PROTEIN VÀ TRAO ĐỔI PROTEIN
Đại cương protein
Protein, có nguồn gốc từ tiếng Hy Lạp "Protos", mang nghĩa là "đầu tiên" và "quan trọng nhất", điều này phản ánh vai trò thiết yếu của protein trong cuộc sống.
Người ta định nghĩa protein theo hai quan điểm:
1.1.1 Theo quan điểm hoá học
Các nhà hóa học định nghĩa protein dựa trên thành phần và cấu trúc hóa học của chúng Họ cho rằng protein là một nhóm chất hữu cơ lớn, nổi bật với hai đặc điểm quan trọng.
- Phân tử có chứa Nitơ
- Trọng lượng phân tử rất cao.
1.1.2 Theo quan điểm sinh vật học
Các nhà sinh vật học định nghĩa protein dựa trên giá trị dinh dưỡng và tầm quan trọng của nó đối với sự sống Theo quan điểm này, protein được coi là chất mang sự sống.
Nội dung định nghĩa về sự sống của Ăng-ghen:
Sự sống được định nghĩa là phương thức tồn tại của protein, trong đó protein không chỉ đơn thuần là một loại đơn lẻ mà là một cơ thể hoàn chỉnh có tổ chức.
- Thể protein ở đây chứa đựng cả lớp nucleoprotein.
Sự vận động sống chủ yếu liên quan đến quá trình trao đổi chất và sự tự tái tạo các nguyên tố hóa học, điều này không thể xảy ra ở chất vô sinh Bốn biểu hiện cụ thể của sự sống bao gồm: sự trao đổi chất, sự phát triển, sự sinh sản và sự thích nghi với môi trường.
+ Có khả năng vận động và đáp nhận kích thích bên ngoài
+ Có khả năng sinh trưởng, phát triển và sinh sản
+ Có khả năng di truyền và biến dị
+ Có khả năng trao đổi vật chất với môi trường bên ngoài
Biểu hiện thứ tư của sự sống, đó là sự trao đổi vật chất, đóng vai trò quan trọng nhất Nhờ vào quá trình này, cơ thể có thể vận động, phản ứng với các kích thích, và thực hiện các chức năng sinh trưởng, phát triển, sinh sản cũng như khả năng di truyền và biến dị.
1.2 Các nguyên tố hoá học của protein
Qua phân tích hoá học người ta xác định được trong protein có các nguyên tố sau đây (tính theo % vật chất khô):
Trong thành phần protein không chỉ chứa các nguyên tố hóa học chính mà còn bao gồm các nguyên tố vi lượng và siêu vi lượng Mặc dù lượng các nguyên tố này trong protein rất nhỏ, nhưng chúng đóng vai trò quan trọng trong các hoạt động sống của động vật, đặc biệt là trong cấu trúc của enzym và hormon.
Iod có trong tuyến giáp trạng Đồng có ở tuyến gan
Kẽm có ở tuyến sinh dục
1.3 Vai trò sinh học của protein
Protein đóng vai trò thiết yếu trong mọi quá trình sinh học, với ý nghĩa quan trọng nhất được thể hiện qua các vai trò chủ yếu như xây dựng và phục hồi tế bào, sản xuất enzyme và hormone, cũng như hỗ trợ hệ miễn dịch.
Ngoài các protein cấu trúc như vỏ virus và màng tế bào, còn có những protein dạng sợi như fibroin từ tơ tằm và nhện, cũng như collagen và elastin từ mô liên kết và mô xương Những chất này đóng vai trò quan trọng trong việc tạo hình, giúp đảm bảo độ bền và tính mềm dẻo cho các mô liên kết.
Hầu hết các phản ứng sinh hóa học trong cơ thể đều được xúc tác bởi các protein đặc biệt gọi là enzym Mặc dù gần đây đã phát hiện một loại ARN có khả năng xúc tác quá trình chuyển hóa pro-mARN thành mARN, enzym chủ yếu vẫn là protein Do đó, enzym thường được định nghĩa là những protein có khả năng xúc tác đặc biệt cho các phản ứng sinh hóa học.
Protein đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ cơ thể khỏi bệnh tật thông qua việc tham gia vào hệ thống miễn dịch Chúng thực hiện các chức năng riêng biệt, tạo ra hiệu quả miễn dịch đặc hiệu và không đặc hiệu Các loại protein miễn dịch chủ yếu bao gồm kháng thể, bổ thể và cytokine Bên cạnh đó, một số protein còn hỗ trợ trong quá trình đông máu để ngăn chặn mất máu Ngoài ra, một số loài có khả năng sản xuất độc tố dạng protein, như enzym nọc rắn, giúp tiêu diệt kẻ thù nhằm bảo vệ cơ thể.
Trong cơ thể động vật, có nhiều loại protein đảm nhiệm vai trò vận chuyển, bao gồm Hemoglobin, mioglobin và Hemocyanin, giúp di chuyển O2, CO2 và H+ đến các mô và cơ quan Hemoglobin là một trong những protein vận chuyển quan trọng nhất, nổi bật trong việc cung cấp oxy cho cơ thể.
Nhiều protein làm nhiệm vụ vận động co rút như myoxin và actin của sợi cơ, chuyển dịch vị trí của nhiễm sắc thể trong quá trình phân bào
- Vai trò dự trữ và dinh dưỡng
Các protein dự trữ như casein trong sữa, albumin trong trứng và ferritin trong lách đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp dinh dưỡng cho các mô và phôi đang phát triển Những protein này là nguồn cung cấp dinh dưỡng thiết yếu cho sự phát triển và duy trì sức khỏe của cơ thể.
- Vai trò dẫn truyền tín hiệu thần kinh
Nhiều loại protein tham gia vào quá trình dẫn truyền tín hiệu thần kinh đối với các kích thích đặc hiệu sắc tố thị giác rodopsin ở võng mạc mắt.
Nhiều loại protein có khả năng điều chỉnh quá trình trao đổi chất bằng cách tác động lên hệ thống thông tin di truyền, bao gồm các hormone và protein ức chế enzym đặc hiệu.
- Vai trò cung cấp năng lượng
Protein là nguồn năng lượng thiết yếu cho cơ thể sống Khi được thủy phân, protein tạo ra acid amin, từ đó hình thành nhiều sản phẩm khác như cetoacid, aldehyd và acid carboxylic Những chất này sẽ tiếp tục bị oxy hóa, tạo ra CO2 và H2O, đồng thời giải phóng năng lượng.
Acid amin
Acid amin là một acid hữu cơ, mà trong đó một nguyên tử hydro của gốc carbon alfa (Cα) được thay thế bởi nhóm amin (NH2)
Nếu trong một acid amin có hai nhóm amin thì nhóm amin thứ 2 nằm ở vị trí carbon cuối cùng kể từ nhóm carboxyl (COOH).
2.2 Phân loại các acid amin
Có nhiều cách để phân loại acid amin Các acid amin có thể phân loại theo hai quan điểm: Quan điểm hoá học và quan điểm sinh vật học.
* Quan điểm hoá học (tức là xét về mặt cấu tạo phân tử và hoá tính) người ta thường chia acid amin ra:
- Acid amin mạch thẳng: Trong acid amin mạch thẳng phụ thuộc vào số lượng nhóm amin (NH2) và nhóm carboxyl (COOH) mà lại chia ra:
+ Acid monoamin- monocarboxylic (chứa 1 nhóm NH2 và 1 nhóm COOH)
+ Acid monoamin- dicarboxylic (chứa 1 nhóm NH2 và 2 nhóm COOH)
+ Acid diamin- monocarboxylic (chứa 2 nhóm NH2 và 1 nhóm COOH)
- Acid amin mạch vòng: Gồm loại vòng đồng nhất và loại dị vòng.
