NGUYỄN TẤN THÀNH BỒI DƯỠNG HỌC SINH GIỎI HÓA – SINH TẾ BÀO (DÀNH CHO HỌC SINH CHUYÊN – GIÁO VIÊN DẠY CHUYÊN) NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI Quyển I LỜI NÓI ĐẦU Cuốn sách “Học Sinh Giỏi Hóa Sinh.
NGUYỄN TẤN THÀNH BỒI DƯỠNG HỌC SINH GIỎI HÓA – SINH TẾ BÀO (DÀNH CHO HỌC SINH CHUYÊN – GIÁO VIÊN DẠY CHUYÊN) Quyển I NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI LỜI NÓI ĐẦU Cuốn sách “Học Sinh Giỏi Hóa - Sinh Tế Bào” dành cho đối tượng học sinh ôn thi Chuyên, ôn thi Học sinh giỏi giáo viên dạy chuyên trường THPT Chuyên không Chuyên nước Cuốn sách gồm hai phần Phần Lý thuyết: - Hóa Sinh - Sinh học Tế Bào Phần Bài tập: - Bài tập tương ứng phần - Bài tập tự giải - Đề Với phát triển không ngừng khoa học mà Hóa sinh học Sinh học Tế Bào lĩnh vực phát triển mạnh nhất; đạt nhiều thành tựu bổ sung thêm kho tàng khoa học phong phú nhân loại Chính vậy, hy vọng sách bổ sung tri thức mới, dẫn liệu khoa học năm trở lại Việc tăng thêm phần kiến thức Tín hiệu tế bào – Điều hòa – Apoptosis mang lại kiến thức sâu, bạn đọc nên đọc nhiều tư liệu khác để hiểu tường tận Phần lớn nội dung sách tham khảo tử nhiều sách nước ngoài, chủ yếu Molecular cell biology - Lodish; Molecular biology of the cell - Alberts Lehninger principles of Biochemistry – Lehninger Phần tập trích từ nhiều nguồn khác (Đề thi HSG Quốc Gia, IBO, USA Biology Open exams, British Biology Olympiad, Victorian Certificate of Education, ) Trong tài liệu này, tơi cịn trích dẫn từ số đề tài, chun đề giảng, báo cáo khoa học nhiều tác giả Do chưa có đủ thơng tin thời gian tìm hiểu chủ nhân đề tài chuyên đề Nên mong nhận thông cảm từ quý vị Tôi xin chân thành cảm ơn Tôi tin tưởng rằng, sách tài liệu tham khảo hữu ích cho bạn đọc mà tài liệu giảng dạy học tập cho đông đảo giáo viên, sinh viên học sinh đam mê sinh học Dù cố gắng việc biên soạn, tránh khỏi sai sót nội dung trình bày, tơi vinh dự nhận đóng góp ý kiến từ bạn đọc để tơi bổ sung, sửa chữa hoàn thiện tái Mọi ý kiến đóng góp xin gửi địa email: nguyenthanhlqdk66@gmail.com Tác giả LỜI CẢM ƠN Trong trình soạn sách, khoảng thời gian dài năm Tôi nhận giúp đỡ hậu thuẫn vơ lớn Bộ mơn Hóa Sinh Tế Bào, Khoa Sinh Học, Trường Đại Học Sư Phạm Hà Nội Đặc biệt, người Tôi muốn gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc TS Đào Văn Tấn – Trưởng Bộ Môn Với kinh nghiệm lâu năm cương vị giảng viên nhà nghiên cứu, Thầy giúp đỡ nhiều việc truyền lửa, truyền đam mê, cho thấy hay Hóa Sinh Tế bào, cho tơi cảm giác lên môn nhà Đồng thời, nhiều năm giảng dạy đội tuyển IBO (International Biology Olympiad) IJSO (International Junior Science Olympiad), lợi vô lớn kinh nghiệm cho lĩnh hội học thuật lẫn kỹ Thầy cịn tơi vẽ nét, dành buổi ăn trưa để say sưa hồn thiện hình ảnh ưng ý tơi tự hào sách đến 90% hình vẽ tơi Thầy vẽ lại Tôi cảm ơn Thầy nhiều Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy (cơ) anh (chị) Phịng thí nghiệm Hóa sinh – Tế bào, Chị Khổng Thu Hiền Chị Diêm Thị Thùy Dung, em Trần Quang Minh (THPT chuyên Thái Ngun), Trần Minh Tồn (THPT chun Lê Q Đơn Đà Nẵng) Mọi người giúp đỡ nhiều q trình viết thảo hồn thiện sách Chúc thành công! DANH MỤC CÁC TÙ VÀ CHỮ VIẾT TẮT Từ viết tắt Nghĩa tiếng việt Nghĩa tiếng anh ACTH Hormone vỏ thượng thận Aderenocorticotrophic hormone APC/C Phức hợp xúc tiến kỳ sau Anaphase promoting complex/cyclosome ATP Adenosine triphosphate Adenosine triphosphate cAMP AMP vòng Cyclic AMP CAP/CRP Protein hoạt hóa chất dị hóa Catabolite activator protein CDK Enzyme kinase phụ thuộc cyclin Cyclin dependent kinase CK Cytokines Cytokines CML Ung thư bạch cầu dòng tủy Chronic myelogenous leukemia CREB Yếu tố phiên mã di động cAMP response element-binding protein DAG Chất truyền tin thứ cấp DAG Diacylglycerol DISC Phức hợp tín hiệu