1 XÚC TÁC SINH HỌC ThS BS Nguyễn Minh Hà Mục tiêu bài giảng Sau khi học bài này, sinh viên Y2 phải 1 Mô tả được cấu tạo và các trung tâm chức năng của enzym 2 Trình bày được tính đặc hiệu của enzym 3 Trình bày được các cơ chế điều hòa hoạt động enzyme 4 Trình bày được đặc điểm của hai giai đoạn của phản ứng enzym 5 Giải thích được ảnh hưởng của các yếu tố lý, hóa đến hoạt động của enzym 6 Trình bày được đặc điểm của coenzym 7 Trình bày được vai trò của vitamin 8 Trình bày được các phương cách tá.
XÚC TÁC SINH HỌC ThS.BS.Nguyễn Minh Hà Mục tiêu giảng : Sau học này, sinh viên Y2 phải : Mô tả cấu tạo trung tâm chức enzym Trình bày tính đặc hiệu enzym Trình bày chế điều hịa hoạt động enzyme Trình bày đặc điểm hai giai đoạn phản ứng enzym Giải thích ảnh hưởng yếu tố lý, hóa đến hoạt động enzym Trình bày đặc điểm coenzym Trình bày vai trị vitamin Trình bày phương cách tác động lên tế bào đích hormone ĐẠI CƯƠNG VỀ XÚC TÁC SINH HỌC 1.1 Động học phản ứng hóa sinh 1.1.1 Năng lượng hoạt hóa trạng thái chuyển tiếp Mọi phản ứng bên tế bào, kể phản ứng phát (là phản ứng lý thuyết tự xảy ra), cần phải cung cấp lượng lượng nhằm đưa phân tử chất tham gia phản ứng lên trạng thái kích thích mà đó, va chạm phân tử chất trở nên có hiệu Trạng thái gọi trạng thái chuyển tiếp (tồn phức hợp enzym-cơ chất) lượng gọi lượng tự hoạt hóa Trong tất phản ứng, trạng thái chuyển tiếp trạng thái có lượng tự cao Năng lượng tự hoạt hóa Gibbs (G*) chênh lệch mức lượng tự trạng thái chuyển tiếp chất (hình 1) Như vậy, lượng hoạt hóa thấp phản ứng dễ xảy enzym làm giảm lượng hoạt hóa phản ứng hóa học, đó, làm phản ứng xảy nhanh Bảng ví dụ cho thấy enzym làm giảm lượng hoạt hóa phản ứng Hình Sự thay đổi lượng phản ứng hóa sinh Bảng Năng lượng hoạt hóa hoạt động enzym Phản ứng Saccarose + H2O Glucose + Fructose H2O2 H2O + ½ O2 Không xúc tác G* = 32 000 cal/mol G* = 18 000 cal/mol Xúc tác vô (H+) , G* = 25 000 cal/mol (Pt) , G* = 11 000 cal/mol Saccarase, G* = 400 cal/mol Catalase, G* = 500 cal/mol Enzym 1.1.2 Phán đoán chiều phản ứng hóa sinh dựa vào thay đổi lượng tự Sự thay đổi lượng tự cho biết phản ứng có thuận lợi mặt lượng hay không Phản ứng thuận lợi lượng có nghĩa phản ứng mức lượng thấp so với mức lượng chất ∆G âm (nghĩa phản ứng tiến hành tự nhiên) Trong hệ thống sinh học, việc cung cấp lượng thường thực cặp phản ứng, kết hợp phản ứng không thuận lợi với phản ứng thuận lợi mặt lượng Nhờ G phán đốn phản ứng hóa học thuận nghịch hay khơng thuận nghịch Xét hai chất A B hệ thống phản ứng hóa học: Với phản ứng A B, G = GA GB, có trường hợp xảy ra: - G < nghĩa GB < GA : phản ứng tự xảy ra, thường phản ứng thoái hóa - G > nghĩa GB > GA : phản ứng xảy đưa lượng vào phản ứng, thường phản ứng tổng hợp Với phản ứng thuận nghịch AB (chiếm đa số bên tế bào) G khơng cố định mà thay đổi theo nồng độ chất sản phẩm, có trường hợp xảy ra: - Khi A > B, G < theo chiều từ A B: phản ứng xảy theo chiều A B - Khi A < B, G < theo chiều từ B A: phản ứng xảy theo chiều từ B A - Khi G = 0, nồng độ A B phản ứng đạt cân Nếu giá trị G âm nhỏ phản ứng dễ dàng xảy thuận nghịch ( đại đa số phản ứng thể ) thay đổi nhanh chóng nồng độ chất làm nhanh chóng thay đổi G, phản ứng nhanh chóng đạt cân Nếu giá trị G âm lớn, phản ứng cần thời gian dài đạt cân bằng, đó, phản ứng xem không thuận nghịch Để thuận lợi, người ta sử dụng G xác định với số điều kiện thử nghiệm tiêu chuẩn: nồng độ ban đầu chất sản phẩm lấy 1,0M pH 7,0 Giá trị gọi Go Sự thủy phân ATP để tạo thành ADP Pi tự ví dụ quan trọng phản ứng thuận lợi mặt lượng với giá trị Go âm lớn (-30,5 kJ/mol) Do đó, phản ứng