Giáo trình Sinh hóa này nhằm trang bị cho sinh viên những kiến thức cơ bản, làm nền tảng để sinh viên có cơ sở đi sâu học tập, nghiên cứu về môn sinh hóa, cung cấp kiến thức để sinh viên dễ dàng tiếp thu các kiến thức sinh học khác như sinh lý, di truyền, vi sinh…..Mời các bạn cùng tham khảo nội dung phần 1 giáo trình!
UỶ BAN NHÂN DÂN TỈNH ĐỒNG THÁP TRƯỜNG CAO ĐẲNG CỘNG ĐỒNG ĐỒNG THÁP GIÁO TRÌNH MƠN HỌC: SINH HĨA NGÀNH, NGHỀ: KHOA HỌC CÂY TRỒNG TRÌNH ĐỘ: CAO ĐẲNG (Ban hành kèm theo Quyết định Số:…./QĐ-CĐCĐ-ĐT ngày… tháng… năm 2017 Hiệu trưởng Trường Cao đẳng Cộng đồng Đồng Tháp) Đồng Tháp, năm 2017 TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN Tài liệu thuộc loại sách giáo trình nên nguồn thơng tin phép dùng ngun trích dùng cho mục đích đào tạo tham khảo Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh bị nghiêm cấm LỜI GIỚI THIỆU Sinh hóa phát sinh từ phát triển sinh lý học hóa hữu Sinh hóa mơn khoa học nghiên cứu sở phân tử sống: thành phần cấu tạo chuyển hóa chất thể sống Giáo trình nhằm trang bị cho sinh viên kiến thức bản, làm tảng để sinh viên có sở sâu học tập, nghiên cứu mơn sinh hóa, cung cấp kiến thức để sinh viên dễ dàng tiếp thu kiến thức sinh học khác sinh lý, di truyền, vi sinh… Giáo trình gồm chương - Chương 1: Protein - Chương 2: Acid nucleic - Chương 3: Enzyme - Chương 4: Vitamin - Chương 5: Glucid trao đổi glucid - Chương 6: Lipid trao đổi lipid - Chương 7: Sự trao đổi acid amin protei Đây giáo trình biên soạn cơng phu, chắn khơng tránh khỏi thiếu sót Vì chúng tơi mong nhận đóng góp ý kiến đồng nghiệp độc giả Xin chân thành cảm ơn Đồng Tháp, ngày 26 tháng năm 2017 Chủ biên Trương Thị Mỹ Phẩm MỤC LỤC Trang Chương Protein 01 1.1 Protein vai trò sinh học chúng 01 1.1.1 Khái niệm protein 01 1.1.2 Vai trò sinh học protein 01 1.1.3 Thành phần nguyên tố thành phần cấu tạo 03 1.2 Các acid amin 03 1.2.1 Khái niệm 03 1.2.2 Các acid amin có protein 04 1.2.3 Một số tính chất acid amin 07 1.3 Cấu tạo phân tử protein 09 1.3.1 Liên kết peptid 09 1.3.2 Các bậc cấu trúc protein 10 1.3.2.1 Cấu trúc bậc 10 1.3.2.2 Cấu trúc bậc 11 1.3.2.3 Cấu trúc bậc 11 1.3.2.4 Cấu trúc bậc 11 1.4 Phân loại Protein 11 1.4.1 Phân loại theo hình dạng 11 1.4.2 Phân loại theo thành phần hóa học 12 1.5 Tính chất protein 13 1.5.1 Tính chất lý học 13 1.5.2 Tính lưỡng tính 14 1.5.3 Sự biến tính protein 15 1.5.4 Các phản ứng đặc trưng 15 Chương Acid nucleic 18 2.1 Khái niệm 18 2.2 Thành phần hóa học acid nucleic 18 2.2.1 Đường pentose 18 2.2.2 Các base (base pirimidin base purin) 19 2.2.3 Acid phosphoric 21 2.2.4 Các nucleoside 21 2.2.5 Các nucleotid 22 2.3 Cấu tạo acid nucleic 23 2.3.1 Liên kết diestephosphoric mononucleotid chuỗi polynucleotide 23 2.3.2 Cấu trúc bậc phân tử acid nucleic 24 2.3.3 Cấu trúc bậc phân tử acid nucleic 25 2.4 Sơ đồ phân giải acid nucleic 25 2.5 Tổng hợp acid nucleic tế bào 30 2.5.1 Sự nhân đôi DNA 30 2.5.2 Sự tổng hợp RNA 33 Chương Enzyme 37 3.1 Khái niệm 37 3.2 Cấu tạo 37 3.2.1 Bản chất protein enzyme 37 3.2.2 Enzym hai thành phần 38 3.2.3 Trung tâm hoạt động enzyme 39 3.3 Cơ chế tác dụng enzyme 41 3.4 Tính đặc hiệu enzyme 44 3.