dị hĩa xảy ra liên tục liên quan với nhau và khơng tách rời nhau. Quá trình đồng hĩa là quá trình địi hỏi năng lượng cho nên đồng thời phải xảy ra quá trình dị hĩa để cung cấp năng lượng cho quá trình đồng hĩa. Do đĩ sự trao đổi chất và trao đổi năng lượng là hai mặt của một vấn đề. Tùy theo kiểu trao đổi chất, người ta chia sinh vật ra thành hai nhĩm: nhĩm sinh vật tự dưỡng và nhĩm sinh vật dị dưỡng. Nhĩm sinh vật tự dưỡng bao gồm tất cả các sinh vật tự tổng hợp chất dinh dưỡng cần thiết cho chúng. Để tồn tại và phát triển, nhĩm này chỉ cần H2O, CO2, muối vơ cơ và nguồn năng lượng. Cĩ hai hình thức tự dưỡng. Đĩ là hình thức tự dưỡng quang hợp và hình thức tự dưỡng hĩa hợp. Hình thức đầu thể hiện ở cây xanh và vi khuẩn tía, vi khuẩn lưu huỳnh vốn dùng quang năng để tổng hợp chất hữu cơ. Hình thức sau được thể hiện ở một số vi khuẩn nhận năng lượng trong quá trình oxy hĩa các chất vơ cơ. Nhĩm sinh vật dị dưỡng bao gồm các sinh vật khơng cĩ khả năng tự tổng hợp chất dinh dưỡng từ các chất vơ cơ mà phải sống nhờ vào các chất dinh dưỡng của nhĩm sinh vật tự dưỡng tổng hợp nên. Như vậy, quá trình trao đổi chất của thế giới sinh vật liên quan chặt chẽ với nhau, tạo nên chu kỳ trao đổi chất chung. Glucid, lipid, O2 Ánh sáng protein Sinh vật Sinh vật tự dưỡng dị dưỡng CO2, H2O, muối chứa Nitrogen Ngồi cách chia trên, cũng theo kiểu trao đổi chất, người ta chia sinh vật thành hai nhĩm lớn: nhĩm hiếu khí (aerob) và nhĩm kỵ khí (anaerob).
132 Nhĩm hiếu khí là kiểu trao đổi chất mà các quá trình oxy hĩa cĩ sự tham gia của oxy khí quyển. Nhĩm kỵ khí là kiểu trao đổi chất mà các quá trình oxy hĩa khơng cĩ sự tham gia của oxy khí quyển. Đa số các sinh vật thuộc nhĩm hiếu khí. Nhĩm kỵ khí chỉ là một phần nhỏ của nhĩm sinh vật dị dưỡng bậc thấp. Tuy vậy, giữa các cơ thể hiếu khí và kỵ khí khơng cĩ ranh giới rõ ràng. Sinh vật hiếu khí biểu hiện rõ ràng nhất như người chẳng hạn cũng cĩ thực hiện một phần các quá trình trao đổi chất theo con đường kỵ khí (ví dụ như mơ cơ) Quá trình chuyển hĩa trong cơ thể sống mang tính thống nhất và riêng biệt. Các con đường chuyển hĩa lớn trong mọi cơ thể động vật, thực vật đơn bào, đa bào đều theo những giai đoạn tương tự nhau. Tuy vậy, nếu đi sâu vào từng mơ, cơ quan, cá thể từng lồi thì lại cĩ những nét riêng biệt. Các phản ứng hĩa học trong cơ thể xảy ra liên tục ở pH trung tính, 370C, dưới tác dụng xúc tác của enzyme. Ở động vật, các quá trình chuyển hĩa được điều khiển bởi hệ thống thần kinh 8.2. Khái niệm chung về trao đổi năng lượng và năng lượng sinh học Trao đổi chất luơn gắn liền với trao đổi năng lượng. Đối với cơ thể người, động vật và phần lớn vi sinh vật thì nguồn năng lượng duy nhất là năng lượng hĩa học của các chất trong thức ăn. Trong cơ thể, các chất dinh dưỡng chủ yếu và quan trọng là glucid, lipid và protein đều bị oxy hĩa. Lipid và glucid đi vào cơ thể bị “đốt cháy” sẽ sinh ra CO2, H2O và NH3, chất này tác dụng với CO2 chuyển thành carbamid (ure). Các quá trình oxy hĩa khử sinh học thuộc các phản ứng dị hĩa cĩ ý nghĩa rất quan trọng. Chúng khơng những chỉ là nguồn năng lượng quan trọng dùng để thực hiện các phản ứng tổng hợp khác nhau mà cịn là nguồn cung cấp các hợp chất trung gian dùng làm nguyên liệu cho các phản ứng tổng hợp và đĩng vai trị hết sức quan trọng trong việc liên hợp các quá trình trao đổi chất. Để tồn tại và phát triển, cơ thể cần phải được cung cấp liên tục năng lượng. Trong hoạt động sống của mình, cơ thể biến đổi năng lượng từ dạng này sang dạng khác và sự biến đổi năng lượng trong cơ thể sống cũng tuân theo các quy luật vật lý như sự biến đổi năng lượng ở giới vơ cơ.