thường kèm để giúp phản ứng khơng thuận lợi mặt lượng tiến hành Một chu trình phản ứng ln ln khơng thuận nghịch để tạo sản phẩm cuối (là chất cần thiết cho thể protein, acid nucleic…) Do đó, để hồn thành chu trình phản ứng đến chất cuối ngồi phản ứng thuận nghịch, cần vài phản ứng không thuận nghịch Kiểm sốt chuyển hóa tế bào dựa vào phản ứng không thuận nghịch 1.2 Đặc điểm chung xúc tác sinh học Sự xúc tác sinh học xảy thể sống chất xúc tác sinh học Chất xúc tác sinh học sản phẩm sinh vật tế bào sản xuất với lượng nhỏ, làm tăng nhanh phản ứng không thay đổi sau phản ứng kết thúc Chất xúc tác sinh học có ba loại: enzym, vitamin hormon, enzym đóng vai trị Enzym xúc tác phản ứng hóa sinh làm cho vận tốc phản ứng tăng lên không làm thay đổi cân phản ứng, không làm thay đổi sản phẩm đầu cuối Xét phản ứng hóa sinh sau: Trong đó, vận tốc phản ứng ban đầu là10-4/giây vận tốc phản ứng ngược 10-6/giây Ở trạng thái cân bằng, tỷ lệ nồng độ chất sản phẩm số không đổi, số cân K Theo định nghĩa nhiệt động học, số K phản ứng tính tỷ lệ nồng độ sản phẩm chia cho nồng độ chất tham gia trạng thái cân Đối với phản ứng hóa sinh, số K chấp nhận với tỷ lệ vận tốc phản ứng ban đầu K1 vận tốc phản ứng đảo K2: Như vậy, trạng thái cân phản ứng trên, nồng độ B gấp 100 lần A dù có mặt enzym hay khơng Đối với phản ứng thuận nghịch, enzym không làm thay đổi trạng thái cân thúc đẩy phản ứng nhanh chóng đạt cân 1.3 Đặc điểm hoạt động enzym 1.3.1 Đặc điểm chung Enzym chất protein, khơng chịu nhiệt phần protein định tính đặc hiệu enzym Tất tế bào thể tổng hợp enzym tùy theo nhu cầu tế bào, sau hoạt động bên tế bào (enzym nội bào) hay bên tế bào hoạt động (enzym ngoại bào) Hầu tất enzym hoạt động pH sinh lý thể, áp suất khí nhiệt độ thể (khoảng 370C) Enzym có tính đặc hiệu cao, enzym xúc tác hay nhóm chất định Enzym thúc đẩy phản ứng nhanh gấp 106 -1011 lần, nhanh nhiều so với xúc tác vô Tùy theo điều kiện hoạt động, enzym chia thành loại: - Enzym không cần cộng tố: chất protein thuần, hoạt động (ví dụ: enzym thủy phân) - Enzym cần cộng tố: gồm phần: Apoenzym protein cộng tố (cofactor) kim loại (Zn++ , Mg++… ) hay chất hữu (gọi coenzym), tạo thành dạng có hoạt tính xúc tác hồn chỉnh gọi holoenzym 1.3.2.Tính đặc hiệu enzym Đặc hiệu phản ứng: chất biến hóa theo nhiều phản ứng khác nhau, phản ứng xúc tác enzym khác Ví dụ: acid amin oxy hóa nhờ enzym oxidase, khử carboxyl nhờ enzym decarboxylase chuyển nhóm amin nhờ enzym amino transferase Đặc hiệu chất: - Có enzym có tính đặc hiệu tuyệt chất định (ví dụ: urease thủy phân ure) - Có enzym tác dụng với nhóm chất có cấu trúc gần giống có phận phân tử giống (ví dụ: LDH ngồi tác dụng vào lactat cịn tác dụng vào chất khác có nhóm –CHOH- lactat) - Có enzym có tính đặc hiệu kép aminoayl synthetase trình tổng hợp protein, tác dụng lên hai chất có cấu trúc hồn tồn khác acid amin (hoạt hóa acid amin đặc hiệu) tRNA amin (chuyển gốc acid amin hoạt hóa cho tRNA đặc hiệu để tạo thành phức hợp acid amin-tRNA) Đặc hiệu lập thể: enzym tác dụng lên hai dạng đồng phân quang hoạt Ví dụ hầu hết enzym chuyển hóa acid amin tác dụng lên L-acid amin mà không tác dụng lên D-acid amin 1.3.3 Danh pháp phân loại Gọi theo tên quen dùng: từ thập niên 50, sau khám phá ra, nhà khoa học đặt tên riêng cho loại enzym không theo quy luật pepsin, trypsin, chymotrypsin… Gọi theo tên chất (hoặc liên kết) + ASE: thường enzym thủy phân, ví dụ: thủy phân ure urease, thủy phân maltose maltase, thủy phân liên kết peptide peptidase, thủy phân liên kết glucoside glucosidase Gọi theo ( tên chất +) tên phản ứng +ASE: ví dụ xúc tác phản ứng