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt tính xúc tác enzyme 46 3.5.1 Nhiệt độ 46 3.5.2 pH 46 3.5.3 Nồng độ chất nồng độ enzyme 47 3.5.4 Chất hoạt hóa chất kìm hãm 51 Chương Vitamin 55 4.1 Khái niệm 55 4.2 Các vitamin tan nước 55 4.2.1 Thiamin (vitamin B1) 55 4.2.2 Riboflavin (vitamin B2) 56 4.2.3 Pyridoxin (vitamin B6) 57 4.2.4 Cobalamin (vitamin B12) 58 4.2.5 Ascorbate (vitamin C) 58 4.3 Các vitamin tan chất béo 59 4.3.1 Retinol (vitamin A) 59 4.3.2 Calciferol (vitamin D) 60 4.3.3 Tocopherol (vitamin E) 61 4.3.4 Phylloquinon menoquinon (vitamin K) 61 Chương Glucid trao đổi glucid 63 5.1 Khái niệm 63 5.2 Monosaccharide 63 5.3 Disaccharide 66 5.4 Polysaccharide 67 5.4.1 Tinh bột 67 5.4.2 Cellulose 68 5.4.3 Glycogen 69 5.5 Tổng hợp glucid 69 5.5.1 Pha sáng quang hợp 69 5.5.2 Pha tối quang hợp 77 5.6 Phân giải glucid 80 5.6.1 Quá trình đường phân 80 5.6.2 Lên men yếm khí 85 5.6.3 Hơ hấp háo khí – Chu trình Krebs 87 Chương Lipid trao đổi lipid 93 6.1 Khái niệm chung lipid 93 6.2 Lipid đơn giản 93 6.2.1 Glycerid 93 6.2.2 Sáp (Cerid) 95 6.2.3 Sterid 96 6.3 Lipid phức tạp 99 6.3.1 Phospholipid 99 Chương Sự trao đổi acid amin protein 108 7.1 Sự tổng hợp acid amin 108 7.1.1 Sự khử NO3 .108 7.1.2 Các đường hướng tổng hợp acid amin 108 7.1.3 Các đường hướng giải độc NH3 109 7.2 Sự phân giải acid amin 112 7.2.1 Khử cacboxyl hóa 112 7.2.2 Khử amin hóa 112 7.3 Sự trao đối protein .114 7.3.1 Sự tổng hợp protein 114 7.3.2 Sự phân giải protein 114 i GIÁO TRÌNH MƠ ĐUN Tên mơn học: SINH HĨA Mã mơn học: CNN226 Vị trí, tính chất, ý nghĩa vai trị mơ đun: - Vị trí: Khuyến nông môn học kỹ chuyên ngành bắt buộc, bố trí sau người học học xong chương trình mơn học chung mơn học sở - Tính chất: môn học kỹ quan trọng, giúp sinh viên hiểu hoạt động khuyến nông kỹ cần thiết hoạt động khuyến nông Ý nghĩa vai trị: Giáo trình cung cấp cho sinh viên kiến thức nông Khuyến nông, kỹ thuật tổ chức quản lý chương trình khuyến nông nhằm giúp sinh viên sau trường nắm kỹ cần thiết để xây dựng quản lý chương trình khuyến nơng cách hiệu Mục tiêu mô đun: - Về kiến thức: + Hiểu khuyến nơng gì, hoạt động khuyến nông + Biết phương pháp tiếp xúc với nông dân để nơng dân có cảm tình đạt hiệu cao công việc + Biết nguyên tắc thuyết phục nông dân hành động biết cách tổ chức buổi tập huấn, hội họp + Nắm bắt cách thiết kế giảng, áp phích, bảng lật, tờ bướm - Về kỹ năng: + Thực nguyên tắc để lấy thiện cảm với nông dân + Xây dựng thuyế trình thực thuyết trình trước nông dân đạt hiệu tốt + Thực tổ chức buổi hội thảo, tập huấn cho nông dân + Thiết kế bảng lật, báo cáo sinh động, dễ hiểu - Về lực tự chủ trách nhiệm: + Rèn luyện tính cẩn thận, ham học hỏi + Làm việc độc lập làm việc theo nhóm, giải cơng việc, vấn đề phức tạp điều kiện làm việc thay đổi, chịu trách nhiệm cá nhân trách nhiệm nhóm ii Nội dung mô đun: Thời gian (giờ) Số TT Tên bài, mục Tổng số Thực hành, thí Lý nghiệm, Kiểm tra thuyết thảo luận, tập Chương 1: Protein 1 Chương Acid nucleic 1 Chương Enzyme 2 Chương Vitamin 12 Kiểm tra Chương glucid Chương lipid Glucid trao đổi 15 12 Chương Sự trao đổi acid amin protein Ôn thi 1 10 Thi/kiểm tra kết thúc môn học 1 Cộng 45 Lipid trao đổi iii 14 28 C ương I h PROTEIN Viết công thức cấu tạo 20 acid amin thường gặp phân tử protein Phân loại acid amin, biết liên