* Quan điểm sinh vật học (tức là xét tầm quan trọng đối với sự dinh dưỡng của động vật) Theo quan điểm này, acid amin gồm hai loại:
Acid amin không thay thế được, hay còn gọi là acid amin thiết yếu, là những acid amin quan trọng cho sự sinh trưởng và phát triển của cơ thể động vật Đặc biệt, cơ thể động vật không thể tự tổng hợp những acid amin này, mà cần phải hấp thụ từ thực phẩm bên ngoài Tổng cộng có 9 loại acid amin không thay thế được, bao gồm valine, leucine, isoleucine, treonine, methionine, phenylalanine, tryptophan, lysine và histidine.
Acid amin không thiết yếu, hay còn gọi là loại thay thế được, là những acid amin mà cơ thể động vật có khả năng tự tổng hợp từ các nguyên liệu có sẵn như acid béo và amid Nhóm acid amin này bao gồm tất cả các acid amin còn lại.
Không phải tất cả các acid amin đều có tác dụng giống nhau đối với các loại động vật, vì mỗi loài gia súc và gia cầm đều có nhu cầu đặc trưng riêng Một số động vật, như gà con, cần tới 10 acid amin không thay thế, trong đó arginine là một ví dụ quan trọng, trong khi những loài khác chỉ cần 8 acid amin không thay thế.
Một số acid amin được phân loại là bán thiết yếu, bao gồm arginin, cystein và tyrosin Đối với lợn, arginin được xem là acid amin bán thay thế vì nó có thể được tổng hợp từ glutamin Tuy nhiên, quá trình tổng hợp này không đủ để đáp ứng nhu cầu dinh dưỡng trong giai đoạn đầu phát triển của cơ thể.
Có 20 loại acid amin tham gia vào cấu trúc của mô bào căn cứ vào nhóm amin và nhóm carboxyl trong phân tử mà acid amin chia ra:
2.3 Tính chất của acid amin
Về mặt vật lý, acid amin có những tính chất sau đây:
- Các acid amin về mặt lý tính là những phân tử chất rắn kết tinh, có vị ngọt và một số ít có vị đắng
- Nóng chảy ở nhiệt độ cao và dễ tan trong nước
Về phương diện hóa học acid amin thể hiện hóa tính như sau:
- Các acid amin vừa có tính acid vưa có tính bazo nên có khả năng tác dụng với acid vô cơ và kiềm để tạo muối tương ứng.
- Phản ứng trùng ngưng tạo polime
Phân loại protein
3.1 Dựa vào hình dạng của protein
Dựa và hình dạng của protein người ta phân hình thể protein thành hai dạng: Dạng cầu và dạng sợi.
Protein dạng cầu là loại protein có cấu trúc phân tử cuộn lại thành hình dạng gần tròn hoặc bầu dục, với những ví dụ tiêu biểu như albumin và globulin có trong sữa, huyết thanh và dịch vị Đặc điểm nổi bật của loại protein này là khả năng hòa tan trong nước.
Protein này có cấu trúc mạch peptid không cuộn rõ, chỉ gấp nếp dọc theo chuỗi, dẫn đến chiều dài nổi bật Các ví dụ tiêu biểu bao gồm fibroin trong tơ tằm, myosin trong sợi cơ, và collagen cùng elastin trong da và gân Đặc điểm nổi bật của loại protein này là không hòa tan trong nước và có khả năng co giãn nhất định, nhờ vào sự biến đổi của các nếp gấp trong chuỗi peptid theo trục dài.
3.2 Dựa vào chức năng của protein
- Protein co giãn cơ (Actin, miosin của cơ)
- Protein dự trữ (Ferritin ở gan dự trữ sắt)
- Protein men trao đổi chất (Pepsin dạ dày thuỷ phân protein)
- Protein có chức năng đặc biệt (Hemoglobin mang oxygen, rodopsin trong quá trình thị giác).
3.3 Dựa vào giá trị dinh dưỡng của protein
3.3.1 Protein có giá trị dinh dưỡng không hoàn toàn Đó là những protein chứa không đầy đủ hoặc đầy đủ nhưng tỷ lệ không cân đối các acid amin thiết yếu Loại này thường là các protein thực vật.
3.3.2 Protein có giá trị dinh dưỡng hoàn toàn Đó là những protein chứa đầy đủ với tỷ lệ cân đối các acid amin thiết yếu Loại này thường là các protein động vật như trứng, sữa, thịt
3.4 Dựa vào cấu tạo hoá học của protein
Theo quan điểm của Hoppe-Seyler và Drec-xen đề ra giữa thế kỷ XIX protein chia làm 2 lớp lớn:
- Lớp protein đơn giản hay đồng nhất
- Lớp protein phức tạp hay còn gọi là proteid
3.4.1 Lớp protein đơn giản Đây là những protein khi bị thuỷ phân hoàn toàn sẽ cho ta các acid amin Các đại diện chính của lớp này là:
Protein dạng cầu là hai loại protein phổ biến trong cấu trúc mô bào của động vật và thực vật, được cấu tạo hoàn toàn từ các acid amin Đặc biệt, tỷ lệ acid amin có tính acid trong chúng khá cao.
Albumin là loại protein đơn giản phổ biến nhất, có mặt trong máu, dịch tế bào và dịch tuỷ sống Nó có khả năng hòa tan trong nước và các dung dịch muối Albumin sẽ đông lại khi được đun nóng, nhưng ở các nhiệt độ khác nhau: albumin trong trứng đông ở 56°C, albumin huyết thanh đông ở 67°C, và albumin trong sữa đông ở 72°C.
Albumin động vật, chẳng hạn như albumin huyết thanh trong máu, khi thủy phân sẽ tạo ra 19 loại acid amin, với thành phần acid amin có sự khác biệt nhỏ giữa các loài Albumin thường giàu các acid amin như leucine, acid glutamic, acid aspartic và lysine, trong khi các acid amin như methionine, tryptophan và glycine có mặt với số lượng ít hơn.
Albumin thường liên kết với lipid, acid béo, acid amin và kháng thể, cho thấy vai trò quan trọng của nó trong quá trình trao đổi chất.
Globulin là một loại protein thường có mặt cùng với albumin và rất phổ biến trong tự nhiên Nó chủ yếu tồn tại trong máu động vật, cũng như trong các cơ quan, tế bào và dịch lỏng của cơ thể.
Globulin khó tan hoặc hoàn toàn không tan trong nước, nhưng tan trong các dung dịch của muối trung tính, kiềm, acid.
Globulin chứa khoảng 14-19 acid amin quan trọng như: leucin, lysin, acid glutamic, treonin.
Globulin gồm α, β, γ Chính γ - globulin là nguồn gốc kháng thể trong cơ thể.
Histon và protamin là hai loại protein có tính kiềm rõ rệt vì trong thành phần của chúng từ 30 - 80% acid amin kiềm tính như lysin và arginin.
Histones are simple proteins that contain fewer amino acids compared to albumin and globulin They lack cysteine, cystine, and tryptophan, primarily consisting of arginine and lysine, which make up 20-30% of their composition.
Protamin được phát hiện bởi Miser và Koccel trong nucleoprotein của tế bào sinh dục cá, và sau đó cũng được tìm thấy ở lách, tuyến diều cùng các cơ quan khác Chất này có trọng lượng phân tử thấp và chứa ít acid amin, chủ yếu là acid amin diamin, trong đó arginin chiếm tới 80%.
* Glutelin và prolamin Đó là những protein thực vật có trong chất dẻo của lúa, gạo, ngô.
Prolamin là một loại protein chủ yếu có trong các hạt hòa thảo, nổi bật với tính chất hòa tan trong cồn 70% nhưng không tan trong nước Khi trải qua quá trình thủy phân, prolamin thường giải phóng một lượng lớn proline và acid glutamic, chiếm khoảng 43%.
- Glutelin có ở các loại hạt khác nhau, hàm lượng đạt từ 1 - 3%, đặc tính của glutelin là chỉ hoà tan trong kiềm loãng 0,2 - 2,0%.
Các proteinoit là nhóm protein chịu trách nhiệm cho cấu trúc và hỗ trợ của cơ thể động vật, bao gồm xương, gân, da, sừng, lông và móng Chúng được gọi là "giống protein" vì mặc dù được cấu tạo từ các acid amin, nhưng lại mất đi tính keo quan trọng là tính hòa tan Những protein này thường ở dạng sợi gấp, nằm song song và tạo thành các bó.