điều dẫn chết Death inducing signaling complex DNA Acid deoxyribonucleic Deoxyribonucleic acid E Enzyme Enzyme E2F Yếu phiên mã điều khiển biểu E2 promoter binding factor EF Yếu tố kéo dài Elongation factor FGF Yếu tố tăng trưởng nguyên bào sợi Fibroblast growth factor FI Ức chế phản hồi Feedback inhibition GABA Acid Gamma amino butyric Gamma amino butyric Acid GAP Protein tăng tốc GTPase GTPase accelerating protein GP Phosphoryl hóa glycogen Glycogen phosphorylase GPCRs Thụ thể G-protein G-protein linked receptors GPK Glycogen phosphorylase kinase Glycogen phosphorylase kinase gRNA RNA đường Guide RNA GS Glycogen synthesis Glycogen synthesis I Chất ức chế Inhibitor IAPs Protein ức chế chết theo chương trình Inhibitor apoptosis proteins IF Yếu tố bắt đầu Initiation factor IP3 Chất truyền tin thứ cấp IP3 Inositol triphosphate RNA thông tin Messenger RNA PDGF Yếu tố tăng trưởng tiểu cầu Platelet field gel electrophoresis PKA Protein kinase A Protein kinase A PKC Protein kinase C Protein kinaseC RE Yếu tố tách Relase factor RNA Acid ribonucleic Ribonucleic acid rRNA RNA ribosome Ribosomal RNA RTK Thụ thể tyrosine kinase Receptor tyrosine kinase S Cơ chất subtracte siRNA RNA can thiệp kích thước nhỏ Smail interfering RNA TOM Hệ thống vận chuyển màng ty thể Translocase, outer mitochondrial tRNA RNA vận chuyển Transfer RNA mRNA KHÁI QUÁT Hóa sinh học ngành khoa học nghiên cứu đến cấu trúc trình hóa học diễn thể sinh vật Đây mơn học giao thoa hóa học sinh học, mà phần lớn lĩnh vực sinh học tế bào, sinh học phân tử di truyền Đồng thời, môn học tiên để sâu vào giải vấn đề có ý nghĩa đặc biệt quan trọng với y dược công nghệ sinh học Hóa sinh học chia thành thể loại: hóa sinh tĩnh hóa sinh động, thứ tự phần hóa sinh sách Hóa sinh tĩnh gồm hai chương: Enzyme Các hợp chất hữu - Chương I: Sự tồn enzym biết đến gần hai kỷ Một số nghiên cứu sớm thực vào năm 1835 nhà hóa học người Thụy Điển Jon Jakob Berzelius, ông gọi chúng hóa chất xúc tác Mãi năm 1926, enzyme tinh khiết thu được, thực James B Sumner (Giải Nobel Y học năm 1947) Đại học Cornell Các tế bào sống tranh đa màu sắc hoạt động sinh hóa to lớn gọi trao đổi chất Đây q trình thay đổi hóa học vật lý diễn liên tục sinh vật sống Xây dựng mô mới, thay mô cũ, chuyển đổi thức ăn thành lượng, xử lý chất thải, sinh sản - tất hoạt động mà mô tả “cuộc sống” Sự tồn enzyme dường giúp thứ trở nên dễ dàng hơn, bôi trơn kích hoạt tất hoạt động Ở chương này, khái quát đơn giản thành phần cấu trúc, chức số tính chất enzyme nhân tố ảnh hưởng đến enzyme Cuối cùng, có câu chuyện thú vị enzyme, chuyển hóa sống - Chương II: Trong chương này, giới thiệu tính chất đặc tính sinh học protein, carbohydrate, lipid acid nucleic Xác định thành phần tạo nên cấu trúc lớn phân tử, mô tả cách lắp ráp, quan sát không gian ba chiều, với vai trị chúng sống sinh vật Hóa sinh động gồm hai chương: Trao đổi Saccharide, Lipid Tổng hợp DNA, RNA, Protein - Chương III: Tất sinh vật sống cần cung cấp lượng liên tục sống sót, từ hấp thụ lượng ánh sáng từ lượng hóa học tiềm (năng lượng lưu trữ chất dinh dưỡng phân tử) Trong chương này, xem xét cách tế bào sản xuất lượng từ thực phẩm, thường dạng ATP Thông qua nguyên tắc chung biến đổi lượng tế bào, minh họa nguyên tắc đường dị hóa glucose diện vắng mặt O2 Đồng thời, giới thiệu vai trò lipid cung cấp lượng dự trữ cho sinh vật, xây dựng mối quan hệ đường trao đổi chất lipid saccharide - Chương IV: Sự tổng hợp DNA, RNA, PROTEIN dường yếu tố để cấu thành nên toàn hệ sinh vật Trong chương này, đề cập cách nhẹ nhàng để bạn đọc hiểu nét nhân đôi DNA, phiên mã tạo RNA dịch mã cung cấp protein, bạn đọc tham khảo di truyền sinh học phân tử để tham khảo rõ sâu Bồi dưỡng học sinh giỏi hóa – sinh tế bào (C6H10O5)n Lipid Enzyme Fatty