kết cấu trúc protein Mô tả bậc cấu trúc phân loại protein Trình bày tính chất protein 1.1 Protein vai trò sinh học chúng 1.1.1 Khái niệm protein Protein nhóm hợp chất đại phân tử sinh học, với polysaccharide, lipid acid cnucleic, tạo nên hợp phần chủ yếu thể sống Một cách cụ thể, protein polymer tạo nên từ trình tự xác định amino acid Protein hợp chất hữu có ý nghĩa quan trọng bậc thể sống Về mặt số lượng, protein chiếm không 50% trọng lượng khô tế bào Từ lâu người ta biết protein tham gia hoạt động sống thể sinh vật Ngồi vai trị thành phần cấu trúc tế bào mơ, protein cịn có nhiều chức phong phú khác định đặc điểm sống truyền đạt thơng tin di truyền, chuyển hố chất Thật vậy, enzyme, kháng thể chống lại bệnh tật, hormon dẫn truyền tín hiệu tế bào, có chất protein Ngày nay, hiểu rõ vai trò to lớn protein thể sống, người ta thấy rõ tính chất vật ý nghĩa định nghĩa thiên tài Engels P.: “Sự sống phương thức tồn thể protein” Với phát triển khoa học, vai trò ý nghĩa protein sống ngày khẳng định Cùng với acid nucleic, protein sở vật chất sống 1.1.2 Vai trò sinh học protein Tạo hình Ngồi protein làm nhiệm vụ cấu trúc vỏ virus, màng tế bào, gặp protein thường có dạng sợi như: sclerotin có lớp vỏ ngồi sâu bọ; tạo thành chuyển hóa phức chất trung gian enzyme chất để tạo thành sản phẩm phản ứng Trung tâm hoạt động bao gồm nhiều nhóm chức khác amino acid, phân tử nước liên kết nhiều có cofactor (coenzyme) hữu vô Ở enzyme thành phần, trung tâm hoạt động thường bao gồm tổ hợp nhóm chức amino acid khơng tham gia tạo thành trục sợi polypeptide Ví dụ nhóm - SH cysteine, - OH serine, threonine tyrosine, - NH2 lysine, -COOH glutamic acid, aspartic acid, vòng imidazol histidine, indol tryptophan, nhóm guanidin arginine Các nhóm xa mạch polypeptide lại gần không gian, định hướng xác định không gian cách khoảng cách định cho chúng tương tác với trình xúc tác Ví dụ: trung tâm hoạt động -chymotrypsin bao gồm nhóm hydroxyl Ser - 195, imidazol His57 nhóm carboxyl Asp-102 Các gốc xa chuỗi polypetid nhóm chức chúng cách từ 2,8 - 3,0Å Trung tâm hoạt động enzyme hai thành phần thường bao gồm nhóm ngoại (vitamin, ion kim loại, ) nhóm chức amino acid phần apoenzyme Sự tương ứng cấu hình không gian trung tâm hoạt động chất hình thành trình enzyme tiếp xúc với chất Theo quan niệm Fisher trung tâm hoạt động enzyme hình thành sẵn với cấu tạo định cho phép chất có cấu tạo tương ứng kết hợp vào Do ví tương ứng “ổ khóa với chìa khóa” (hình 3.1a) Hình 3.1: Mơ hình Fisher (a) mơ hình Koshland (b) 40 Giả thuyết giải thích số tượng khơng giải thích thỏa đáng nhiều kết thu thực nghiệm Vì vậy, Koshland đưa giả thuyết khác hấp dẫn tế nhị Theo thuyết đặc điểm vùng trung tâm hoạt động mềm dẻo linh hoạt, nhóm chức trung tâm hoạt động enzyme tự chưa tư sẵn sàng hoạt động, tiếp xúc với chất, nhóm chức phần trung tâm hoạt động phân tử enzyme thay đổi vị trí khơng gian, tạo thành hình thể khớp với hình thể chất (hình 3.1.b) Cũng vậy, người ta gọi mơ hình mơ hình “tiếp xúc cảm ứng” “khớp cảm ứng” Giữa chất trung tâm hoạt động tạo thành nhiều tương tác yếu, dễ dàng bị cắt đứt trình phản ứng để giải phóng enzyme sản phẩm phản ứng Trung tâm hoạt động enzyme có cấu trúc bậc nằm phần đơn vị (subunit) bao gồm nhóm chức thuộc phần đơn vị khác 3.3 Cơ chế tác dụng enzym Hầu tất biến đổi hóa sinh tế bào thể sống xúc tác enzyme pH trung tính, nhiệt độ áp suất bình thường, đa số chất xúc tác hóa học khác lại xúc tác nhiệt độ áp suất cao Chính nhờ việc tạo môi trường đặc hiệu (bởi trung tâm hoạt động enzyme liên kết với chất) có lợi mật độ lượng để thực phản ứng mà enzyme có khả đặc biệt nêu Trong phản ứng có enzyme xúc tác, nhờ tạo thành phức hợp trung gian enzyme-cơ chất mà chất hoạt hóa Khi chất kết hợp vào enzyme, kết cực hóa, chuyển dịch electron biến dạng liên kết tham gia trực tiếp vào phản ứng dẫn tới việc thay đổi động năng, kết làm cho phân tử chất trở nên hoạt động hơn, nhờ phản ứng thực dễ dàng 41 Năng lượng hoạt hóa có xúc tác enzyme khơng nhỏ nhiều so với trường hợp xúc tác mà nhỏ so với trường hợp có chất xúc tác thơng thường Ví dụ phản ứng phân hủy H2O2 thành H2O O2 khơng có chất xúc tác lượng hoạt hóa 18 Kcal/mol, có chất xúc tác platin lượng hoạt hóa 11,7 Kcal/mol, cịn có enzyme catalase xúc tác lượng hoạt hóa cịn 5,5 Kcal/mol Nhiều dẫn liệu thực nghiệm cho thấy trình tạo thành phức hợp enzymecơ chất biến đổi phức hợp thành sản phẩm, giải phóng enzyme tự thường trải qua ba giai đoạn theo sơ đồ sau: E + S ES P + E [Trong E enzyme, S chất (substrate), ES phức hợp enzyme-cơ chất, P sản phẩm (product)] - Giai đoạn thứ nhất: enzyme kết hợp với chất liên kết yếu tạo thành phức hợp enzyme-cơ chất (ES) không bền, phản ứng xảy nhanh đòi hỏi lượng hoạt hóa thấp - Giai đoạn thứ hai: xảy biến đổi chất dẫn tới kéo căng phá vỡ liên kết đồng hóa trị tham gia phản ứng - Giai đoạn thứ ba: tạo thành sản phẩm, cịn enzyme giải phóng dạng tự Các loại liên kết chủ yếu tạo thành E S phức hợp ES là: tương tác tĩnh điện, liên kết hydrogen, tương tác Van der Waals Mỗi loại liên kết đòi hỏi điều kiện khác chịu ảnh hưởng khác có nước Với phương pháp nghiên cứu tia X phương pháp hóa học người ta làm sáng tỏ cách thức gắn chất chế hoạt động số enzyme lysozyme, chymotrypsin, carboxypeptidase A, Sau giới thiệu chi tiết chế phản ứng carboxypeptidase A Carboxypeptidase A (EC 3.4.17.1) thuộc nhóm peptidhydrolase, xúc tác cho thủy phân liên kết peptide, phản ứng xảy với vận tốc lớn amino acid đầu C amino acid thơm Enzyme thủy phân liên kết ester Carboxypeptidase A có khối lượng phân tử 34,3 KDa chứa mol Zn/1 mol E Zn tham gia hoạt 42 động xúc tác enzyme Khi thay Zn kim loại hóa trị hai khác làm thay đổi hoạt độ tính đặc hiệu enzyme Trong phân tử enzyme, Zn gần bề mặt phân tử, tương tác với gốc His - 69, His - 196 Glu - 72 Các gốc amino acid có vai trị xúc tác trung tâm hoạt động enzyme là: Arg-145, Tyr-248 Glu-270 Cơ chế phản ứng xúc tác Carboxypeptidase A xác định sở kết nghiên cứu phản ứng với dipeptid glycyltyrosine Quá trình phân giải liên kết peptid phân thành bước sau: - Tạo thành phức ES: Khi tiếp xúc với chất, nhóm trung tâm hoạt động enzyme thay đổi vị trí khơng gian Nhóm guanidin Arg-145 nhóm carboxyl Glu-270 dịch chuyển 2Å, nhóm hydroxyl Tyr-248 dịch chuyển 12Å từ chỗ gần bề mặt phân tử chuyền vào đến vùng gần với liên kết peptid chất Tương tác nhóm chức trung tâm hoạt động với glycyltyrosine sau (hình 3.2): - Nhóm carboxyl tự chất kết