khử hydro enzym dehydrogenase, xúc tác phản ứng khử carboxyl tyrosin enzym tyrosin decarboxylase Để thống cách gọi tên enzym, Ủy ban enzym giới (Enzym committee) đưa hệ thống danh pháp quốc tế sau: enzym chia làm loại dựa kiểu phản ứng xúc tác chúng (bảng 2) Mỗi enzym xác định mã số xếp loại gồm chữ số, số thứ loại, số thứ hai nhóm, số thứ ba phân nhóm, số thứ tự thứ tự phân nhóm, trước chữ số có chữ EC (Enzym Comission) Ví dụ: trysin mang mã số EC 3.4.21.4 Số (số 3) cho biết enzym thuộc nhóm hydrolase Số thứ hai (số 4) cho biết thuộc loại protease thủy phân liên kết peptid Số thứ (số 21) cho biết serin protease, có chứa gốc serin định trung tâm hoạt động Số thứ tư (số 4) cho biết enzym xếp thứ tư nhóm Bảng Phân loại enzym dựa theo kiểu phản ứng xúc tác Loại Tên enzym Oxy hóa khử Kiểu phản ứng xúc tác Vận chuyển điện tử A- + B A + B- (oxydoreductase) Phân nhóm quan trọng dehydrogenase, oxidase, peroxidase, oxygenase, reductase Chuyển nhóm Chuyển nhóm chức aminotransferase, (Transferase) A-B + C A + B-C glucosyltransferase, hexokinase Thủy phân Thủy phân A-B + H2O A-H + B-OH (Hydrolase) esterase, glucosidase, peptidase, amylase Phân cắt Phân cắt liên kết C-C, C-O, C-N (Lyase) liên khác khác để tạo thành liên kết đôi pyruvat decarboxylase AX-BY A=B + X-Y Chuyển đồng Chuyển đổi nhóm chức nội phân tử epimerase, isomerase phân (Isomerase) AX-BY AY-BX Tổng hợp Tổng hợp chất ligase, synthetase, (Ligase) A + B A-B synthase, kinase Chú ý: phản ứng thuận nghịch gọi tên theo chiều, ví dụ phản ứng nhận khử hydro gọi tên theo chiều khử hydro nên enzym xúc tác dehydrogenase ĐẶC ĐIỂM CẤU TRÚC CỦA ENZYM 2.1 Cấu trúc bán đơn vị Enzym chất protein nên có cấu trúc bậc protein Enzym có nhiều chuỗi polypeptide chuỗi polypeptide gọi bán đơn vị (hay protome) toàn phân tử enzym gọi oligome Cấu trúc bán đơn vị số lượng xắp xếp bán đơn vị phân tử enzym Ví dụ: - Lactate dehydrogenase (LDH) có trọng lượng phân tử 140 000 gồm bán đơn vị (trọng lượng phân tử bán đơn vị 35 000) - Catalase có trọng lượng phân tử 252 000 gồm bán đơn vị (trọng lượng phân tử bán đơn vị 42 000) 2.2 Isoenzym Các isoenzym (isozym) dạng phân tử khác enzym dựa vào cấu trúc bán đơn vị Các isoenzym enzym xúc tác phản ứng (cùng chất sản phẩm), có tính chất động học vật lý khác điểm đẳng điện, pH tối ưu, lực chất hay đối cới tác động chất ức chế Những isoenzym khác enzym định thường tác động mô thể khác Một ví dụ enzym có nhiều dạng isoenzym khác lactate dehydrogenase (LDH) LDH cấu tạo bán đơn vị xuất phát từ loại chuỗi polypeptid khác chuỗi H (H = heart, có nhiều tim) M (M = muscle, có nhiều cơ) Do kết hợp ngẫu nhiên chuỗi mà tạo nên isoenzym khác H4 (LDH1), M1H3 (LDH2), M2H2 (LDH3), M3H1 (LDH4) M4 (LDH5) Năm isoenzym phân tách phương pháp điện di Bán đơn vị M có nhiều mơ xương gan bán đơn vị H có nhiều mơ tim Các isoenzym LDH1 LDH2 có nhiều tim hồng cầu, LDH3 não thận LDH4 LDH5 có nhiều gan xương Như vậy, cấu trúc isoenzym đặc trưng cho mô đặc hiệu Điều có ý nghĩa lớn y học Bệnh nhồi máu tim, viêm gan bệnh làm chết tế bào mơ bị tổn thương phóng thích chất tế bào, có LDH, vào máu Ở người bình thường, nồng độ LDH2 cao nhất, LDH1.Trong nhồi máu tim, LDH1 LDH2 tăng LDH1 tăng cao so LDH2 Trong bệnh viêm gan LDH1 LDH2 bình thường cịn LDH5 tăng cao Do đó, sử dụng gia tăng isoenzym đặc trưng cho mơ cơng cụ để chẩn đốn theo dõi điều trị 2.3 Trung tâm hoạt động enzym Trung tâm hoạt động enzym vùng mà enzym kết hợp với chất (và cộng tố, có) chuyển đổi thành sản phẩm phản ứng Trung tâm hoạt động phần nhỏ phân tử enzym, có cấu trúc khơng gian ba chiều tạo thành acid amin xa