acid glycerol C6H10O6 glycolysis Acid pyruvic Acid lactic Krebs R ATP Operon lac P O Z YA Tóm lược phần hóa sinh (1) Vai trị enzyme chuyển hóa phần lớn hợp hữu đặc biệt nguồn carbohydrate, nhà máy sản sinh lượng cấu trúc nên tế bào (2) Mối quan hệ glucose glyceryl vai trị chuyển hóa thể cần sử dụng dự trữ (3) (4) Với glucose/32ATP, glucose cung cấp phần lớn lượng sản phâm trao đổi đảm bảo hoạt động sống, không oxy acid lactic tạo giải pháp cho sản xuất ATP tạm thời (5) Hoạt động phân giải tổng hợp ln điều hịa chặt chẽ gen số phân tử hữu Sinh học Tế bào ngành khoa học nghiên cứu tế bào – với đặc tính sinh lý, cấu trúc, bào quan nằm bên chúng, tương tác với môi trường, phân chia chết Một lĩnh vực nghiên cứu gắn liền với phát triển liên tục khoa học, cải tiến kính hiển vi đủ phép khám phá tế bào vào kỷ XVII Robert Hooke người sử dụng kính hiển vi để thực quan sát khoa học tế bào, mở ngành khoa học sinh học tế bào Năm 1665, Hooke nghiên cứu lát cắt mảnh nút bần (mô bần - mơ thực vật bị bần hóa chết) nhờ kính hiển vi quang học thơ sơ có độ phóng đại 30 lần Nhờ ơng thấy mơ bần cấu tạo gồm nhiều rỗng có thành bao quanh, xếp cạnh tổ ong nên ông gọi chúng tế Vào lúc Hooke quan sát tế bào thực vật hóa bần chết, cịn lại thành tế bào nên có dạng xoang rỗng Vào năm 1674 – 1683, kính hiển vi có độ phóng đại khoảng 300 lần Antonie van Leeuwenhoek, nhà khoa học người Hà Lan phát tế bào như: vi sinh vật giọt nước ao, tế bào máu, tế bào tinh trùng động vật Từ quan sát ơng có kết luận tế bào có cấu tạo phức tạp gồm màng sinh chất, tế bào chất chứa bào quan nhân khơng có dạng xoang rỗng Hooke thấy Trong kỷ sau đó, có nhiều tranh luận xung quanh tế bào nhà khoa học Hầu hết tranh luận bao gồm chất tái sinh tế bào, ý tưởng tế bào đơn vị sống Học thuyết tế bào cuối hình thành vào khoảng năm (1838 – 1839), với đóng góp nhà thực vật học Matthias Schleiden nhà động vật học Theodor Schwann Học thuyết tế bào lý thuyết khoa học miêu tả tính chất tế bào giải thích nguồn gốc sống bắt nguồn từ tế bào Những tế bào đơn vị cấu Khái quát trúc sinh vật đơn vị sống Phriđrich Ăngghen , nhà triết học lỗi lạc đánh giá học thuyết tế bào ba phát kiến vĩ đại khoa học tự nhiên kỷ XIX (cùng với học thuyết tiến hóa định luật bảo tồn chuyển hóa lượng) Ngày nay, ánh sáng khoa học đại, học thuyết tế bào giữ nguyên giá trị và thường được phát biểu thành ba mệnh đề gồm ý sau: Tế bào đơn vị cấu trúc chức nhỏ sinh vật sống Là cấu trúc có biểu đầy đủ đặc tính sống, gồm đặc tính sau: - Trao đổi vật chất lượng - Sinh trưởng phát triển - Sinh sản - Cảm ứng thích nghi - Ngồi cịn có số đặc tính khác sống như: biệt hóa tế bào, chết theo chương trình tế bào, điều hịa hoạt động gen, Mọi sinh vật được cấu tạo từ nhiều tế bào Tế bào mốc phân định ranh giới sống không sống Các tế bào sinh từ tế bào có trước cyclin D -Cdk pRB P Transcription E2F pRB E2F M G2 α GDP ATP Glucose S Adenylyl cyclase γ β G1 cAMP Acid pyruvic Cytc ADP + Pi K+ ATP Caspase Na+ Na+ Glucose Cell death (Apoptosis) Tóm lược phần tế bào Tế bào đơn vị cấu trúc nên sống, thực đầy đủ chức giới sống thu nhỏ trao đổi vật chất lượng, tín hiệu tế bào, phân chia chết Tuần tự vậy, phần xem xét cấu trúc tế bào (chương V), cấu tạo màng vận chuyển chất qua màng (Chương VI), tín hiệu tế bào đảm bảo mối liên hệ ngồi mơi trường (Chương VII), phân bào apoptosis – cell death (Chương VIII), cuối ung thư (chương IX) ENZYME I KHÁI QUÁT VỀ ENZYME Khái niệm Enzyme có chất protein (một số acid ribonucleic – ribozyme), có tác dụng xúc tác, làm tăng tốc độ phản ứng cách đặc hiệu Enzyme có mặt tất hoạt động sống tế bào, có đầy đủ đặc tính lý hóa chất xúc tác: - Tính đặc hiệu cao: enzyme thường đặc trưng cho phản ứng định Ví dụ enzyme urease xúc tác phản ứng phân giải ure Một số enzyme có tính