hợp với nhóm tích điện dương Arg145 enzyme qua liên kết ion - Nhóm NH liên kết peptide chất tạo thành liên kết hydrogen với nhóm -OH Tyr-248 Hình 3.2: Sự tương tác nhóm chứa trung tâm hoạt động với glycyltyrosine 43 - Oxy nhóm -CO- liên kết peptide tương tác với Zn, cịn carbon nhóm -CO- tương tác với nhóm carboxyl Glu-270 qua phân tử nước - Cắt đứt liên kết giải phóng sản phẩm Nguyên tử Zn phân cực liên kết -CO, tăng tính điện tử nguyên tử carbon, làm tăng tương tác với nước với nhóm nhân phân tử protein enzyme Gốc Glu-270 hoạt hóa phân tử nước, nhóm -OH tạo thành công trực tiếp vào nguyên tử cacbon -CO- (trong liên kết peptide chất), liên kết peptide bị kéo căng bị đứt Gốc Tyr-248 nhường hydrogen cho nhóm -NH liên kết peptide cho chất, giải phóng sản phẩm tyrosine chất acyl-enzyme Sau liên kết peptide bị cắt đứt, trạng thái ion hóa nhóm acid base bị biến đổi tương ứng với pH môi trường, Tyr-248 kết hợp với proton, trở trạng thái ban đầu 3.4 Tính đặc hiệu enzym Khả xúc tác với tính đặc hiệu cao đặc tính quan trọng enzyme Tính đặc hiệu enzyme thể chỗ: enzyme xúc tác cho vô số chuyển hóa có chất Có hai loại đặc hiệu đặc hiệu phản ứng đặc hiệu chất * Tính đặc hiệu phản ứng: thể chỗ enzyme có khả lựa chọn dạng phản ứng số phản ứng xúc tác cho phản ứng Điều thấy rõ ví dụ sau đây: 44 Hình 3.3: Tính đặc hiệu phản ứng enzyme Dưới tác dụng oxidase, aminoacid bị khử amine hóa cách oxy hóa để tạo cetoacid NH3 Với có mặt oxidase, phản ứng khác khử carboxyl hóa lại khơng thể xảy Việc xúc tác địi hỏi phải có enzyme khác, decarboxylase Cũng vậy, phản ứng chuyển amine hóa địi hỏi phải có transaminase * Tính đặc hiệu chất: Enzyme lựa chọn chất tham gia phản ứng Không phải chất có khả phản ứng enzyme “tiếp nhận” Mỗi enzyme chuyên xúc tác cho một vài chất định mức độ đặc hiệu tùy thuộc vào loại enzyme Có mức độ đặc hiệu chất chủ yếu: a) Đặc hiệu tương đối: Enzyme tác dụng lên kiểu liên kết hóa học định mà khơng phụ thuộc vào nhóm hóa học nằm hai bên liên kết Ví dụ esterase tác dụng lên hàng loạt ester phosphoric acid b) Đặc hiệu nhóm: biểu enzyme tác dụng lên kiểu liên kết hóa học định hai nhóm nằm hai bên liên kết phải có cấu tạo định Ví dụ carboxylpeptidase có khả phân hủy liên kết peptide gần nhóm –COOH tự do, nghĩa liên kết peptide cuối mạch polypeptide, … c) Đặc hiệu tuyệt đối: Enzyme tác dụng lên kiểu liên kết định nhóm hóa học hai bên liên kết phải xác định Ví dụ: Enzyme trypsine thủy phân liên kết peptide lysine arginine với aminoacid Sản phẩm đoạn peptide có lysine arginine chứa nhóm COOH tự phía tận peptide 45 - Enzyme Trombine cịn có tính đặc hiệu cao trypsine: thủy phân liên kết peptide phía carboxyl gốc arginine có gốc glycine đứng liền kề sau nó: * Ngồi tính đặc hiệu nhiều enzyme cịn biểu cao tính đặc hiệu hóa học lập thể (Đặc hiệu quang học): Enzyme tác dụng lên dạng đồng phân lập thể chất hữu Ví dụ: Enzyme L-lactatdehydrogenase tác dụng lên L-lactic acid mà không tác dụng lên D-Lactic acid Muốn tác dụng lên D-Lactic acid phải có enzyme Dlactatdehydrogenase 3.