chuỗi polypeptid Tuy nhiên, xoắn cuộn gấp khúc khơng gian chuỗi polypeptid làm cho nhóm acid amin đứng gần lại tạo thành trung tâm hoạt động Các acid amin trung tâm hoạt động enzym thường serin, histidin, tryptophan, cystein, arginin, acid glutamic lysin Hình Trung tâm hoạt động chymotrypsin, tạo thành từ đứng gần không gian chiều acid amin histidin (vị trí thứ 97), aspartat (vị trí thứ 102) serin (vị trí thứ 195), vị trí gắn với chất Trung tâm hoạt động nơi phản ứng hóa học xảy ra, gồm nhóm hóa học gọi gốc xúc tác, trực tiếp tham gia tạo thành hay cắt đứt liên kết hóa học chất Các chất kết hợp với trung tâm hoạt động nhiều tương tác yếu tương tác tĩnh điện, liên kết hydro, lực hút Van der Walls, tương tác kỵ nước…Sau phức hợp enzym-cơ chất hình thành, gốc xúc tác tác động phân tử chất để chuyển chúng sang trạng thái chuyển tiếp, sau thành sản phẩm phản ứng phóng thích dung dịch Kế đó, enzym tự lại kết hợp với phân tử chất bắt đầu lại chu trình xúc tác 2.4 Mơ hình kết hợp chất trung tâm hoạt động Có hai mơ hình đề nghị để giải thích kết hợp enzym với chất: - Mơ hình ổ khóa-chìa khóa (tác giả Fisher đề nghị năm 1894): cấu trúc không gian trung tâm hoạt động enzym chất giống chìa khóa ổ khóa, khơng thay đổi hồn tồn ăn khóp với Mơ hình khơng giải thỏa đáng số kết thu thực nghiệm - Mơ hình tiếp xúc cảm ứng (tác giả Koshland đề nghị năm 1958): trung tâm hoạt động enzym hình thành trình tiếp xúc enzym với chất Do tác dụng cảm ứng khơng gian, chất (hoặc chất kết hợp khác tương tự) làm biến đổi cấu hình khơng gian enzym làm cho nhóm chức trung tâm hoạt động di chuyển, định hướng cách thích hợp xác để gắn với chất Hình Sự kết hợp chất enzym 10 1/Km Độ dốc đường thẳng giá trị Km/Vmax Đồ thị Linewearver-Burk hữu dụng cần phát hiện tượng ức chế hoạt động enzym diện chất ức chế cạnh tranh không cạnh tranh Đơn vị hoạt độ enzym thường được biểu thị đơn vị enzym (U) Một đơn vị hoạt độ (1 U) enzym lượng enzym cần thiết để xúc tác việc chuyển mol chất phút 250C điều kiện tối ưu enzym 3.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động enzym 3.2.1 Ảnh hưởng nhiệt độ đến hoạt động enzym Đối với động vật có vú, đa số enzym hoạt động nhiệt độ gần 37oC Enzym hoạt tính >700C Từ 00C hoạt độ enzym tăng dần đến nhiệt độ tối ưu, nhiệt độ tối ưu hoạt độ enzym giảm dần Tuy nhiên, có số sinh vật có hệ enzym hoạt động nhiệt độ tương đối cao Ví dụ vi khuẩn Thermus aquaticus sống suối nước nóng có enzym Taq polymerase hoạt động tối ưu 72oC 3.2.2 Ảnh hưởng pH đến hoạt động enzym Mỗi enzym có pH tối ưu mà vận tốc phản ứng xúc tác đạt tối đa, gọi pH optimum (pHo) Ngoài pHo hoạt độ enzym giảm dần Đa số enzym có pHo gần khoảng 6,8 có trường hợp khác biệt mơi trường hoạt động Ví dụ pepsin enzym tiêu hóa hoạt động dày có pHo 1,6 (hình 9a) cịn glucose-6-phosphatase hoạt động bào tương tế bào gan có pHo 7,8 (hình 9b) 3.2.3.Ảnh hưởng chất hoạt hóa đến hoạt động enzym Chất hoạt hóa làm tăng hoạt tính enzym Chất hoạt hóa có chất hóa học khác nhau, ví dụ: Cl hoạt hóa amylase, glutathion hoạt hóa protease thực vật, cystein hoạt hóa nhóm -SH hoạt động Enzym dị lập thể có chất hoạt hóa dị lập thể, ví dụ AMP vịng 18 Hình Ảnh hưởng pH lên vận tốc phản ứng xúc tác enzym 3.2.4 Ảnh hưởng chất ức chế đến hoạt động enzym Những chất tác động trực tiếp lên enzym, làm giảm khả kết hợp enzym với chất, qua làm giảm vận tốc xúc tác enzym gọi chất ức chế Có hai ức chế enzym ức chế thuận nghịch ức chế không thuận nghịch Ức chế thuận nghịch chia thành hai loại ức chế cạnh tranh ức chế không cạnh tranh Ức chế không thuận nghịch: chất ức chế liên kết cách không