Chức năng: Bảo vệ cơ giới đối với mô bào, các đại diện của nhóm này là:
Collagen là một loại protein quan trọng có mặt trong các mô liên kết như gân, da và dưới da Mặc dù collagen không hòa tan trong nước, nhưng khi chịu tác động nhiệt lâu, nó sẽ chuyển đổi thành dạng hòa tan gọi là gelatin.
Elastin là một protein quan trọng có mặt trong các mô co giãn và chịu lực, chẳng hạn như gân và dây chằng của các khớp xương Với độ bền chắc vượt trội hơn collagen, elastin không có khả năng trương nở như collagen, giúp duy trì sự linh hoạt và đàn hồi cho các mô.
- Keratin: Là chất chủ yếu của tóc, lông, sừng, móng, lớp thượng bì hoàn toàn không tan, kể cả trong dung dịch acid, kiềm
- Fibroin: Protein của tơ lụa do tằm nhả ra Sợi tơ do nhiều sợi fibroin liên kết thành bó, gắn bởi hồ sericin của tằm hoặc nhện nhả ra.
Lớp protein phức tạp, hoặc protein không đồng nhất, là những chất bao gồm 2 thành phần:
- Phần phụ hay còn gọi là nhóm ghép.
Sự chuyển hóa protein và acid amin
- Học xong chương này người học hiểu được cấu tạo và vai trò enzym trong các quá trình chuyển hóa của cơ thể động vật.
- Hiểu được nguyên lý chuyển hóa enzym trong cơ thể động vật.
- Nghiêm túc trong học tập và hiểu đúng kiến thức chuyên môn.
1 ENZYM VÀ HIỆN TƯỢNG XÚC TÁC SINH HỌC
Sự sống diễn ra thông qua quá trình trao đổi vật chất liên tục, bao gồm các phản ứng phân giải và tổng hợp Những chất như glucid, lipid và protein từ thức ăn sẽ được chuyển hóa thành các thành phần mới của tế bào hoặc năng lượng cần thiết cho hoạt động sống.
Các quá trình sinh hoá trong phòng thí nghiệm thường tốn thời gian, cần nhiều hoá chất và nhiệt độ cao, nhưng kết quả không luôn đạt được sự phân hoá triệt để Ngược lại, trong điều kiện sinh thể, các phản ứng sinh hoá diễn ra nhanh chóng, dễ dàng và hiệu quả cao nhờ sự xúc tác của hệ thống enzym.
Trước đây, thuyết "sinh lực" cho rằng các quá trình sống do một "lực huyền bí" điều khiển Tuy nhiên, từ đầu thế kỷ XVIII, con người đã bắt đầu nghiên cứu sâu về quá trình tiêu hóa.
Năm 1783, một người Ý tên là Spalacani đã tiến hành thí nghiệm bằng cách gói thịt vào lưới thép và cho diều hâu nuốt Khi kéo lưới ra, ông phát hiện thịt đã bị hòa tan hoàn toàn, từ đó ông kết luận rằng thịt bị ảnh hưởng bởi một loại chất có khả năng hòa tan đặc biệt.
- Mãi đến năm 1811- 1814 nhà bác học Nga Kia-gốp tìm ra trong mầm lúa một chất có khả năng biến tinh bột thành đường maltose.
- Gần 19 năm sau, 1833, Phi- en và Pec- xô mới phân lập được chất đó dưới dạng tinh thể mà ngày nay chúng ta gọi là enzym amylase.
Vào đầu thế kỷ XX, nhiều phát hiện về enzym đã được thực hiện, giúp con người nhận thức rõ hơn về bản chất hóa học của enzym là protein Nhiều enzym tinh khiết đã được chiết xuất, và cấu trúc nhóm ghép của enzym cũng đã được khám phá Đặc biệt, nghiên cứu về các enzym tiêu hóa đã nhận được những đóng góp quan trọng từ nhà sinh lý học người Nga Páp-lốp.
ENZYM
Enzym và hiện tượng xúc tác sinh học
Sự sống diễn ra qua quá trình trao đổi vật chất liên tục, bao gồm các phản ứng phân giải và tổng hợp Qua đó, các chất như glucid, lipid, và protein từ thức ăn được chuyển hóa thành các thành phần mới trong tế bào hoặc năng lượng cho hoạt động sống.
Trong phòng thí nghiệm, các quá trình sinh hóa thường tốn nhiều thời gian, cần nhiều hóa chất và nhiệt độ cao, dẫn đến kết quả không phân hóa triệt để Ngược lại, trong điều kiện sinh thể, các phản ứng sinh hóa diễn ra dễ dàng, nhanh chóng và hiệu quả cao nhờ sự xúc tác của hệ thống enzym.
Trước đây, thuyết "sinh lực" cho rằng các quá trình sống được điều khiển bởi một "lực huyền bí" không thể hiểu được Tuy nhiên, từ đầu thế kỷ XVIII, con người đã bắt đầu nghiên cứu sâu về quá trình tiêu hóa.
Năm 1783, một người Ý tên là Spalacani đã thực hiện thí nghiệm bằng cách gói thịt vào lưới thép và cho diều hâu nuốt Khi kéo lưới ra, ông nhận thấy thịt đã bị hòa tan hoàn toàn Từ đó, ông kết luận rằng thịt bị ảnh hưởng bởi một loại chất có tác dụng đặc biệt làm tan.
- Mãi đến năm 1811- 1814 nhà bác học Nga Kia-gốp tìm ra trong mầm lúa một chất có khả năng biến tinh bột thành đường maltose.
- Gần 19 năm sau, 1833, Phi- en và Pec- xô mới phân lập được chất đó dưới dạng tinh thể mà ngày nay chúng ta gọi là enzym amylase.
Đầu thế kỷ XX, nhiều phát hiện về enzym được thực hiện, giúp con người hiểu rõ hơn về bản chất hóa học của enzym, chủ yếu là protein Các enzym tinh khiết đã được chiết xuất và cấu trúc nhóm ghép của enzym cũng đã được khám phá Đặc biệt, nghiên cứu về các enzym tiêu hóa đã nhận được sự đóng góp quan trọng từ nhà sinh lý học người Nga Páp-lốp.
Hiện tượng xúc tác là hiện tượng làm tăng tốc độ phản ứng để cho hệ thống chóng đạt tới trạng thái cân bằng động.
Chất xúc tác có khả năng tạo ra hoặc đưa các chất từ bên ngoài vào cơ thể mà không tham gia vào sản phẩm cuối cùng của phản ứng Chúng có thể được sản sinh tự nhiên trong quá trình phản ứng hoặc được cung cấp từ nguồn bên ngoài.
Trong sinh thể các chất tham gia xúc tác các phản ứng hoá học gọi là enzym.
Enzym là chất xúc tác sinh học quan trọng, giúp các phản ứng sinh hóa diễn ra nhanh chóng, chính xác và hiệu quả Nhờ có enzym, quá trình sống diễn ra nhịp nhàng và tiết kiệm năng lượng, cho thấy enzym đóng vai trò như động cơ đầu tiên trong sự biểu hiện của sự sống.
Cấu trúc hóa học của enzym
2.1 Enzym có nguồn gốc protein
Các công trình nghiên cứu, đặc biệt là những phát hiện của Samner (1926 -
1927) đã khẳng định rằng enzym có nguồn gốc protein Điều này được chứng minh qua các đặc điểm sau:
Enzym hòa tan trong dung dịch keo có những đặc điểm như không khuếch tán và thẩm thấu Mỗi enzym có một điểm đẳng điện đặc trưng, tại điểm này enzym dễ dàng sa lắng, từ đó cho phép tách riêng enzym một cách hiệu quả.
- Enzym có trọng lượng phân tử lớn, bị phá huỷ bởi các nhân tố giống như protein (nhiệt độ, acid, muối kim loại nặng )
2.2 Trung tâm hoạt động của enzym
Khi nghiên cứu hoạt động của enzym, người ta nhận thấy không phải toàn bộ phân tử enzym tham gia trực tiếp vào quá trình xúc tác, mà chỉ có một phần nhất định gọi là trung tâm hoạt động Số lượng trung tâm hoạt động này có thể khác nhau tùy thuộc vào từng loại enzym, thường dao động từ 1 đến nhiều hơn.