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt tính xúc tác enzym 3.5.1 Nhiệt độ Trong phạm vi lý học, tốc độ phản ứng tăng lên với tăng nhiệt độ Nhưng vượt phạm vi đó, phản ứng enzyme xúc tác bị ảnh hưởng biến tính phân tử protein-enzyme Kết phụ thuộc vào nhiệt độ tối thích enzyme, nhiệt độ mà tốc độ phản ứng enzyme đạt cực đại Mỗi enzyme có nhiệt độ tối thích khác Sự khác tùy thuộc vào nguồn gốc enzyme, tùy theo điều kiện khác tính nhạy cảm với nhiệt độ phân tử protein-enzyme Đa số enzyme hoạt tính xúc tác nhiệt độ cao(>80oC), trừ papain, myokinase tồn 100oC 3.5.2 pH Mỗi enzyme có trị số pH tối thích hoạt tính chúng Ở ngồi phạm vi trị số hoạt tính enzyme bị giảm thấp Trị số pH tối thích số enzyme sau: Enzyme pH tối thích Pepsine 1,5 – 2,5 Amylase(mạch nha) 4,6 – 5,0 Amylase(nước bọt) 6,8 – 7,2 Trypsine 7,8 – 9,5 46 Arginase 9,8 Catalase 6,8 – 7,0 Peroxidase 6,0 Những nguyên nhân sau dẫn tới phụ thuộc vào pH enzyme: a) Nếu số nhóm bên tham gia trực tiếp hoạt động enzyme chứa nhóm có khả phân ly b) pH ảnh hưởng tới nhóm phân ly khác protein-enzyme vốn có tác dụng việc trì cấu hình có hoạt tính enzyme c) Sự thay đổi pH mơi trường ảnh hưởng tới nhóm phân ly chất hay coenzyme vốn kết hợp với enzym 3.5.3 Nồng độ chất nồng độ enzym Nồng độ enzym Nói chung điều kiện thừa chất, vận tốc phản ứng phụ thuộc tuyến tính vào nồng độ enzyme, v = k[E] Trong đó: v vận tốc phản ứng; [E] nồng độ enzyme Cũng có trường hợp nồng độ enzyme lớn, vận tốc phản ứng tăng chậm Nồng độ chất Năm 1913, L Michaelis M Menten đưa mơ hình để giải thích tính chất động học phản ứng enzyme lập phương trình biểu diễn mối quan hệ vận tốc phản ứng (v) với nồng độ chất enzyme Đặc điểm quan trọng mơ hình là: mở đầu phản ứng cần thiết phải tạo thành phức trung gian enzyme - chất (ES) Sau phức ES chuyển hóa tiếp tạo thành sản phẩm cuối phản ứng enzyme tự do, enzyme lại kết hợp với phân tử chất khác bắt đầu vòng xúc tác Trường hợp đơn giản nhất, phản ứng có chất S, enzyme (E) xúc tác cho chuyển hóa tạo thành sản phẩm P, phản ứng xảy sau: K3 47 Trong đó: k1, k2, k3 số vận tốc phản ứng tương ứng v1, v2, v3 Vận tốc phản ứng chuyển hóa phức ES tạo thành sản phẩm enzyme định vận tốc xúc tác phản ứng chuyển S P Vận tốc phản ứng tỷ lệ với nồng độ phức ES, nồng độ ES cao, vận tốc phản ứng lớn Ký hiệu [E0] nồng độ enzyme ban đầu, [ES] nồng độ phức trung gian enzyme-cơ chất [E] nồng độ enzyme tự phản ứng đạt đến cân Do [E] = [ E ] - [ES] [S] nồng độ chất ban đầu xem nồng độ chất lúc phản ứng đạt đến cân nồng độ chất phản ứng lớn gấp nhiều lần nồng độ enzyme bỏ qua lượng [S] phức ES Hơn nữa, nghiên cứu động học phản ứng enzyme thường xác định vận tốc ban đầu, lượng chất bị chuyển hóa chưa đáng kể so với nồng độ ban đầu Từ phương trình phản ứng (1) thiết lập phương trình vận tốc phản ứng sau: - Vận tốc phản ứng tạo thành ES là: k1 ([E0 ] - [ES]) [S] (2) - Vận tốc phân li phức ES tổng vận tốc phản ứng: + Phản ứng phân li để tạo thành E S (ngược với phản ứng kết hợp) + Phản ứng biến đổi thành P E Do vận tốc phân li phức ES bằng: (k2 + k3)[ES] (3) Khi hệ thống phản ứng đạt đến cân bằng, vận tốc tạo thành ES vận tốc phân li ES: k1 ([E0 ] - [ES]) [S] = (k2 + k3) [ES] (4) Để đơn giản hơn, dùng số xếp lại số hạng phương trình (4) có: 48 Như nói, ES lớn vận tốc phản ứng lớn Khi nồng độ chất đủ lớn, tất phân tử enzyme có phản ứng tham gia phức ES, vận tốc phản ứng đạt đến