thuận nghịch với enzym thường liên kết cộng hóa trị với gốc acid amin gần trung tâm hoạt động làm bất hoạt enzym, thường gốc serin cystein có nhóm chức tương ứng –OH –SH Ví dụ: kháng sinh penicillin ức chế không thuận nghịch enzym glycopeptid transpeptidase, thành lập liên kết chéo thành tế bào vi khuẩn liên kết cộng hóa trị với gốc serin trung tâm hoạt động enzym Ức chế thuận nghịch cạnh tranh: chất ức chế cạnh tranh có cấu trúc gần giống chất nên cạnh tranh với chất để kết hợp vào trung tâm hoạt động enzym, làm cho enzym không kết hợp với chất Khi nồng độ chất tăng lên vượt xa nồng độ chất ức chế đẩy chất ức chế khỏi trung tâm hoạt động hoạt tính enzym trở lại bình thường Hình minh họa ức chế hoạt tính enzym succinate dehydrogenase có mặt chức ức chế cạnh tranh malonat 19 Hình 10 Sự ức chế succinat dehydrogenase malonat Trong điều kiện bình thường (hình a), enzym succinat dehydrogenase xúc tác phản ứng oxy hóa khử chuyển succinat thành fumarat Khi có mặt malonat (hình b), malonat tranh giành trung tâm hoạt động enzym làm cho phản ứng không xảy Ức chế thuận nghịch không cạnh tranh: chất ức chế khơng cạnh tranh có cấu tạo hóa học khác với chất, gắn với enzym vị trí khác với trung tâm hoạt động enzym, gây nên thay đổi cấu trúc không gian enzym đưa đến việc làm giảm hoạt độ biến tính enzym Chất ức chế khơng cạnh tranh lả chất gây biến tính enzym (như ion kim loại nặng, acid…) chất ức chế dị lập thể enzym dị lập thể Enzym liên kết với chất ức chế, với chất với hai lúc COENZYM Coenzym phân tử hữu nhỏ (thường vitamin tan nước ), thẩm tích gắn lỏng lẻo với enzym, trực tiếp tham gia phản ứng vận chuyển điện tử, hydro 20 gốc hóa học Mỗi enzym có apoenzym tương ứng nhiều enzym có coenzym Một số coenzym, NAD+ CoA, gắn với enzym tiếp đến lại giải phóng khỏi enzym q trình xúc tác đóng vai trị chất đồng chất Nhiều coenzym dẫn xuất từ tiền chất vitamin Vitamin hợp chất thiết yếu phần ăn thiếu chúng, thể mắc số bệnh thiếu vitamin Bảng giới thiệu số coenzym thường gặp, tiền chất vitamin chúng bệnh thiếu vitamin Bảng Một số coenzym thường gặp Coenzym Tiền chất Bệnh thiếu vitamin Thiamine pyrophosphate Thiamine (vitamin B1) Tê phù (Béri-béri) FAD, FMN Riboflavin (vitamin B2) Chậm lớn NAD+, NADP+ Niacine (vitamin B3 PP) Pellagre Coenzym A Acid pantothenic (vitamin B5) Viêm da Pyridoxal phosphat Pyridoxin (vitamin B6) Viêm da Biotin-lysin (biocytin) Biotin (vitamin B7 H) Rụng tóc, viêm da Deoxyadenosyl cobalamin Cobalamin (vitamin B12) Thiếu máu ác tính Tetrahydrofolat Acid folic Thiếu máu Đồng chất hydroxyl Acid ascorbic (vitamin C) Scorbut (Scurvey) hóa prolin thành collagen 4.1 NAD+, NADP+ Nicotinamid adenine dinucleotide (NAD+) nicotinamid adenine dinucleotide phosphat (NADP+) (hình 11) hai coenzym tổng hợp từ tiền chất niacin (vitamin B3), có chức giống vận chuyển điện tử phản ứng oxy hóa khử Phần hoạt động hai phân tử nhân nicotinamid tồn dạng oxy hóa dạng khử hoạt động cách nhận hay cho điện tử tùy theo phản ứng enzym (hình 12) 21 NADP+/NADPH,H+ NAD+/NADH cặp coenzym có hoạt tính cao, phổ biến quan trọng, tham gia vào nhiều trình chuyển hóa quan trọng thể chu trình acid citric để tạo lượng, trình oxy hóa acid béo, q trình ly giải đường, chuyển nhóm amin… Hình 11 Cấu trúc NAD+ NADP+ Hình 12 Các dạng điện tử (A) chế tham gia phản ứng (B) coenzym NAD/NADP 4.2 FAD, FMN Flavin adenin dinucleotide (FAD) flavin mononucleotid (FMN), tổng hợp từ tiền chất riboflavin (vitamin B2), chất vận chuyển điện tử có cấu trúc hóa học gần (hình 13) FAD FMN tác động với proton điện tử để chuyển luân phiên từ trạng thái khử sang trạng thái