đặc hiệu tương đối chẳng hạn enzyme lipase có khả thủy phân nhiều loại este khác - Hiệu suất xúc tác lớn: tốc độ phản ứng tăng lên 105 – 107 lần so với khơng có chất xúc tác Ví dụ enzyme catalase xúc tác phản ứng H2O2 H2O + O2 giây với chất xúc tác Fe cần đến 300 năm - Tác dụng xúc tác điều kiện bình thường: pH mơi trường gần trung tính, áp suất bình thường, nhiệt độ 1000C Phân loại enzyme Từ năm 1961, Hội Hóa sinh quốc tế thống phân loại enzyme thành lớp dựa vào kiểu xúc tác: A Oxidoreductase: xúc tác cho phản ứng oxy hóa – khử (vận chuyển điện tử, ion hydride nguyên tử H) B Transferase: xúc tác cho phản ứng chuyển vị nhóm từ phân tử đến phân tử khác C Hydrolase: xúc tác phản ứng thủy phân (cũng phản ứng vận chuyển nhóm chức năng) D Lyase: xúc tác cho phản ứng thêm nhóm vào nối đơi, tạo thành nối đơi cách loại nhóm E Isomerase: xúc tác cho phản ứng đồng phân hóa, chuyển vị nhóm nội phân tử tạo thành dạng đồng phân F Ligase: xúc tác cho phản ứng tạo thành liên kết C-C; C-O; C-S C-N phản ứng ngưng tụ, kèm theo phản ứng cắt đứt liên kết giàu lượng nucleoside triphosphate, thường dấu hiệu nhận biết kiểu enzyme với lyase có xuất ATP II CẤU TẠO HÓA HỌC ENZYME Cấu trúc enzyme Enzyme protein có khối lượng phân tử từ 12.000 đến hàng triệu đơn vị Dalton (Da) Cũng protein, thành phần cấu tạo, enzyme làm hai loại: enzyme thành phần hai thành phần 10 Chương I: Enzyme Enzyme thành phần: có thành phần protein Ví dụ enzyme pepsin dày Enzyme hai thành phần hay haloenzyme gồm phần: phần protein gọi apoenzyme, phần protein cofactor (hoặc coenzyme) Phần ngoại protein có chức xúc tác apoenzyme Coenzyme (CoE) dẫn xuất vitamin hòa tan nước (ví dụ: NAD+) Vì thiếu vitamin ảnh hưởng đến hoạt độ enzyme tương ứng tế bào, vi phạm trình trao đổi chất, gây nên bệnh đặc trưng chẳng hạn bệnh pellagra, Scorbut,… Cofactor ion kim loại, với hàm lượng (nguyên tố vi lượng) có vai trị quan trọng nhiệm vụ hoạt hóa enzyme Ví dụ Cu2+ có cytochrome oxydase; carbonic anhydrase, alcol dehydrogenase chứa Zn2+; Hexokinase, glucose 6-phosphatase, pyruvate kinase chứa Mg2+; glutathion peroxidase chứa Se2+, … Trung tâm hoạt động enzyme Trung tâm hoạt động vị trí hoạt động (activate site) enzyme vùng đặc biệt enzyme có tác dụng gắn với chất để xúc tác cho phản ứng làm biến đổi chất thành sản phẩm Mỗi enzyme có một, hai vài trung tâm hoạt động Trung tâm hoạt động enzyme gồm nhóm hóa học liên kết tiếp xúc trực tiếp với chất không tiếp xúc trực tiếp với chất có chức trực tiếp q trình xúc tác Về thành phần cấu tạo, trung tâm hoạt động thường bao gồm acid amin có nhóm hóa học có hoạt tính cao serine (có nhóm -OH), cystein (có nhóm -SH), glutamte (có nhóm y-COO), lysine (có nhóm S-NH3+), histidine (có nhóm imidazol+), tryptophan (có nhóm indol+),… nhóm phân cực ion hóa, có khả tạo liên kết hydro ion vổi chất Trung tâm hoạt động Enzyme Fisher E (1890) đưa thuyết “ổ khóa chìa khóa” tác động enzyme Theo thuyết này, tương tác enzyme (E) chất (S), nghĩa gắn enzyme chất để tạo thành phức hợp enzyme – chất (ES) giống quan hệ “ổ khóa” “chìa khóa”, enzyme xúc tác cho chất Thuyết giải thích tính đặc hiệu tuyệt đối enzyme khơng giải thích tính đặc hiệu tương đối enzyme Để giải thích tính đặc hiệu tương đối enzyme, Koshland D (1958) đưa thuyết “mơ hình cảm ứng không gian” (induced fit model) Theo thuyết này, trung tâm hoạt động enzyme có tính mềm dẻo linh hoạt, biến đổi cấu hình khơng gian trình tương tác vối chất S cho phù hợp với cấu hình khơng gian chất, để tạo thành phức hợp enzyme chất (ES) Enzyme allosteric (E dị lập thể) Enzym dị lập thể loại enzyme trung tâm hoạt động cịn vài vị trí dị lập thể; trung tâm hoạt động tiếp nhận chất để xúc tác cho phản ứng enzyme vị trí dị lập thể tiếp nhận yếu tố dị lập thể để điều chỉnh hoạt