Trung tâm hoạt động của enzym là vị trí tiếp xúc giữa enzym và cơ chất, nơi diễn ra các phản ứng sinh hóa học Đối với các enzym đơn giản, trung tâm này được hình thành từ sự sắp xếp của một số gốc acid amin, chủ yếu thông qua cấu trúc bậc 1, 2 và 3 của protein, đặc biệt là cấu trúc bậc 2 và 3 Mặc dù các gốc acid amin này có thể nằm xa nhau trên mạch peptid, nhưng chúng lại gần nhau trong cấu trúc không gian Những gốc acid amin quan trọng nhất trong việc hình thành trung tâm hoạt động của enzym bao gồm Cystein với gốc (-SH), Serine với nhóm (-OH) và Histidin với vòng imidazol.
Ngoài ra còn có vòng indol của tryptophan, COOH của loại acid dicarboxylic cũng có tác dụng nhưng kém hơn.
Nhóm sunfuryl (-SH) trong protein có hoạt tính hoá học cao nhất, tham gia vào nhiều phản ứng, bao gồm quá trình oxy hóa thành disulfit Nếu nhóm (-SH) bị phong bế, toàn bộ phân tử enzym sẽ bị tê liệt và mất đi hoạt lực.
Nhóm hydroxyl (-OH) của serine đóng vai trò quan trọng trong trung tâm hoạt động của nhiều enzym như esterase và phosphatase Nhóm (-OH) này có khả năng liên kết dễ dàng với H3PO4, dẫn đến phản ứng phosphoryl hóa, một phản ứng phổ biến trong quá trình trao đổi chất.
Hoạt lực của (-OH) serine chịu ảnh hưởng của histidin Nếu nhóm (-OH) serine bị phong toả thì trung tâm hoạt động mất tác dụng và enzym tê liệt.
Vòng imidazol của histidin chứa nitơ hoá trị 3 có khả năng hoạt động cao, dễ dàng liên kết với proton kim loại và các cation hữu cơ khác để tạo thành phức hợp N+ Điều này đặc biệt quan trọng trong khả năng oxy-hoá và phosphoryl-hoá, dẫn đến sự hình thành các hợp chất N-oxyl và N-phosphoryl không bền, đóng vai trò là chất trung gian trong phản ứng enzym của quá trình trao đổi vật chất Nghiên cứu cho thấy trung tâm hoạt động của nhiều enzym bao gồm các đoạn ghép lại, mỗi đoạn có tính phân cực hoặc tính ion khác nhau.
Tóm lại nhiệm vụ của trung tâm hoạt động của enzym là:
- Gắn cơ chất lên phân tử enzym do nhiều acid amin thực hiện.
- Trực tiếp thực hiện các phản ứng hoá học do một acid amin hoặc nhóm ghép đảm nhận.
Cơ chế hoạt động xúc tác của enzym
3.1 Tính xúc tác của enzym
Trong cơ thể sinh vật, các phản ứng hoá học diễn ra với tốc độ nhanh chóng dưới những điều kiện đặc biệt về nhiệt độ và hóa học.
- Nhiệt độ bình thường (thân nhiệt 370C).
- Môi trường có nước, không phát nhiệt mạnh.
Enzym là chất xúc tác sinh học có khả năng tăng tốc độ phản ứng sinh hóa học lên hàng ngàn, vạn lần chỉ với nồng độ rất nhỏ Tuy nhiên, giống như các chất xúc tác khác, enzym không tham gia vào sản phẩm cuối cùng của phản ứng.
3.2 Điều kiện để một phản ứng hoá học xảy ra
Để nắm rõ cơ chế xúc tác của enzym, cần xem xét các điều kiện nhiệt động học cần thiết cho phản ứng xảy ra Tốc độ của phản ứng hóa học giữa hai chất A và B để tạo thành AB phụ thuộc vào nhiều yếu tố quan trọng.
- Nồng độ các chất tham gia phản ứng A và B.
- Khả năng va chạm hữu hiệu giữa các phân tử.
Để một phản ứng hóa học diễn ra, các phân tử chất tham gia cần ở trạng thái kích động, hay còn gọi là trạng thái hoạt hoá Điều này đòi hỏi phải cung cấp cho phân tử cơ chất một nguồn năng lượng từ bên ngoài, có thể là dưới dạng nhiệt năng, điện năng hoặc quang năng.
Chất xúc tác có 2 nhiệm vụ:
- Tăng nồng độ các chất tham gia phản ứng.
- Làm cho phản ứng chóng đạt tới điểm thăng bằng động.
Cơ chế xúc tác sinh học của enzym được giải thích qua nhiều giả thuyết, nhưng điểm chung là quá trình này bắt đầu bằng sự kết hợp giữa enzym và cơ chất, tạo thành hợp chất trung gian.
E (enzym) + S (cơ chất)→ ES ( Hợp chất trung gian)
Cơ chất liên kết với enzym tại các trung tâm hoạt động một cách chọn lọc Từ đặc điểm này, hai giả thuyết về hoạt động của enzym đã được đề xuất.
3.3 Thuyết hoạt động của enzym
3.3.1 Thuyết tập hợp chất trung gian
Theo thuyết này, phản ứng giữa enzym và cơ chất tạo thành một hợp chất không bền vững, dẫn đến việc sản phẩm được hình thành yêu cầu năng lượng hoạt hóa thấp hơn mức bình thường.
Thuyết về hệ thống enzym và cơ chất đồng pha, tức là các chất có cùng thể chất, như lỏng, có thể được minh họa qua sơ đồ cụ thể.
(Tiến hành chậm ở điều kiện bình thường)
Khi thêm chất xúc tác K (hoặc có enzym) lập tức tốc độ thuận và nghịch tăng lên gấp bội.
Tốc độ ở đây rất cao vì nó tiến hành theo đường vòng để tránh mức năng lượng hoạt hoá quá cao
Thuyết xúc tác không đồng nhất, được đề xuất đầu tiên bởi Bai-li-xơ vào năm 1906 và sau đó được nhiều tác giả phát triển, giúp giải thích hiện tượng xúc tác trong hệ thống enzym và cơ chất khác pha, chẳng hạn như cơ chất thể lỏng và chất xúc tác thể rắn.
Khi enzym được thêm vào hệ thống phản ứng, nó sẽ hấp phụ cơ chất lên bề mặt, giúp tăng cường nồng độ cơ chất so với môi trường xung quanh Sự tập trung cao này làm gia tăng tốc độ va chạm giữa các phân tử, từ đó đẩy nhanh quá trình phản ứng.
Điều kiện hoạt động của enzym
Enzym là chất xúc tác tự nhiên, ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng hóa học mà không tham gia vào sản phẩm cuối cùng Chúng giúp hệ thống phản ứng nhanh chóng đạt đến trạng thái cân bằng động, và tốc độ phản ứng có thể thay đổi tùy thuộc vào nồng độ và trạng thái cân bằng hóa học.
Enzym là những chất xúc tác sinh học có bản chất protein, đóng vai trò quan trọng trong các quá trình sinh học của vật thể sống Chúng có những đặc điểm hoạt động đặc thù mà chúng ta cần xem xét để hiểu rõ hơn về chức năng và hiệu quả của enzym trong cơ thể.
4.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ
Hoạt động của enzym chịu ảnh hưởng rõ rệt từ nhiệt độ môi trường, với nhiệt độ cao trên 70 - 80°C có thể làm enzym bị tê liệt và phá hủy do rối loạn cấu trúc phân tử Nếu nhiệt độ không quá cao, enzym vẫn có khả năng khôi phục cấu trúc và duy trì hoạt động xúc tác Điều này có ứng dụng trong việc luộc thịt và sấy khô thực phẩm để bảo quản hiệu quả.