oxy hóa FAD/FADH+/FADH2 FMN/FMNH+/FMNH2 cặp coenzym quan trọng, tham gia vào nhiều phản ứng oxy hóa khử quan trọng thể 22 Hình 13 Cấu trúc dạng điện tử coenzym FMN/FAD 4.3 Coenzym A Hình 14 Cấu trúc Coenzym A Coenzym A (CoA, HSCoA hay CoASH) coenzym tổng hợp từ tiền chất acid pantothenic (vitamin b5), có vai trị quan trọng oxy hóa acid béo oxy hóa pyruvate chu trình acid citric, nhiều q trình chuyển hóa khác thể 23 Rất nhiều enzym thể người sử dụng coenzym A đồng chất phản ứng Chức CoA vận chuyển nhóm acyl liên kết thioester đầu tận sulfhydryl nó, tạo thành chất dẫn xuất gọi acyl-CoA Nhóm acyl thường liên kết với CoA đơn vị acetyl, chất dẫn xuất gọi acetyl-CoA VITAMIN Vitamin hợp chất hữu cần thiết cho hoạt động chuyển hóa thể, dù lượng thấp Tuy nhiên, thể người động vật tự tổng hợp nhóm chất mà phải thu nhận từ thức ăn Hầu hết vitamin tiền chất coenzym, số tiền chất hormone có vai trị chất chống oxy hóa tế bào Nhu cầu vitamin thể khác loài bị ảnh hưởng c1c yếu tố độ tuổi, giới tính tính trạng sinh lý có thai, ni sữa mẹ, luyện tập thể lực chế độ dinh dưỡng Tình trạng dinh dưỡng số tình trạng gây giảm nồng độ vitamin thể gây bệnh lý thiếu vitamin Dựa vào dung mơi hịa tan, vitamin chia làm hai nhóm vitamin tan nước (các vitamin nhóm B, vitamin PP vitamin H) vitamin tan lipid (A, D, E K) 5.1 Viatmin tan lipid 5.1.1 Vitamin A Hình 15 Cơng thức hóa học vitamin A Tiền chất vitamin A -Caroten thực vật có màu cam retionol có động vật Retinol có sữa, gan, cá, lịng đỏ trứng, sữa chua 24 Retinol chuyển hóa thành retinal cần cho tế bào thị giác, retinoic acid đóng vai trị truyền tín hiệu nội bào (hoạt động hormon) cần cho việc tăng trưởng biệt hóa tế bào Vitamin A có tác dụng chống oxy hóa chống ung thư Vitamin A có tác dụng giúp tăng trưởng xương cần cho hoạt động tạo cốt bào Vitamine A cần cho tế bào Sertoli, tạo tinh trùng chu kỳ rụng trứng Thiếu vitamin A gây xơ hóa, sừng hóa mơ liên kết giác mạc, võng mạc gây mù xơ hóa mơ liên kết khác gây dày sừng nang lông Thiếu vitamin A dễ nhiễm trùng vai trị miễn dịch 8.1.2 Vitamin D 7-dehydrocholesterol da tác dụng tia cực tím (UV) bị biến đổi thành cholecalciferol (vitamine D3) Cholecalciferol (vitamine D3) cịn có nguồn gốc từ thức ăn (động vật) với ergocalciferol ( vitamine D2) nguồn gốc từ thực vật theo máu đến gan thành calcidiol (25-hydroxy–vitamine D) Calcidiol từ gan đến thận biến đổi thành calcitriol (1,25-Dihydroxy–vitamine D) Hình 16 Cơng thức hóa học vitamin D dạng hoạt động vitamin D Calcitriol có tác dụng: tăng hấp thụ calci ruột non, giảm tiết calci phospho thận làm tăng hormon cận giáp từ gây tăng hấp thụ calci vào xương Vitamin D có cá, bơ, phơ mai, trứng, sữa, bột ngũ cốc Thiếu viatmin D gây còi xương trẻ em loãng xương người lớn 6.1.3 Vitamin E Dạng hoạt động vitamin E -Tocopherol, ngày cần 10mg, có trong: ngũ cốc, gan, trứng, hạt cho dầu Vitamin E chất chống oxy hóa, bảo vệ da chống tia tử ngoại, 25 cần cho tăng trưởng tế bào, tocotrienol dẫn xuất vitamin E giúp giảm cholesterolmáu Thiếu vitamin E gây thiếu máu trẻ sơ sinh Hình 17 Cơng thức hóa học vitamin D 6.1.4 Vitamin K Vitamin K có nhiều rau xanh, gan, ngồi cịn có sữa, thịt, trứng ngũ cốc với lượng nhỏ Dạng hoạt động vitamin K phylloquinone Vi khuẩn đường ruột tổng hợp menaquinone, menadiol menadiol diacetate biến đổi thành Hình 18 Cơng thức hóa học vitamin E phylloquinone Prothrombin hệ thống protein đông máu (như yếu tố II, VII, IX, X protein S C ) chứa từ đến phân tử -carboxy glutamat, cho phép gắn với Ca2+ giúp protein đơng máu gắn vào màng tế bào, tạo cục máu đơng Chính vitamin K đóng vai trị