động xúc tác enzyme Phân tử enzyme dị lập thể có vị trí dị lập thể dương, vị trí dị lập thể âm có hai 11 Bồi dưỡng học sinh giỏi hóa – sinh tế bào Khi vị trí dị lập thể dương tiếp nhận yếu tố dị lập thể dương A (chất hoạt hóa) cấu hình enzyme thay đổi theo hướng có lợi hơn, enzyme hoạt hóa, lực enzyme với chất tăng lên, enzyme gắn với chất để tạo thành phức hợp enzyme – chất tốt hơn, tốc độ phản ứng tăng lên Khi vị trí dị lập thể âm tiếp nhận yếu tố dị lập thể âm (chất ức chế) cấu hình enzyme thay đổi theo hướng có hại, enzyme bị ức chế, lực enzyme với chất giảm nên tốc độ phản ứng giảm Thơng thường, chất hoạt hóa dị lập thể chất đứng trước chất chuỗi phản ứng, chất ức chế dị lập thể chất đứng sau chuỗi phản ứng sản phẩm cuối chuỗi phản ứng Chẳng hạn, đường đường phân, enzyme phospho fructokinase enzyme dị lập thể, hoạt hóa yếu tố dị lập thể dương ADP AMP, bị ức chế yếu tố dị lập thể âm ATP citrate Ví dụ E allosteric: Aspatate carbamoyl transpherase (ACT) Enzyme xúc tác cho phản ứng trình sinh tổng hợp pyrimidine: Aspatate + Carbamoylphosphate Carbamoyl Aspatate + Orthophosphate Ở E.coli, hoạt độ enzyme điều hòa để trả lời với nhu cầu pyrimidine vi khuẩn ACT E.coli có chất điều hịa âm CTP chất điều hòa dương ATP III CƠ CHẾ TÁC ĐỘNG Enzyme thực chức xúc tác làm tăng tốc độ phản ứng cách giảm lượng hoạt hóa gồm giai đoạn chính: - Tạo thành phức ES - Phân ly phức ES giải phóng E trạng thái ban đầu, giải phóng sản phẩm Khi có mặt chất, chất cảm ứng định hướng khơng gian nhóm chức trung tâm hoạt động E, tạo nên định hướng tương ứng thích hợp nhóm chức TTHĐ E nhóm chức chất, dọn đường cho S kết hợp vào TTHĐ E, tạo thành phức ES Khi tạo thành phức ES, đồng thời loại phân tử nước Tương tác gốc amino acid E với chất, thay đổi đám mây electron, giảm lượng hoạt hóa cần thiết để đưa đến trạng thái chuyển tiếp Phức ES sau tạo thành bền, tồn thời gian ngắn nhanh chóng chuyển hóa thành sản phẩm giải phóng E tự do, E lại quay vịng xúc tác ban đầu 12 Chương I: Enzyme Năng lượng hoạt hóa sai khác mức lượng tự trạng thái (ground state) trạng thái chuyển tiếp (transition state), hình thành tiếp xúc, va chạm phân tử làm tăng tốc độ phản ứng IV ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC YẾU TỐ ĐẾN VẬN TỐC PHẢN ỨNG ENZYME Nhiệt độ Mỗi enzyme hoạt động khoảng nhiệt độ định, đa số enzyme tối ưu nhiệt độ 40 – 450C Khi cao nhiệt độ tối ưu, tốc độ phản ứng giảm nhanh nhiệt độ cao làm enzyme biến tính, trung tâm hoạt động cấu hình chuẩn khơng cịn phù hợp với chất, vai trò xúc tác bị ảnh hưởng Cá biệt có enzyme chịu nhiệt độ cao amylase công nghiệp dệt chịu nhiệt độ 1000C Lồi cá băng Nam cực có enzyme hoạt động hiệu -20C Một số biện pháp làm tăng độ bền nhiệt enzyme: - Làm giảm gốc Gly, tăng số gốc Pro - Làm bền cấu trúc xoắn alpha - Thay lõi kỵ nước thực nghiệm chứng minh lõi kỵ nước cấu trúc enzyme làm cho enzyme rắn - … Độ pH log V0 log V0 Mỗi loại enzyme có độ pH tối ưu, pH hay ngưỡng tối ưu làm cho hoạt tính enzyme bị giảm hoạt tính pH ảnh hưởng đến trạng thái ion hóa gốc R gốc amino acid phân tử E, ion hóa nhóm chức trung tâm hoạt động, ion hóa chất, ảnh hưởng đến hai tham số động học Km V 6 pH Pepsin 10 Glucose 6-phosphatase 13 pH Bồi dưỡng học sinh giỏi hóa – sinh tế bào Nồng độ chất Cơ chất chất mà enzyme xúc tác Sự thay đổi nồng độ chất khác ảnh hưởng lớn đến hoạt độ enzyme Khi nồng độ chất thấp, nhiều phân tử enzyme có trung tâm hoạt động tự cung cấp hạn chế chất xác định tốc độ phản ứng Ngược lại nồng độ chất cao, hầu hết trung tâm hoạt động bị chiếm lĩnh lúc số lượng phân tử enzyme lại yếu tố định phản ứng Trong hoạt động trao đổi chất tế bào mối tương quan có tầm quan trọng phương thức kiểm soát tốc độ phản ứng khác Dựa sở mối quan hệ đó, Leonon Michaelis Maud Menten đưa