cực đại (V) Do thiết lập tỉ lệ sau: v ES V E (6) Tính v ES E từ phương trình (5) thay vào (6) có: VS Km S (7) Đây phương trình Michaelis-Menten Holden Briggx hồn thiện Km gọi số Michaelis Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng nồng độ chất đến vận tốc phản ứng (theo phương trình (7)), v hàm số [S] có dạng nhánh hyperbol vng góc Để xác định Km V dựa vào đồ thị biểu diễn mối quan hệ vận tốc phản ứng với nồng độ chất: thay đổi nồng độ chất, với nồng độ chất xác định vận tốc ban đầu phản ứng Theo cách biến diễn phương trình (7), cần tiến hành nhiều thí nghiệm vẽ xác Vì người ta cải biến phương trình thành dạng có đường biểu diễn thẳng Cách đơn giản lấy số nghịch đảo vế phương trình (7) (Lineaweaver Burk, 1934), có phương trình sau: Km 1 v V S V (8) Phương trình (8) có dạng Y - ax + b, đường biểu diễn thẳng, cắt 1 trục tung điểm V cắt trục hoành điểm Km Theo cách này, cần tiến hành thí nghiệm với ba, bốn nồng độ chất vẽ đồ thị xác xác định trị số Km V Điều quan trọng cần nhấn mạnh nghiên 49 cứu động học phản ứng enzyme cần xác định vận tốc ban đầu phản ứng, sử dụng chế phẩm enzyme tinh khiết Ngồi ra, nồng độ chất khơng nên q lớn làm giảm vận tốc phản ứng enzyme Hình 3.4: Sự phụ thuộc tốc độ ban đầu nồng độ chất phản ứng enzyme xúc tác Đối với enzyme allosteric, đường biểu diễn phụ thuộc v vào [S] khơng có dạng hyperbol Trong nhiều trường hợp, đường biểu diễn quan hệ vận tốc ban đầu phản ứng với nồng độ chất có dạng gần chữ “S” (dạng sigmoid) Điều có nghĩa phân tử chất kết hợp vào trung tâm hoạt động enzyme làm tăng nhanh việc kết hợp phân tử chất vào trung tâm hoạt động khác phân tử enzyme Điều giống phân tử O2 kết hợp vào Hb làm tăng nhanh tương tác phân tử O2 Đường biểu diễn có dạng chữ “S” cho thấy cần nồng 50 độ chất tăng lên nhỏ làm tăng vận tốc xúc tác nhiều lần lớn so với enzyme tuân theo phương trình Michaelis - Menten 3.5.4 Chất hoạt hóa chất kìm hãm Hoạt độ enzyme bị thay đổi tác dụng số chất có chất hóa học khác Các chất làm giảm hoạt độ enzyme gọi chất kìm hãm chất ức chế (inhibitor), thường kí hiệu I Các chất ion, phân tử vô vơ, hữu kể protein Các chất ức chế tham gia điều hòa, kiểm tra trình trao đổi chất hệ thống sống K EI i EI K i (9) Các chất gây biến tính protein chất kìm hãm khơng đặc hiệu enzyme Nhiều chất khác khơng làm biến tính protein làm giảm hoạt độ xúc tác theo chế khác Các chất kìm hãm thuận nghịch khơng thuận nghịch enzyme Nếu kìm hãm thuận nghịch, phản ứng kết hợp enzyme chất kìm hãm (I) nhanh chóng đạt đến cân Trong trường hợp kìm hãm khơng thuận nghịch, K-i bé, xem I kết hợp với E liên kết đồng hóa trị kết hợp chặt đến mức khó lịng tách khỏi E, phân li phức EI chậm - Các chất kìm hãm cạnh tranh Các chất kìm hãm cạnh tranh chất kìm hãm thuận nghịch enzyme, có cấu trúc tương tự với cấu trúc chất, có khả kết hợp vào trung tâm hoạt động E chiếm chỗ kết hợp chất Sự kết hợp I S vào trung tâm hoạt động enzyme có tính chất loại trừ lẫn Như vậy, I cạnh tranh làm giảm vận tốc phản ứng xúc tác làm giảm số lượng phân tử enzyme có khả kết hợp với chất Ví dụ, chất kìm hãm cạnh tranh succinate dehydrogenase malonic acid (HOOC-CH2 -COOH), có cấu tạo giống với chất enzyme succinic acid (HOOC-CH2 -CH2 -COOH) Do