coenzym giúp carboxyl hóa gốc glutamat protein đông máu Các loại thuốc ức chế vitamin K warfarin, ức chế enzym vitamin K epoxide reductase gây tích tụ dạng vitamin K epoxide, gây thiếu dạng vitamin K hydroquinone dạng giúp carboxyl hóa protein đông máu 6.2 Vitamin tan nước Các vitamin tan nước chủ yếu có vai trị coenzym cho enzym thể, trình bày bảng Bảng tóm tắt cơng thức hóa học vai trị sinh học vitamin tan nước 26 Vitamin B1 (Thiamin) Có nhiều thịt cá, trứng, sữa, ngũ cốc Vitamin B1 giúp tạo lượng từ thức ăn, giúp chức tim mạch, chức não hệ thần kinh trung ương Vitamin B1 coenzym thiamin pyrophosphat enzym pyruvate dehydrogenase, -ketoglutarate dehydrogenase, ketoacid dehydrogenase Thiếu vitamin B1 gây bệnh thần kinh ngoại biên (Béri-Béri)với triệu chứng tê, mệt mỏi, biếng ăn, thiếu nhiều gây tê phù, suy tim bệnh thần kinh Vitamin B2 (Riboflavin) Hoạt chất riboflavin, có ngũ cốc, sữa, trứng, rau xanh, thịt nạc Vitamin B2 coenzym (FMN, FAD) enzym oxy hóa khử Vitamin B2 với vitamin nhóm B giúp phát triển mơ, tái tạo mô, tạo hồng cầu, tạo lượng từ carbohydrat Vitamin B3 (vitamin PP hay niacin) Cơ thể tự tổng hợp vitamin PP từ tryptophan, nhiên, phải cung cấp vitamin PP từ thức ăn để tiết kiệm tryptophan Vitamin PP có thịt, sản phẩm lên men, trái cây, rau củ Vitamin PP đóng vai trị coenzym enzym oxy hóa khử với dạng hoạt động nicotinamide Acid nicotinic ( dẫn xuất nicotinamide) có tác dụng hạ cholesterolmáu Thiếu vitamin PP hay tryptophan gây hội chứng Pellagra gồm triệu chứng sụt cân, rối loạn tiêu hóa, viêm da, trầm cảm, khơng điều trị tử vong 27 Vitamin B6 Dạng hoạt động vitamin B6 pyridoxal hay pyridoxamine Pyridoxal coenzym cho enzym chuyển nhóm amin số enzym khác Vitamin B12 Vitamin B12 tổng hợp vi sinh vật, có nhiều gan, thịt, sữa, trứng, khơng có thực vật Thiếu vitamine B12 gây bệnh thiếu máu hồng cầu to, gặp trường hợp cắt dày gây thiếu yếu tố nội sinh giúp hấp thụ B12 Acid folic Dạng hoạt động tetra hydro-folate, có gan, rau tươi xanh Vitamin tham gia nhóm coenzym vận chuyển gốc C1, có vai trị tăng trưởng sinh sản tế bào Thiếu acid folic ảnh hưởng sớm đến tạo hồng cầu ức chế tổng hợp DNA, phân chia tế bào ngừng lại pha S, chậm tạo hồng cầu, gây nên thiếu máu hồng cầu to Ở phụ nữ mang thai, thiếu folate gây dị dạng ống thần kinh bào thai 28 Vitamin H (Biotin) Biotin có rau xanh, sản phẩm lên men (men bia) loại hạt Biotin dạng coenzym vận chuyển nhóm -COOH enzym carboxylase Vitamin C Vitamin C chất chống oxy hóa, có rau xanh, cần thúc đẩy hấp thụ sắt Vitamin C cần cho tổng hợp epinephrine từ tyrosin (giai đoạn dopamine- -hydroxylase tủy thượng thận hệ thần kinh trung ương), cần cho tổng hợp collagen (giai đoạn gắn -OH vào prolin) Thiếu vitamin C gây bệnh Scorbut với triệu chứng xuất huyết da, yếu cơ, nhũn lợi, rụng (do giảm tổng hợp collagen) HORMON Hormon chất tế bào tuyến nội tiết tiết ra, sau đưa vào máu chuyên chở đến tế bào đích gây tác động lên tế bào đích thông qua hoạt động hệ thống enzym Trong trình vận chuyển máu, hormon gan thận thải ngồi Hormon có chất steroids, protein dẫn xuất acid amin Nồng độ chế tiết hormon thay đổi theo độ tuổi, thời điểm ngày theo trạng thái sinh lý thể đói-no, luyện tập thể lực có thai… Một cách tổng quát, hormon có vai trị sau: - Điều hịa chuyển hóa, insulin, glucagon, thyroxin, epinephrine, cortisol… - Thăng nội môi, hormon cận giáp, aldosterone, calcitriol… 29 - Thúc đẩy q trình tiêu hóa, gastrin, secretin… - Điều hịa q trình tăng sinh, tăng trưởng phát triển, cytokin, hormon sinh dục… 7.1 Phân loại hormon theo vị trí tế bào đích - Nội tiết (Endocrine): hormon