phương trình biểu diễn mối liên hệ vận tốc phản ứng với nồng độ chất (S) Ảnh hưởng chất kìm hãm Chất kiềm hãm (Inhibitor = I) chất làm giảm tốc độ phản ứng enzyme xúc tác Các chất ion kim loại, chất hữu hay vơ Các chất kìm hãm chia theo nhiều cách khác nhau: kìm hãm thuận nghịch hay kìm hãm khơng thuận nghịch 4.1 Kìm hãm thuận nghịch Kìm hãm thuận nghịch kìm hãm enzyme cách kết hợp với enzyme tác động đến kết hợp E với S Kìm hãm cạnh tranh E + S E + P ES + S S I K1 I EI I 14 Chương I: Enzyme - Kìm hãm cạnh tranh: Chất ức chết liên kết vào trung tâm hoạt động enzyme (cạnh tranh với chất) Nhận biết: Km tăng (ái lực giảm) Vmax khơng đổi * Kìm hãm khơng cạnh tranh E + S ES E + P + S I S K1 ESI I I S - Kìm hãm khơng cạnh tranh: Chất ức chế liên kết phức hợp enzyme chất (khơng phải enzyme tự do) vị trí khác trung tâm hoạt động ảnh hưởng đến đến trung tâm hoạt động dẫn đến giảm hoạt tính xúc tác enzyme Nhận biết Km không thay đổi Vmax giảm * Kìm hãm hỗn hợp E + S + ES E + P + S I I K1 EI + S S K1 ESI I I I S I S - Kìm hãm kiểu hỗn hợp: Chất ức chế đồng thời liên kết vào trung tâm hoạt động vị trí khác (enzyme tự phức hợp enzyme – chất) Nhận biết: đồng thời Km tăng (hoặc lực giảm) Vmax giảm Ví dụ: - I cạnh tranh succinate dehydrogenase xúc tác cho phản ứng chuyển hóa succinate thành fumarate malonate (-OOC-CH2-COO-) có cấu trúc giống với acid succinic (-OOC-CH2-CH2-COO-), nhóm –CH2- nên khơng bị chuyển hóa enzyme - Sử dụng ethanol để điều trị ngộ độc methanol: tác dụng độc methanol alcohol dehydrogenase gan chuyển hóa methanol thành formaldehyde, chất làm tổn thương nhiều mô Ethanol chất khác alcohol dehydrogenase, cạnh tranh với methanol theo cách chất kìm hãm cạnh tranh Vì vậy, để điều trị ngộ độc methanol, tiêm từ từ ethanol vào tĩnh mạch với tốc độ kiểm sốt vài giờ, để làm chậm q trình tạo thành fomaldehyde, giảm nguy mù mắt tử vong Một số người có biểu “mặt đỏ bừng” sau uống ethanol tích tụ acetaldehyde 4.2 Các chất kìm hãm khơng thuận nghịch Các I không thuận nghịch kết hợp với E tạo thành phức EI không hoạt động, không phân ly, khó phân ly, phân ly với vận tốc khơng đáng kể Người ta ứng dụng chất kìm hãm không thuận nghịch để nghiên cứu chế phản ứng enzyme E + EI EI 15 Bồi dưỡng học sinh giỏi hóa – sinh tế bào V ĐIỀU HÒA HOẠT ĐỘ ENZYME Hoạt độ enzyme, hoạt độ protein có hoạt tính sinh học khác tế bào phải điều hòa nghiêm ngoặt, cho hoạt độ chúng phải tiến hành chỗ, lúc với mức vừa đủ theo yêu cầu thể Hoạt độ E điều hòa số lượng hoạt độ phân tử Gọi điều hịa hoạt độ phân tử có nghĩa số lượng phân tử protein E tổng hợp khơng thay đổi Hoạt độ enzyme bị thay đổi cách kết hợp với chất điều hịa (điều hịa allosteric); cải biến cộng hóa trị thuận nghịch; thay đổi tỷ lệ dạng phân tử enzyme có mức độ hoạt động khác nhau, Điều hòa Allosteric Kiểu điều hòa hoạt động dựa cầu tế bào Khi lượng sản phẩm cuối tế bào đạt yêu cầu tế bào, quay ngược trở lại kìm hãm hoạt độ enzyme NH3+ H3C CH OH Threonine COO- CH Threonine dehydrogenase O CH3 CH2 α-Ketoglutarate COO- C NH3+ CH3 CH2 CH Isoleucine COO- CH CH3 Mơ hình điều hịa allosteric tác dụng sản phẩm cuối nồng độ chất đáp ứng nhu cầu Điều hòa tỷ lệ dạng khác enzyme có hoạt độ khác Isozyme (hay cịn gọi isoenzyme) enzyme khác chuỗi amino acid xúc tác cho phản ứng hóa học tương tự Các enzyme thường hiển thị thông số động khác (ví dụ giá trị Km V khác ) đặc tính điều chỉnh khác Sự tồn isozyme cho phép tinh chỉnh trao đổi chất để đáp ứng nhu cầu cụ thể mô giai đoạn phát triển H2C OH O H OH H H OH OH H Hexokinase P H2C O ADP 16 OH H H OH OH H HO O O H OH Mg2+ ATP HO HO Chương I: Enzyme Ví dụ: hexokinase xúc tác cho phản ứng gồm isoenzyme (kí hiệu I, II, III IV) Khi nồng độ glucose mức bình thường, isoenzyme III hoạt động với tốc độ cực đại, IV