Nhiệt độ quá thấp (gần hoặc dưới 0°C) làm giảm hoạt động của enzym, thậm chí có thể ngừng hoàn toàn, nhưng enzym vẫn không bị phá hủy Điều này rất hữu ích trong việc bảo quản thực phẩm dễ hỏng trong tủ lạnh Hầu hết các enzym ở động vật hoạt động hiệu quả nhất ở nhiệt độ thân nhiệt khoảng 37°C.
Nhiệt độ tăng ở mức 35 - 50°C có tác dụng kích thích hoạt động của enzym, từ đó thúc đẩy quá trình trao đổi chất Sốt được xem là phản ứng bảo vệ cơ thể, giúp tăng cường hoạt động của các enzym nhằm chống lại sự xâm nhập của vi trùng Ngoài cơ thể, enzym tuân theo quy luật Van-hoff, theo đó, nhiệt độ tăng sẽ làm tăng cường hoạt động của chúng.
100C thì hoạt độ enzym tăng 2 lần, ở trong cơ thể nhiệt độ tăng 10C thì hoạt độ enzym tăng 1.000 lần.
Có một số enzym chịu được nhiệt độ cao (1000C đối với miokinase bắp thịt) hoặc nhiệt độ thấp (00C như enzym vi sinh vật).
Enzym là các protein nhạy cảm với điều kiện môi trường, và mỗi loại enzym có mức pH tối ưu riêng để hoạt động hiệu quả Sự thay đổi pH ảnh hưởng đến cấu trúc của enzym, đặc biệt là các nhóm chức như OH và SH, từ đó tác động đến khả năng hoạt động của chúng Việc hiểu rõ độ pH thích hợp cho từng loại enzym là rất quan trọng để tối ưu hóa quá trình sinh hóa.
Trong nhiều trường hợp, khi pH thay đổi thì hướng xúc tác thuận nghịch của enzym cũng bị đảo ngược.
4.3 Ảnh hưởng của nồng độ cơ chất và enzym
Nồng độ cơ chất có ảnh hưởng lớn đến hiệu suất của phản ứng hóa học Các chất xúc tác, dù chỉ cần một lượng rất nhỏ, vẫn có khả năng thúc đẩy phản ứng cho một khối lượng cơ chất lớn gấp nhiều lần Điều này cho thấy tầm quan trọng của chất xúc tác trong việc tối ưu hóa quy trình phản ứng.
Tốc độ phản ứng enzym phụ thuộc vào nồng độ cơ chất; khi nồng độ thấp, tốc độ xúc tác chậm lại Tuy nhiên, khi nồng độ tăng lên, sẽ có một điểm tối đa (Vmax) mà tại đó tốc độ xúc tác không còn tăng thêm Lúc này, phản ứng tạo ra hợp chất trung gian (ES) và giải phóng sản phẩm (ES → E + P) diễn ra nhanh nhất.
* Ảnh hưởng của nồng độ enzym
Nồng độ của enzym đóng vai trò quan trọng trong tốc độ xúc tác của phản ứng Trong điều kiện có đủ cơ chất, tốc độ phản ứng tỉ lệ thuận với nồng độ enzym, được biểu diễn qua công thức V = k [E].
Trong đó: V là tốc độ phản ứng, [E] là nồng độ enzym
Tính đặc hiệu của enzym
Đa số các enzym đều có tính chọn lọc cao, tác động lên một loại cơ chất hoặc phản ứng cụ thể Điều này cho thấy enzym có tính đặc hiệu rõ rệt, liên quan chặt chẽ đến cấu trúc phân tử và trung tâm hoạt động của chúng.
Có 4 kiểu đặc hiệu của enzym:
- Đặc hiệu theo kiểu phản ứng
- Đặc hiệu theo kiểu hình học không gian
Mỗi enzym chỉ xúc tác phản ứng cho một loại cơ chất nhất định.
Ví dụ: Enzym urease chỉ phân hoá urea chứ không ảnh hưởng tới metylurea.
Enzym loại này xúc tác phân giải một kiểu liên kết, không chịu ảnh hưởng của chất tạo ra liên kết đó.
Nhóm esterase, bao gồm lipase, có khả năng cắt mạch este giữa acid béo và rượu, với acid béo có thể có độ dài khác nhau và rượu có thể là glycerin hoặc rượu vòng Tuy nhiên, tốc độ phản ứng của quá trình này có thể thay đổi.
5.3 Đặc hiệu theo kiểu phản ứng
Enzym loại này chỉ tác động lên một kiểu phản ứng nhất định Ví dụ: Enzym khử amin tác động lên nhiều acid amin khác nhau.
5.4 Đặc hiệu theo kiểu hình học không gian
Enzym loại này chỉ tác động chọn lọc lên một kiểu của cơ chất, nếu cơ chất này có nhiều đồng phân không gian.
Tên gọi và phân loại enzym
Hiện nay, đã có hơn 2.000 loại enzym được phát hiện, mỗi loại xúc tác cho một phản ứng hóa học khác nhau Trong số đó, các enzym tiêu hóa là nhóm được nghiên cứu đầu tiên và thường được gọi bằng những cái tên như pepsin, trypsin, chimozin, và plialin.
Năm 1898 đã đề ra qui tắc gọi enzym theo tên La tinh của cơ chất hoặc của phản ứng sau khi thêm vị ngữ "ase" vào gốc chữ.
Từ đó ta có tên gọi:
Amylum - Amylase (enzym phân giải tinh bột)
Protein - Proteinase (enzym phân giải protein)
Ure - Urease (enzym phân giải ure)
Oxy - Oxydase (enzym oxy hoá)
Hydrogen - Hydrogenase (enzym thuỷ phân)
Metyl - Metylferase (enzym vận chuyển nhóm CH3)
Enzym có thể được phân loại theo nhiều cách khác nhau, bao gồm việc dựa vào bản chất hóa học của chúng và kiểu xúc tác mà enzym thực hiện.
6.2.1 Phân loại theo bản chất hoá học
Enzym là protein, vì vậy dựa vào bản chất hoá học, enzym được chia thành hai loại: enzym đơn giản và enzym phức tạp.
Enzym đơn giản tương ứng với protein đơn giản, được cấu tạo chủ yếu từ acid amin Tính chất xúc tác sinh học của enzym phụ thuộc vào cấu trúc phân tử của protein Một số ví dụ về enzym bao gồm pepsin, trypsin và urease.
- Lớp enzym phức tạp, tương ứng với protein phức tạp, trong phân tử có 2 phần: phần protein và phần nhóm ghép không phải bản chất protein.
Phần protein trong enzym, bao gồm cả enzym đơn giản, gần gũi với loại protein dạng cầu như globulin và albumin Đối với enzym phức tạp, phần này được gọi là apoenzym, và nó quyết định tính đặc hiệu của enzym.
Coenzym là phần nhóm ghép không phải protein có nguồn gốc đa dạng, bao gồm nucleotid, nhóm Hem, và các nguyên tử kim loại Đặc biệt, nhiều enzym phức tạp chứa nhóm ghép là dẫn xuất của vitamin, chẳng hạn như enzym dehydrogenase hiếu khí có chứa vitamin B2, enzym decarboxylase chứa vitamin B1, và enzym dehydrogenase yếm khí chứa vitamin PP.
Mối liên kết giữa nhóm ghép và phần protein của enzym có độ bền không cố định, ảnh hưởng đến tính xúc tác của enzym Nhóm ghép thường nằm trong điểm hoạt động, đóng vai trò quan trọng trong quá trình xúc tác.
6.2.3 Phân loại theo cơ chế xúc tác của enzym
Mỗi enzym đều có tính đặc hiệu riêng, do đó, dựa vào đặc điểm xúc tác và kiểu hoạt động của chúng, enzym được phân loại thành 6 lớp khác nhau.
- Oxydoreductase (Lớp enzym oxy hoá hoàn nguyên sinh học)
- Hydrolase (Lớp enzym thuỷ phân)
- Liase (Lớp enzym phân giải chất không theo con đường thuỷ phân)
- Ligase hay Syntetase (Lớp enzym tổng hợp chất)
- Transferase (Lớp enzym vận chuyển)
- Isomerase hay Mutase (Lớp enzym đồng phân hoá)
Mỗi lớp lại chia thành nhiều nhóm và mỗi nhóm lại có nhiều đại diện.