tế bào tuyến nội tiết tiết vào máu vận chuyển đến tế bào đích - Cận tiết (Paracrine): hormon tiết tế bào, sau khỏi tế bào đến tác dụng tế bào lân cận - Tự tiết (Autocrine): hormon tiết tế bào, khỏi tế bào sau quay trở lại tác dụng tế bào 7.2 Trục tác động hormon: Trục hạ đồi-tuyến yên-tuyến nội tiết–tế bào đích Đa số tuyến loại nội tiết hoạt động tác động trục hạ đồi–tuyến yên-tuyến nội tiết Hệ thần kinh trung ương truyền xung động xuống vùng hạ đồi, kích thích hạ đồi tiết hormon hạ đồi (hypothalamic hormone hay regulating hormone) Hormon hạ đồi đến tuyến yên trước kích thích tuyến yên tiết hormon yên trước (tropin hay tropic hormone hay stimulating hormone) đưa đến tuyến nội tiết kích thích tuyến nội tiết tiết hormon Khi nồng độ hormon tăng cao ức chế phản hồi lên tuyến yên vùng hạ đồi, làm giảm tiết hormon tuyến yên trước hormon hạ đồi, từ làm giảm tác động hai loại hormon lên tuyến nội tiết, đưa đến việc làm giảm tiết hormon Đây chế điều hịa việc tiết hormon thơng qua trục hạ đồi–tuyến yên-tuyến nội tiết 7.3 Phương cách tác động hormon tế bào đích Khi đến tế bào đích, hormon gây tác động sinh học thông qua cách dẫn truyền thông tin từ màng tế bào đích đến bào tương nhân để gây đáp ứng tế bào Sự dẫn truyền thực nhờ vào hệ thống nhiều phản ứng enzym liên tiếp Có ba phương cách tác động phân chia dựa chất tan nước tan lipid hormon: 30 (1) Hormon có thụ thể tiếp nhận đặc hiệu màng tế bào hệ thống dẫn truyền thông tin thứ hai tế bào (2) Hormon có thụ thể tiếp nhận đặc hiệu nhân với tín hiệu điều hịa chuyển mã (3) Hormon có thụ thể tiếp nhận đặc hiệu tế bào chất với hệ thống dẫn truyền thông tin thứ hai 7.3.1 Phương cách tác động hormon tan lipid Do tan lipid nên hormon qua màng tế bào tiếp nhận thụ thể đặc hiệu nằm bên nhân tế bào Phân tử hormon kết hợp với phân tử thụ thể đặc hiệu, sau đưa đến đoạn gen đích kích hoạt cho gen đích chuyển mã giải mã protein chức Đại diện cho nhóm hormon tan lipid gồm có hormon tuyến giáp, hormon có chất steroid có nguồn gốc từ cholesterol hormon sinh dục (testosterol, estrogen, progesterol…) hormon vỏ thượng thận (cortisol, aldosterone) 7.3.2 Phương cách tác động hormon tan nước Do không tan lipid nên hormon phải gắn với thụ thể đặc hiệu màng tế bào đích, thơng qua thụ thể khởi động hệ thống truyền tín hiệu thứ hai, gián tiếp gây đáp ứng sinh học tế bào Phương cách truyền tín hiệu phần đường tín hiệu tế bào Hệ thống truyền tín hiệu thứ hai tế bào phân tử enzym sau: Protein G (GTP GDP), AMP vòng (cAMP), Phosphatidyl-inositol, kinase phosphatase, GMP vòng (cGMP) 31 TÀI LIỆU THAM KHẢO David L.Nelson, Michael M Cox Lehninger-Principles of Biochemistry 6th ed (2012) W.H Freeman Robert K Murray, David Bender,Kathleen M Botham,Peter J Kennelly,Victor Rodwell,P Anthony Weil Harpers Illustrated Biochemistry 29th Edition (2012) Langue Medical Book J Koolman, K.H Roehm Color Atlas of Biochemistry 2nd edition (2005) Thieme Stuttgart Trần Thanh Nhãn Hóa Sinh Học: Hóa Sinh Cấu Trúc (2008) NXB Y Học 32 ... sốt chuyển hóa tế bào dựa vào phản ứng không thuận nghịch 1.2 Đặc điểm chung xúc tác sinh học Sự xúc tác sinh học xảy thể sống chất xúc tác sinh học Chất xúc tác sinh học sản phẩm sinh vật tế... phản ứng hóa học xảy ra, gồm nhóm hóa học gọi gốc xúc tác, trực tiếp tham gia tạo thành hay cắt đứt liên kết hóa học chất Các chất kết hợp với trung tâm hoạt động nhiều tương tác yếu tương tác tĩnh... ứng không thay đổi sau phản ứng kết thúc Chất xúc tác sinh học có ba loại: enzym, vitamin hormon, enzym đóng vai trị Enzym xúc tác phản ứng hóa sinh làm cho vận tốc phản ứng tăng lên không làm