chỗ I S có khuynh hướng đầy khỏi phức với enzyme nồng độ chất lớn so với nồng độ chất kìm hãm, loại trừ hồn tồn tác dụng kìm hãm 51 Trong trường hợp đơn giản (phương trình phản ứng (1)), có chất kìm hãm cạnh tranh, có phản ứng xảy sau: E + S ES E + P E+I EI - Chất kìm hãm khơng cạnh tranh Như nói, chất kìm hãm cạnh tranh kết hợp vào trung tâm hoạt động enzyme, khác với chất chỗ thân chất kìm hãm khơng bị chuyển hóa tác dụng enzyme Hình 3.5: Mơ hình minh họa sai khác chất kìm hãm cạnh tranh chất kìm hãm khơng cạnh tranh cách kết hợp với enzyme Chất kìm hãm kết hợp với enzyme chỗ khác với trung tâm hoạt động (hình 3.5) làm thay đổi cấu trúc khơng gian phân tử enzyme, theo hướng khơng có lợi cho hoạt độ xúc tác làm giảm vận tốc phản ứng xúc tác Sau kết hợp với chất kìm hãm khơng cạnh tranh, enzyme kết hợp với chất tạo thành phức EIS Có thể viết phương trình phản ứng (1) có chất kìm hãm khơng cạnh tranh sau: E + S ES E + P E + I EI EI + S EIS Khi có chất kìm hãm không cạnh tranh vận tốc cực đại bị giảm dần Km khơng thay đổi, vận tốc phản ứng bị giảm tương ứng Dưới tác dụng chất kìm hãm khơng cạnh tranh, mức độ kìm hãm không phụ thuộc vào tương quan 52 nồng độ S I, nồng độ chất lớn không loại trừ tác dụng kìm hãm Trong số trường hợp sản phẩm phản ứng tác dụng chất kìm hãm khơng cạnh tranh enzyme Ngồi có trường hợp chất kìm hãm kết hợp với ES mà không kết hợp với E tự do, trường hợp V Km bị giảm dần, độ dốc đường biểu diễn khơng đổi Các chất kìm hãm, chất kìm hãm có tính đặc hiệu cao có ý nghĩa lớn nghiên cứu disopropilphosphofluoridate học khoa (DIPF thực DFP), tế Ví dụ: iodoacetamid, p-cloromerurbenzoate, thường dùng để phát nhóm chức trung tâm hoạt động enzyme DIPF phản ứng với gốc Ser có vai trị xúc tác trung tâm hoạt động enzyme acetylcholinesterase, trypsin, chymotrysin, tạo thành phức khơng hoạt động Các chất kìm hãm protein thường có tính đặc hiệu cao, kìm hãm thuận nghịch enzyme, chúng có vai trị quan trọng việc điều hịa, kiểm tra q trình trao đổi chất hệ thống sống Thuộc loại này, protein điều hòa hoạt độ proteinase nghiên cứu nhiều sử dụng y học, nghiên cứu khoa học CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG Định nghĩa enzyme? Phân loại enzyme cho ví dụ? Mối quan hệ enzyme vitamin? Tại nói : enzyme chất xúc tác sinh học có chất protein ? Các điều kiện ảnh hưởng tới tốc độ phản ứng enzyme ? TÀI LIỆU THAM KHẢO Đỗ Đình Hồ, Đơng Thị Hồi An, Nguyễn Thị Thảo, Phạm Thị Mai, Trần Thanh Lan Phương, Đỗ Thị Thanh Thủy, Lê Xuân Trường (2005), Hóa sinh y học, NXB Y Học, Tp HCM PGS TS Đồng Thị Thanh Thu (), Giáo trình sinh hóa Phần 1, ĐHKHTN Tp Hồ Chí Minh Nguyễn Thị Hiền (2000), Hố sinh nơng nghiệp, NXB Giáo dục 53 Phạm Thị Trân Châu, Trần Thị Áng (2000), Hóa sinh học, ĐHSP Hà Nội 54 ... 10 1. 3.2 .1 Cấu trúc bậc 10 1. 3.2.2 Cấu trúc bậc 11 1. 3.2.3 Cấu trúc bậc 11 1. 3.2.4 Cấu trúc bậc 11 1. 4 Phân loại Protein 11 1. 4 .1. .. 01 1 .1. 1 Khái niệm protein 01 1 .1. 2 Vai trò sinh học protein 01 1 .1. 3 Thành phần nguyên tố thành phần cấu tạo 03 1. 2 Các acid amin 03 1. 2 .1 Khái... dạng 11 1. 4.2 Phân loại theo thành phần hóa học 12 1. 5 Tính chất protein 13 1. 5 .1 Tính chất lý học 13 1. 5.2 Tính lưỡng tính 14 1. 5.3 Sự biến