Lớp 1 : Oxydoreductase (Lớp enzym oxy hoá hoàn nguyên sinh học)
Nhóm enzym này, được gọi là electron transportase, có vai trò quan trọng trong việc xúc tác các phản ứng oxy hóa khử giữa các cơ chất Chúng chủ yếu tham gia vào quá trình vận chuyển điện tử trong các phản ứng này.
Lớp oxydoreductase rất phổ biến trong tất cả các mô bào của sinh vật, vì quá trình oxy-hoá hoàn nguyên là một trong những quá trình cơ bản nhất của sự sống.
Tuỳ theo mạch nối nơi chúng lấy điện tử (hoặc nguyên tử H2) mà lớp oxydoreductase chia ra các nhóm:
* Nhóm dehydrogenase Đây là enzym oxy - hoá hoàn nguyên xúc tác sự tách H2 từ cơ chất theo sơ đồ:
Cơ chất bị oxy hoá (khử) mất đi nguyên tử H2 còn chất B nhận H 2 (oxy hoá) được hoàn nguyên.
Nếu B trong sơ đồ không phải là oxy mà là một chất khác, dehydrogenase sẽ được coi là yếm khí Ngược lại, nếu chất nhận B là oxy, enzyme này sẽ là hiếu khí Hai loại enzym này có cấu trúc khác nhau, đặc biệt là về nhóm ghép của chúng.
Enzym loại này lấy H2 từ cơ chất truyền cho chất nhận không phải là O2
Nhóm ghép của dehydrogenase yếm khí có cấu trúc phức tạp chứa vitamin PP gọi tắt là NAD và NAD.P.
NAD.P (Nicotinanud - adenosin - dinucleotid phosphat) là một coenzyme đặc biệt, có đặc điểm nổi bật là không liên kết cố định với enzym, cho phép nó dễ dàng tách rời khỏi phần protein của enzym Điều này làm cho NAD.P trở nên rất linh động trong các phản ứng sinh hóa.
Trong hoạt động oxy-hoá chúng nhận điện tử (hoặc nguyên tử H2) từ Dehydrogenase yếm khí để chuyển cho dehydrogenase hiếu khí
Mỗi cơ chất thường có loại dehydrogenase yếm khí đặc hiệu tác dụng
- Dehydrogenase hiếu khí Đây là nhóm enzym tách điện tử hoặc proton hydro và chuyển cho chất nhận là oxy.
Nhóm enzym hiếu khí này hay còn gọi là men vàng vì phần nhóm ghép là riboflavin (vitamin B2) có màu vàng Đó là FMN và FAD.
Enzym dehydrogenase hiếu khí nhận nguyên tử H2 từ dehydrogenase yếm khí qua NAD và NADP, biến đổi thành dạng hoàn nguyên không màu Sau đó, enzym này chuyển H2 cho oxy, trực tiếp hoặc gián tiếp qua hệ thống Cytocrom, để tạo thành H2O hoặc H2O2.
Nhóm oxydase là các enzym chịu trách nhiệm oxy hóa cơ chất và chuyển trực tiếp hydro (H2) cho oxy (O2), chủ yếu chỉ chuyển cho O2 Enzym này thường xuất hiện nhiều trong mô bào thực vật, trong khi ở mô bào động vật, sự hiện diện của nó ít hơn.
* Nhóm peroxydase Đây là nhóm enzym oxy hoá tách oxy từ peroxythydro (H2O2) hoặc các peroxyt hữu cơ khác.
Cơ chất được oxy-hóa nhờ peroxydase ở cơ thể thường là polyphenol hoặc các acid amin mạch vòng.
Như chúng ta đã biết để phân hoá H2O2 (Chất độc) còn có enzym catalase.
Về mặt cấu trúc peroxydase và catalase là những enzym phức tạp có nhóm ghép là vòng porfirin chứa nguyên tử sắt 2.
Cytocrom là sắc tố hô hấp có mặt trong mọi tế bào sinh vật, ngoại trừ vi khuẩn yếm khí Hệ thống cytocrom và cytocrom-oxydase bao gồm các chất cytocrom và enzym oxy hóa cytocrom, đóng vai trò quan trọng trong quá trình hô hấp tế bào.
Trong quá trình oxy hoá hoàn nguyên, cytocrom chỉ nhận và chuyển điện tử nhờ sự thay đổi hoá trị Fe.
Lớp 2: Hydrolase (lớp enzym thuỷ phân)
Lớp này gồm những enzym phân giải nhiều cơ chất khác nhau như protein, lipid, glucid tạo ra những phần đơn giản.
Phản ứng có sự tham gia của phân tử H2O nên gọi là lớp enzym thuỷ phân Sơ đồ phản ứng:
Dựa vào mạch nối và cơ chất người ta chia hydrolase làm nhiều nhóm.
Ví dụ: Nhóm cắt mạch este, nhóm cắt mạch glucozit, nhóm cắt mạch peptit. Đáng chú ý nhất là mấy nhóm chính dưới đây:
- Thuỷ phân glucid (Cắt mạch glucozit C - O - C).
- Loại carbohydrase thuỷ phân đa đường gọi là polysacarase.
Đại cương về glucid
Glucid là hợp chất tự nhiên quan trọng, chiếm khoảng 80% chất khô trong mô bào thực vật, trong khi ở động vật, tỷ lệ này chỉ khoảng 2% Đây là loại chất hữu cơ phổ biến nhất trong tự nhiên và cơ thể sinh vật.
Glucid trong thực vật tồn tại chủ yếu dưới dạng chất xơ (cellulose), tinh bột dự trữ và các loại đường như sacarose, fructose Trong khi đó, ở động vật, glucid chủ yếu được lưu trữ trong gan dưới dạng glycogen và có mặt trong huyết thanh dưới dạng glucose.
Glucid là hợp chất hữu cơ cung cấp năng lượng, được hình thành từ quá trình quang hợp của cây xanh Nhờ vào diệp lục, cây xanh chuyển đổi CO2 và H2O thành glucid dưới ánh sáng mặt trời.
Có thể nói glucid là những hợp chất mà ở đó quang năng đã chuyển sang dạng hoá năng dễ sử dụng đối với đa số sinh vật.
1.2 Vai trò của glucid trong sự sống
Cung cấp năng lượng cho hoạt động sống, hàng ngày nhu cầu năng lượng của động vật được bảo đảm 60 - 80% là do glucid.
Glucid đóng vai trò quan trọng trong cấu trúc của các mô bào, đặc biệt là mô chống đỡ, nhờ vào khả năng tạo hình Một ví dụ điển hình là các acid nucleic, trong đó chứa thành phần đường ribose và desoxyribose, thể hiện sự cần thiết của glucid trong cơ thể.
Trong cuộc sống hàng ngày, glucid như tinh bột, đường và cellulose (bao gồm rơm, cỏ, rau) đóng vai trò quan trọng trong chế độ ăn uống của cả con người và gia súc.
1.3 Các tính chất của glucid
1.3.1 Tính chất lý học của đường đơn
Các monosacarid có tính tan tốt trong nước, nhưng lại ít tan trong rượu và hoàn toàn không hòa tan trong các dung môi hữu cơ như ete và benzen Đặc biệt, chúng có khả năng làm quay mặt phẳng phân cực.
1.3.2 Tính chất hóa học của monosacarid
- Tính chất của một rượu Đường đơn thể hiện tính chất của rượu Dưới tác dụng của kiềm chúng có khả năng hình thành rượu.
- Tính chất oxy hoá khử
Các monosacarid có khả năng khử mạnh nhờ vào sự hiện diện của các nhóm chức aldehyd và xeton tự do Trong môi trường kiềm và khi được đun nóng, chúng có thể khử các ion kim loại Quá trình khử monosacarid dẫn đến việc hình thành các rượu đa nguyên tử tương ứng.