làm việc 25% Cải biến cộng hóa trị Chủ yếu hoạt động cải biến hóa trị kết hợp thuận nghịch với nhóm phosphate Với đặc điểm phổ biến: - Phản ứng chuyển bị nhóm phosphoryl từ ATP đến enzyme protein kinase xúc tác phản ứng tách phosphate khỏi enzyme protein phosphatase xúc tác - Các gốc amino acid enzyme kết hợp với nhóm phosphoryl là: Tyr, Ser, Thr, His - Việc kết hợp với nhóm phosphate chuyển enzyme từ dạng có hoạt động thấp thành dạng có dạng động cao hay ngược lại Ví dụ: chế điều hịa glycogen phosphorylase (Glucose)n + Pv → (glucose)n-1 + glucose-1-phosphate OH OH CH2 H2C 2Pi 2ATP Phosphorylase kinase Phosphorylase phosphatase P 2H2O 2ADP P O O H2C CH2 Protein kinase (PKA) có vai trị điều hịa hoạt độ enzyme cách phosphoryl hóa Với cách điều hịa này, tín hiệu điều hịa khuếch đại nhiều lần protein kinase tác dụng lên nhiều phân tử mục tiêu khác BÀI TẬP VẬN DỤNG Câu 1: Coenzyme khác với enzyme, coenzyme A hoạt động bên tế bào B polymers acid amin C phân tử nhỏ, chẳng hạn vitamins D cụ thể cho phản ứng E mang nguồn lượng cao Câu 2: Trung tâm hoạt động enzyme A khơng thay đổi hình dạng B vị trí khơng liên kết với chất C đặc trưng riêng enzyme D thay đổi ∆G phản ứng E liên kết 17 Bồi dưỡng học sinh giỏi hóa – sinh tế bào Câu 3: Phân tử ATP A thành phần hầu hết protein B mang nguồn lượng lớn có mặt adenine C chất xúc tác D sử dụng số phản ứng thoát nhiệt để cung cấp lượng E cung cấp lượng cho nhiều phản ứng hóa sinh Câu 4: Nếu enzyme dung dịch bão hòa với chất, phương thức hiệu để nhận lượng sản phẩm nhanh A cho thêm nhiều enzyme B đun nóng dung dịch lên 900C C tăng cường chất D bổ sung chất ức chế dị lập thể E bổ sung chất ức chế không cạnh tranh Câu 5: Biểu đồ cho thấy tiến trình phân giải tinh bột enzyme amylase nước bọt Tại phản ứng lại chậm lại? A Ức chế sản phẩm cuối maltose B Amylase nước bọt trở nên biến tính C Amylase nước bọt dần trở nên bão hòa với tinh bột D Có phân tử chất lại để liên kết với amylase nước bọt E Enzyme bị biến đổi cấu hình Câu a Giải thích thuyết ổ khóa chìa khóa khơng hồn tồn việc giải thích chế tác động enzyme chất ? b Làm thể để enzyme giải lượng hoạt hóa phản ứng hóa học ? Hướng dẫn giải a Thuyết ổ khóa, chìa khóa khơng hồn tồn khơng giải thích hình thành liên kết enzyme chất vùng tâm điều hịa lại thay đổi ( cấu hình khơng gian ).Thuyết ổ khóa – chìa khóa nói tính liên kết đặc hiệu enzyme chất Thực tế, thuyết ổ khóa chìa khóa thay thể thuyết phù hợp cảm ứng b Khi liên kết với enzyme vùng trung tâm hoạt động chất vận chuyển đến gần định hướng cho dễ phản ứng xảy Khi hình thành liên kết enzyme với chất vùng trung tâm hoạt tính xảy chế voặn xoắn, kéo căng phá vỡ liên kết phân tử nhiệt độ, áp suất bình thường, tạo điều kiện để hình thành liên kết với 18 Chương I: Enzyme Enzyme liên kết chuyển nhóm chức sang chất làm cho chất chuyển sang dạng trung gian không ổn định Cấu trúc vùng trung tâm hoạt động hình thành mơi trường có nồng độ pH thấp so với tế bào chất, enzyme truyền H+ cho chất Một bước tiến quan trọng xúc tác Câu 7: a Bằng chế tế bào ngừng việc tổng hợp chất định cần ? b Thế chất ức chế cạnh tranh chất ức chế không cạnh tranh enzyme ? Nếu có chất ức chế chất dụng cụ xác định hoạt tính enzyme làm để phân biệt hai loại chất ức chế ? Hướng dẫn giải a Tế bào điều khiển tổng hợp chất chế ức chế ngược âm tính Sản phẩm tổng hợp nhiều trở thành chất ức chế quay lại ức chế enzyme xúc tác cho phản ứng chuỗi phản ứng tạo sản phẩm b - Chất ức chế cạnh tranh chất có cấu hình phân tử giống với chất enzyme, chúng cạnh tranh với chất việc chiếm vùng trung tâm hoạt động - Chất ức chế không cạnh tranh liên kết với vùng định (không phải trung tâm hoạt động), làm biến đổi cấu hình phân tử nên enzyme khơng liên kết với chất vùng trung tâm hoạt động - Ta