133 So sánh về năng lượng sinh học và năng lượng kỹ thuật ta thấy cĩ những đặc điểm sau: thứ nhất, cơ thể khơng sử dụng nhiệt năng thành cơng cĩ ích được; thứ hai, sự giải phĩng năng lượng trong cơ thể là dần dần, từng bậc; thứ ba, sự giải phĩng năng lượng đi kèm theo sự phosphoryl hĩa nghĩa là năng lượng giải phĩng được cố định lại ở liên kết este với phosphoric acid trong phân tử ATP vốn được gọi là liên kết cao năng. Từ dạng năng lượng trung gian này (ATP) mà cĩ thể dự trữ và sử dụng năng lượng vào các hoạt động sống; thứ tư, cĩ thể khơng sử dụng được năng lượng tự do của tất cả các loại phản ứng phát nhiệt mà nguồn năng lượng duy nhất cơ thể sử dụng là của các quá trình oxy hĩa. 8.2.1. Sự biến đổi năng lượng tự do Sự thay đổi về đại lượng của năng lượng tự do là một chỉ tiêu quan trọng nhất của hiệu ứng năng lượng tức là hệ số của tác dụng hữu hiệu của phản ứng. Cĩ thể định nghĩa năng lượng tự do là lượng năng lượng mà ở một nhiệt độ nhất định nào đĩ cĩ thể biến thành cơng. Tế bào cĩ thể tạo ra và duy trì được cấu trúc trật tự và phức tạp của mình nhờ chúng liên tục tiếp nhận năng lượng tự do từ mơi trường ở dạng quang năng hoặc hĩa năng và biến hĩa nĩ thành các dạng năng lượng sinh học để phục vụ cho các quá trình hoạt động sống. Sự biến hĩa, tích lũy và sử dụng năng lượng sinh học xảy ra song song với sự chuyển hĩa vật chất và tuân thủ các nguyên tắc của nhiệt động học. Những biến đổi năng lượng tự do của hệ thống phản ứng được ký hiệu bằng UG cĩ giá trị là Kcal/mol. Đại lượng của UG là hiệu số giữa lượng năng lượng tự do của trạng thái cuối (sau phản ứng) G2 và năng lượng tự do của trạng thái đầu (trước phản ứng) G1. Nếu UG 0 (cĩ giá trị dương), phản ứng thu nhiệt, muốn thực hiện phản ứng cần phải cung cấp năng lượng. Các phản ứng thu nhiệt chỉ cĩ thể được thực hiện cùng với các phản ứng tỏa nhiệt, nghĩa là việc tăng năng lượng tự do chỉ cĩ thể cĩ được do các phản ứng liên hợp khác tiến hành với việc giảm năng lượng tự do. Các quá trình cơ bản gắn liền với hoạt động sống của cơ thể, nhiều kiểu làm việc của tế bào, các phản ứng tổng hợp đều là những phản ứng thu nhiệt luơn luơn liên hợp với các phản ứng tỏa nhiệt. UG được tính theo cơng thức:
134 UG = UG 0 + RT lnK trong đĩ UG0 là sự biến đổi năng lượng tự do tiêu chuẩn của phản ứng ở 250C khi nồng độ của tất cả các chất phản ứng là 1 mol và áp suất là 101,3 KPa (1atm), R là hằng số khí, T là nhiệt độ tuyệt đối, K là hằng số cân bằng của phản ứng bằng [C]c. [D]d /[A]a[B]b tức là nồng độ của các chất tham gia phản ứng A + B ' C + D; a, b, c, d là số lượng phân tử A, B, C, D tham gia phản ứng. Trong hệ thống sinh học, khi tính giá trị UG0 cần chú ý đến pH, ở nồng độ H+ là 1 mol, pH=0. Trạng thái ion hĩa của nhiều hợp chất sinh học bị biến đổi khi pH thay đổi. Vì vậy, để thuận tiện cho việc tính tốn, xem trạng thái chuẩn của pH là 7 và ký hiệu sự thay đổi năng lượng tự do chuẩn ở pH 7,0 là UG0'. 8.2.2. Liên kết cao năng và vai trị của ATP Các liên kết hĩa học giữa các nguyên tử đều là những tác nhân mang chủ yếu của năng lượng tự do trong các chất hữu cơ. Vì vậy, trong việc biến tạo của các liên kết hĩa học trong phân tử, mức năng lượng tự do của hợp chất sẽ thay đổi. Xét về mặt năng lượng trong các hợp chất hữu cơ cĩ hai loại liên kết: Liên kết thường và liên kết cao năng (liên kết giàu năng lượng). Liên kết thường là liên kết mà khi phân giải hoặc tạo thành nĩ cĩ sự biến đổi năng lượng vào khoảng 3 Kcal trên một phân tử gam (Ví dụ như liên kết este); cịn đối với liên kết cao năng sự biến đổi này lớn hơn nhiều từ 7 – 12 kcal/mol. Trong các hoạt động sống của cơ thể sinh vật, các quá trình tổng hợp các chất phân tử lớn từ các chất đơn giản, vận chuyển tích cực các chất qua màng tế bào, quá trình vận động v.v. luơn địi hỏi năng lượng tự do. Trong hệ thống sống cần cĩ các chất, các hệ thống nhận năng lượng tự do từ các quá trình này chuyển đến cho các quá trình khác. ATP là chất phổ biến giữ vai trị này, là chất cĩ vai trị trung tâm trong trao đổi năng lượng ở tế bào và cơ thể sống, là chất liên kết hoặc cĩ thể nĩi là mắt xích giữa hệ thống sử dụng năng lượng và hệ thống sản sinh ra năng lượng. Trong phân tử ATP cĩ 3 gốc phosphate, 1 gốc kết hợp với gốc ribose qua liên kết este, 2 liên kết giữa 3 gốc phosphate là liên kết anhydric. Đĩ là các liên kết cao năng được ký hiệu bằng dấu “ ~ ”. ATP ( Adenosine Tri Phosphate) được biểu thị một cách khái quát như sau: Adenosine - P ~ P ~ P (trong đĩ P là các gốc phosphoric acid ). Khi cắt đứt các liên kết cao năng này, sẽ giải phĩng số năng lượng lớn gấp hơn 2 lần so với liên kết este: 0 ATP + H2O ' ADP + H3PO4 UG = -7 Kcal/mol ( P )