Khi phản ứng với acid, monosacarid tạo ra các este, trong đó este phosphoric của monosacarid đóng vai trò quan trọng Các monosacarid tham gia vào những quá trình trao đổi chất thiết yếu như quang hợp và hô hấp đều tồn tại dưới dạng este phosphoric, ví dụ như aldehyd-3-phosphoglyceric, phosphodioxyaceton, glucose-6-phosphat, fructose-1,6-diphosphat và riboso-5-phosphat.
- Phản ứng với hydrazin (NH 2 - NH 2 ) hoặc phenylhydrazin (C 6 H 5 -NH- NH 2 )
Monosacarid phản ứng với phenythydrazin tạo ra phenylozazon màu vàng không tan, được sử dụng để nhận diện đường trong phân tích Sơ đồ hình thành ozazon của monosacarid có thể được minh họa như sau.
- Tác dụng với acid phosphoric
Một trong những đặc điểm của glucid (ví dụ như glucose và nhiều monosacarid khác) là tồn tại dưới nhiều dạng đồng phân.
Mỗi phân tử monosacarid có từ 3 carbon trở lên đều chứa ít nhất một nguyên tử carbon bất đối, tức là carbon đó được bão hòa bởi 4 nhóm hóa học khác nhau Do đó, monosacarid có khả năng tồn tại dưới 3 dạng đồng phân khác nhau.
- Đồng phân quay phải tia phân cực (+)
- Đồng phân quay trái tia phân cực (-)
- Chất không có hoạt tính quang học
Hai đồng phân đầu là 2 chất đối kháng về mặt quang học.
Dựa vào các đồng phân của triose là glycerylaldehyd người ta chia các monosacarid làm 2 hàng tương ứng: D và L.
Vị trí để nhận xét hàng D và L cho các đường là H và OH ở nguyên tử carbon nằm cạnh nhóm rượu bậc nhất (CH2OH)
- Nếu OH nằm bên phải là hàng D
- Nếu OH nằm bên trái là hàng L
Hàng D và L có nhiều đặc tính lý hóa tương đồng, nhưng khác nhau ở khả năng làm quay mặt phẳng tia phân cực Ngoài ra, giá trị dinh dưỡng của hai loại này cũng không giống nhau, trong khi cơ thể chủ yếu chứa đường hàng D.
2.2 Vấn đề mạch vòng của monosacarid
Monosacarid có cấu trúc chứa các gốc hoạt động như aldehyd và alcol, cho phép chúng phản ứng với nhau để tạo thành dẫn xuất nửa acetal (Hemiacetal).
Khi phản ứng xảy ra trong phân tử monosacarid, một cầu nối oxy sẽ được thành lập và monosacarid sẽ hoá dạng vòng.
Monosacarid có thể tồn tại dưới dạng vòng 5 cạnh hoặc 6 cạnh, trong đó dạng vòng 6 cạnh được gọi là piranose và dạng vòng 5 cạnh là furanose Hai dạng này có thể được xem như là các dẫn xuất của piran và furan.
Cầu nối oxy có thể xuất hiện giữa nguyên tử C1 - C 5 (dạng Piranose) hoặc C 1 -
Glucose và các monosacarid khác có khả năng tồn tại dưới dạng đồng phân không gian α và β, khác nhau bởi vị trí của H và OH tại nguyên tử C1 Đối với các monosacarid lớp cetose như fructose, chúng có thể tồn tại dưới dạng nửa acetal, với cầu nối oxy xuất hiện giữa các nguyên tử carbon C2 - C5 hoặc C2 - C6.
Trong tự nhiên và trong cơ thể động vật thường gặp các monosacarid sau:
2.3.1 D - Glucose (còn gọi là đường nho) Đây là loại đường phổ biến nhất có nhiều trong hoa quả Trong máu của gia súc chứa trung bình 80 - 120mg%, glucose ở gan, bắp thịt được trùng hợp và dự trữ ở dạng glycogen.
Glucose có đủ đặc tính của đường đơn (khả năng oxy - hoá khử, dạng vòng, quay tia phân cực ).
Còn gọi là đường sữa, có trong thành phần đường lactose ở sữa và ở dạng hợp chất galactosid của não.
Có nhiều trong quả chín, có vị ngọt mạnh nhất.
Manose thường thấy ở hoa quả (vỏ cam) và trong phức hợp với mấy loại protein (như albumin, globulin, chất nhầy mucoid).
Là loại monosacarid 5 carbon, trong tự nhiên có dưới dạng đa đường pentosan (ổ rơm, cỏ) hoặc một ít tự do (ở quả chín).
Trong cơ thể gia súc có D - ribose và D - desoxyribose là nhóm chất quan trọng nhất trong nucleoproteid.
Các dẫn xuất chính của monosacarid
Các monosacarid như glucose, fructose trong mô bào sinh vật dễ este hoá với
Loại chất này rất quan trọng trong quá trình trao đổi vật chất và giải phóng năng lượng cho cơ thể động vật.
3.2 Dẫn xuất chứa amin (hexosamin)
Một nhóm OH (thường ở vị trí C2) được thay bằng NH2
Trong cơ thể động vật, loại đường amin này có trong protein chất nhầy ở cấu trúc một số mô.
Về cấu tạo, glucosid là những hợp chất este giữa monosacarid và chất không glucid như rượu, metyl, acid xyanhydric gọi chung là gốc aglucon.
Phần lớn glucosid tự nhiên là những chất độc, nhưng với liều lượng nhỏ vừa phải lại có dược tính rất giá trị.
Phân loại glucid
Cơ sở phân loại: Người ta thường phân loại glucid dựa theo mức độ phức tạp của phân tử, lấy đường đơn làm cơ sở.
Ose là những đường không thuỷ phân được nữa thường còn gọi là đường đơn hoặc monosacarid Tuỳ theo số nguyên tử carbon, loại ose chia thành các nhóm:
Là những glucid phức tạp do nhiều monosacarid ghép lại Loại này gồm 2 nhóm lớn:
Dưới đây ta lần lượt nghiên cứu từng loại nói trên.
Xét về cấu trúc, monosacarid là những dẫn xuất aldehyd và ceton của rượu nhiều nguyên tử và tương tự như vậy ta có aldose hoặc cetose.
4.1.1 Triose (C 3 H 6 O 3 ) Đây là những monosacarid có 3 nguyên tử carbon Đại diện của nhóm này là glycerylaldehyd và dioxyaceton.
Tetrose là một loại monosacarid có bốn nguyên tử carbon, trước đây ít được chú ý trong lĩnh vực sinh vật học Tuy nhiên, gần đây, nghiên cứu đã chỉ ra rằng trong quá trình thủy phân glucid, bên cạnh các sản phẩm trung gian hexose và pentose, còn xuất hiện dạng tetrose như eritrophosphat, cho thấy tầm quan trọng của nó trong quá trình trao đổi chất.
Một số đại diện của loại monosacarid 5 carbon này là:
Pentose có thể tồn tại ở dạng vòng, chúng tham gia vào thành phần acid nucleic.
Trong cơ thể động vật và con người, các loại hexose phổ biến bao gồm glucose, fructose, mannose và galactose, trong đó một phần tồn tại ở dạng tự do và một phần gắn kết trong polysaccharid Các hexose tự nhiên như glucose, fructose, maltose và galactose thuộc cấu trúc dãy D, và có thể tổng hợp đường dãy L trong điều kiện phòng thí nghiệm.
Tất cả monosacarid tự nhiên có vị ngọt và dễ hoà tan trong nước Độ ngọt của mỗi loại đường không giống nhau.
- Loại osid thuần nhất (hay còn gọi là holosid) gồm toàn ose.
- Loại osid không thuần nhất (heterosid) loại này ngoài các osera còn có nhóm ghép không phải glucid.
Ta lần lượt nghiên cứu mấy loại phổ biến sau đây:
Tuỳ số lượng monosacarid tạo thành mà nhóm holosid chia ra: disacarid, trisacarid, polysacarid.