phân biệt hai loại chất ức chế cách cho lượng enzyme định với chất chất ức chế vào ống nghiệm, sau tăng dần lượng chất thêm vào ống nghiệm, tốc độ phản ứng gia tăng chất ức chế chất ức chế cạnh tranh Câu 8: Đồ thị bên cho thấy mối quan hệ tốc độ phản ứng với nồng độ chất Đường nét đứt biểu thị tốc độ chuyển hóa chất A thành sản phẩm tăng nồng độ chất tăng Đường nét liền biểu thị quan hệ nồng độ chất A với tốc độ phản ứng, nồng độ chất tăng nồng độ chất B cố định a Chất B ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng? Giải thích b Nếu lượng chất A giữ khơng đổi cịn nồng độ chất B tăng dần, cho biết tốc độ phản ứng thay đổi nào? Giải thích Hướng dẫn giải a Ảnh hưởng chất B đến tốc độ phản ứng: Sự có mặt chất B làm đồ thị biểu tốc độ phản ứng lệch phía phải, chứng tỏ thời gian phải cần lượng chất A nhiều so với khơng có mặt chất B Chất B chất ức chế cạnh tranh b Nếu lượng chất A giữ khơng đổi cịn nồng độ chất B tăng dần tốc độ phản ứng giảm dần chất B cạnh tranh với chất A để liên kết vào trung tâm hoạt động enzyme làm giảm tốc độ phản ứng 19 EM CÓ BIẾT? Trong năm 1950, quan chức quốc gia lần nhận thấy vấn đề nỗ lực cứu trợ thực phẩm để giảm bớt nạn đói châu Á châu Phi Sữa lựa chọn để viện trợ nguồn thực phẩm vô quan trọng có giá trị dinh dưỡng cao Tuy nhiên, báo cáo bắt đầu xuất người đầy hơi, buồn nôn tiêu chảy sau tiêu thụ sản phẩm sữa viện trợ Những điều tra tiến hành, kết thú vị hầu hết người gốc châu Âu, họ có khả thủy phân lactose thành monosaccharides (glucose galactose), người thuộc quốc gia châu Á châu Phi khơng Phân tích sâu hơn, ruột non người tạo protein gọi lactase (β-galactosidase) hoạt động với tốc độ phản ứng thủy phân tăng hàng triệu lần Xúc tác gọi enzyme, tên chúng thường kết thúc với hậu tố “ase” Hầu hết người khắp giới sinh với khả tạo enzyme lactase, họ sau giai đoạn sơ sinh trừ người gốc châu Âu Khi nhiều người trưởng thành khơng phải người châu Âu tiêu thụ lactose, khơng bị thủy phân ruột non, chúng khơng tạo lactase Disaccharides lactose không hấp thụ vào dịng máu tế bào lót ruột non Vì vậy, lactose cịn ngun vẹn di chuyển trở ruột kết (ruột già) Trong số hàng tỷ vi khuẩn ruột già, có lồi tạo lactase Nhưng sản phẩm phụ, vi khuẩn tạo khí gây tất khó chịu Tình trạng khó chịu sau ăn chứa nhiều lactose gọi không dung nạp lactose Tại phần lớn người việc sản xuất bị giảm sau giai đoạn sơ sinh ? Lời giải thích nằm chế độ ăn uống: trước tiên trẻ sơ sinh tiêu thụ sữa mẹ, chứa nhiều lactose, kích thích tế bào đường ruột tạo lactase Nhưng nhiều người động vật có vú khác - tiêu thụ khơng có sữa sau cai sữa, khả sản xuất lactase ruột non khơng cần thiết Vì vậy, thường động vật có vú sản xuất lactase giai đoạn phôi thai Không dung nạp lactose vấn đề quan trọng đơn giản khơng phải có sữa để uống! Họ lấy carbohydrate từ nguồn khác Thế nhiều người gốc châu Âu cịn sản xuất lactase ? Nó họ mang theo đột biến (một thay đổi trình tự DNA) giúp ngăn chặn ngừng hoạt động trình sản xuất lactase sau cai sữa Đột biến chiếm ưu châu Âu (và số dân Đông Phi) sau người bắt đầu giữ chăn thả gia súc, sử dụng sữa chúng Hoạt tính lactase ví dụ vơ tuyệt vời cho vai trị enzyme sống 20 ... loại: enzyme thành phần hai thành phần 10 Chương I: Enzyme Enzyme thành phần: có thành phần protein Ví dụ enzyme pepsin dày Enzyme hai thành phần hay haloenzyme gồm phần: phần protein gọi apoenzyme,... động Enzyme Fisher E (1890) đưa thuyết “ổ khóa chìa khóa” tác động enzyme Theo thuyết này, tương tác enzyme (E) chất (S), nghĩa gắn enzyme chất để tạo thành phức hợp enzyme – chất (ES) giống quan. .. thư (chương IX) ENZYME I KHÁI QUÁT VỀ ENZYME Khái niệm Enzyme có chất protein (một số acid ribonucleic – ribozyme), có tác dụng xúc tác, làm tăng tốc độ phản ứng cách đặc hiệu Enzyme có mặt tất