4.2.1.1 Disacarid (hay còn gọi là đường kép)
Nó được thành lập do 2 monosacarid hợp lại qua mạch osid sau khi khử đi một phần tử nước
Thành phần những đường kép chủ yếu như sau:
- Saccarose: (α glucosido - 1,2, β - fructose) liên kết glucosid giữa C1 của glucose và C2 của fructose.
Loại này còn được gọi là đường mía hay đường củ cải đường (mía có 20%, củ cải đường có 27%).
Saccarose không còn nhóm OH glucosid tự do nên không cho những phản ứng oxy - hoá khử.
Lactose, hay còn gọi là β-galactosido 1,4-α-glucose, là loại đường có mặt trong sữa với hàm lượng thay đổi tùy thuộc vào từng loại sữa Đây là loại đường kép độc nhất được tổng hợp trong cơ thể gia súc, và nó có tính oxy hóa khử đặc trưng của đường.
Còn gọi là đường mạch nha Đường này sinh ra trong ống tiêu hoá do sự thuỷ phân tinh bột hoặc glycogen bởi men amylase.
- Cellobiose: (β - glucosido 1,4 - β - glucose) là đường kép thu được khi thuỷ phân cellulose chưa triệt để.
Polysacarid là loại đa đường có trọng lượng phân tử rất cao, do nhiều gốc monosacarid hợp lại mà thành Công thức chung của Polysacarid là (C6H10O5)n.
Các loại polysacarid đáng kể nhất là:
Tinh bột là glucid dự trữ của thực vật, hình thành qua quá trình quang hợp và đóng vai trò quan trọng trong nguồn thức ăn cho động vật, đặc biệt là động vật nông nghiệp Phản ứng đặc trưng của tinh bột là khi tiếp xúc với iod, tạo ra màu xanh chàm.
Hàm lượng của tinh bột khác nhau ở các loài thực vật như gạo tẻ chứa khoảng 75,81%; ngô chứa khoảng 70,08%
Cấu tạo hoá học của tinh bột được tạo thành từ các gốc a glucose gồm 2 thành phần:
Amylose, chiếm 10-20% trong tinh bột, là một polysaccharide tan trong nước và không tạo thành hồ Khi phản ứng với iod, amylose cho màu xanh đặc trưng Các gốc a-glucose trong amylose được liên kết với nhau qua liên kết glucosid 1-4, tạo thành một chuỗi thẳng.
Amilopectin, chiếm 80-90% trong tinh bột, là một polysaccharide không tan trong nước và khi phản ứng với iod sẽ tạo ra màu nâu đỏ Cấu trúc của amilopectin bao gồm các gốc a-glucose liên kết với nhau qua các liên kết glucosid 1-4 và 1-6, tạo nên tính chất phân nhánh cho phân tử tinh bột.
Glycogen, hay còn gọi là tinh bột động vật, là dạng glucid dự trữ chủ yếu trong gan và mô bào của động vật Cấu trúc hóa học của glycogen tương tự như tinh bột, nhưng có mức độ phân nhánh cao hơn, giúp nó trở thành nguồn năng lượng dự trữ hiệu quả cho cơ thể.
Cellulose, hay còn gọi là chất xơ, là polysaccharid phổ biến nhất trong thực vật Nó được hình thành từ nhiều gốc β-glucose liên kết với nhau qua liên kết glucosid 1-4, tạo thành các chuỗi thẳng không phân nhánh với số lượng β-glucose lên tới hàng trăm ngàn Trong thực vật, cellulose kết hợp thành các bó sợi gọi là mixen thông qua các liên kết hydrogen.
Cellulose chỉ có thể được phân hủy bởi enzym cellulase từ vi sinh vật, vì vậy để gia súc có thể sử dụng cellulose, chúng cần sự hỗ trợ từ vi sinh vật sống trong dạ cỏ của loài nhai lại Điều này xảy ra do cơ thể gia súc không sản xuất enzym cellulase.
Chitin là một polysaccharid thuần, được hình thành từ các đơn vị N-acetylglucosamin liên kết với nhau qua liên kết β-glucosid 1-4 Sự khác biệt chính giữa chitin và cellulose nằm ở việc nhóm hydroxyl tại vị trí C2 của chitin được thay thế bằng một nhóm acetyl hóa (CO3-CO-NH-).
Chitin là một polysaccharid quan trọng trong tự nhiên, chỉ đứng sau cellulose, có dạng sợi và không thể bị tiêu hóa bởi động vật Nó là thành phần chính cấu tạo nên lớp vỏ cứng của nhiều loài sinh vật.
- Insulin: Là một Polysacarid dự trữ của thực vật Đơn vị cấu tạo là fructose.
Insulin có trọng lượng phân tử thấp, chỉ khoảng 30 gốc fructose, khiến polysaccharid này dễ dàng hòa tan trong nước Trong giai đoạn phát triển đầu của ngũ cốc, thường xuất hiện đa đường cấu tạo từ fructose Khi đạt đến mức độ cần thiết, đa đường này sẽ chuyển hóa thành tinh bột.
- Dextran: là sản phẩm của vi khuẩn Dextran cấu tạo từ α -glucose nối mạch glucosid 1 - 4 và 1 - 6, nhưng khác glycogen, mạch glucosid 1 - 4 ở đây là mạch rẽ.
Heterosid là một loại đa đường không thuần nhất với cấu trúc phức tạp và có trọng lượng phân tử cao Thành phần của heterosid không chỉ bao gồm các monosacarid mà còn chứa các dẫn xuất như hexosamin và hexosulfat.
Heterosid chia làm nhiều lớp khác nhau tuỳ tính chất và cấu trúc Đáng kể nhất là 2 lớp:
4.2.2.1 Mucopolysacarid (mucor - chất nhầy) (từ mục 4 Chuyển thành a, b) Đây là loại đa đường thường gặp trong mô liên kết, ở chất trung gian giữa các tế bào và ở các dịch nhầy Ba loại mucoPolysacarid đáng chú ý là:
Loại đa đường nhầy này có trong dịch bao khớp, trong thuỷ tinh thể mắt, trong nhiều mô bào của động vật khác.
Acid hyaluronic có khả năng hòa tan trong dung dịch nhớt, giúp nó giữ vai trò như một chất xi măng kết nối các tế bào mô trong cơ thể.
Sự hấp thu và tích lũy đường
- Trình bày được khái niệm, cấu tạo, vai trò và phân loại các Lipid trong cơ thể động vật
- Phân loại đúng các dạng lipid trong cơ thể động vật
- Nghiêm túc trong học tập và hiểu đúng kiến thức chuyên môn
Lipid là hợp chất hữu cơ phổ biến trong tự nhiên, có mặt trong cơ thể động vật, thực vật và vi sinh vật Chúng có đặc tính không hòa tan trong nước, nhưng có thể hòa tan trong các dung môi hữu cơ như ete, cloroform, benzen, cồn và aceton Mỗi loại lipid chỉ hòa tan trong dung môi tương ứng của mình, điều này cho phép phân tích riêng biệt từng loại lipid.
Tên gọi lipid (lipos: mỡ) dùng để chỉ chung các loại mỡ, dầu và các chất béo giống mỡ ở động vật và thực vật.
Về mặt hoá học lipid là những este giữa alcol và acid béo điển hình là chất triglycerid (Chú thích cho sơ đồ, công thức, cấu tạo… của biểu)
Lipid đối với cơ thể sinh vật có nhiều ý nghĩa quan trọng:
- Chức năng dự trữ năng lượng
Lipid là nguồn năng lượng dự trữ hiệu quả nhất, cung cấp tới 9,3 Kcal khi oxy hóa 1 gam mỡ, gấp đôi so với 4,1 Kcal/gam từ đường hoặc protein Đối với động vật, mỡ có thể đáp ứng khoảng 30% hoặc nhiều hơn nhu cầu năng lượng hàng ngày.
- Chức năng cấu tạo màng tế bào
Màng sinh học lipid kết hợp với protein tạo thành lipoproteid, nhờ đó mà màng sinh vật có tính thẩm thấu chọn lọc và tính cách điện Những đặc tính này rất quan trọng đối với hoạt động và chức năng của tế bào sinh vật.
- Chức năng dung môi hoà tan vitamin