bài giảng hóa sinh xúc tác sinh học

bài giảng hóa sinh xúc tác sinh học

Bài giảng hóa sinh

XÚC TÁC SINH HỌC

DSCK2 Nguyễn văn Ảnh

A ĐẠI CƯƠNG :

1 PHẢN ỨNG HOÁ SINH :

Định nghĩa phản ứng hóa sinh : là tất cả các phản ứng hoá học xảy ra trong cơ thể sống ( trong tế bào, trong bào quan, ngoài tế bào) phần lớn các phản ứng hoá sinh là phản ứng thuận nghịch do enzym xúc tác và người ta có thể chiết xuất enzym từ các mô sống , rồi tiến hành phản ứng hóa sinh

tập hợp các phản ứng hóa sinh nó sẽ tạo thành quá trình chuyển hóa các chất, đáp ứng 2 yêu

cầu trên

+ tạo các chất xây dựng cơ bản cơ thể ( đại phân

tử ) ==> tạo hình

+ tạo năng lượng ==>Tạo thân nhiệt

để tạo công đảm bảo hoạt động sống (co cơ )

* Động hóa học : thì phản ứng chia làm 2 loại :

- Phản ứng một chiều không thuận nghịch :A > B

- Phản ứng 2 chiều thuận nghịch :

A B ( phần lớn phản ứng hóa sinh là phản ứng thuận nghịch )

k1 thuận

k2 nghịchk1 , k2 : hằng số tốc độ ( hoặc hệ số tốc độ ) của phản ứng

thuận nghịch

Ta có : tốc độ phản ứng : v1 = k1 [A] [B]

Mới đầu chỉ có A và B chưa có C và D, nồng độ A và B lớn nhất nên v1 cực đại, mặt khác nồng độ C và D bằng 0 nên v2 cũng bằng 0.

Khi A và B phản ứng với nhau tạo thành C và D thì nồng độ A và B giảm dần, nồng độ C và D tăng dần, do đó v1 giảm dần, và v2 tăng dần Đến một lúc nào đó thì v1 = v2 , đó là trạng thái cân bằng động, trong đó phản ứng vẫn tiếp tục xảy ra theo hai chiều nhưng tốc độ phản ứng theo chiều thuận bằng tốc độ phản ứng theo chiều nghịch Ta có : v1 = v2 <=>

k1 [C] [D]

k1 [A] [B] = k2 [C] [D] <=> = - = Kcb (hằng số cân bằng) k2 [A] [B]

Mỗi phản ứng thuận nghịch có hằng số cân bằng riêng.

* Về mặt nhiệt động học: có 2 loại

- Phản ứng phát năng (về nhiệt độ có phản ứng nhiệt)

- Phản ứng thu năng ( về nhiệt độ có phản ứng thu nhiệt)

Năng lượng tự do là : phần năng lượng có thể biến thành

công ( tức là phần năng lượng có thể sử dụng được).

Ví dụ: xét phản ứng từ A -> B thì năng lượng tự do của

A, B là GA và GB ( Gibbs)

* Biến thiên năng lượng tự do: ∆ G = GB - GA ( phần thể hiện

- Nếu GB > GA -> ∆G > 0 : phản ứng thu năng Phản ứng này không

tự xảy ra được theo chiều A -> B, chỉ xảy ra khi đưa đủ năng lượng vào : phản ứng tổng hợp trong hóa sinh

- Nếu GB < GA -> ∆G < 0 : phản ứng phát năng Phản ứng này có thể tự xảy ra theo chiều A -> B Gọi là phản ứng thoái hóa trong cơ thể

* Biến thiên năng lượng tự do chuẩn ∆G0 : phản ứng xảy ra trong điều kiện chuẩn khi [A] = [B] = 1 mol/lít T0 = 25C pH = 0

Ta xét phản ứng hóa sinh trong cơ thể với pH = 7 thì ta gọi biến thiên năng lượng tự do là ∆Go’

2 CHẤT XÚC TÁC SINH HỌC :

- Phần lớn các phản ứng trong cơ thể đều có chất xúc tác

- Chất xúc tác sinh học là sản phảm sinh vật, lượng nhỏ nhưng có khả năng làm tăng nhanh phản ứng, cuối cùng giữ nguyên sau phản ứng

Có 3 loại chất xúc tác sinh học là Vitamin, Enzym, Hormon (ống tiêu hóa) Trong 3 chất nầy, enzym quan trọng nhất, nó là trung tâm trực tiếp tham gia các phản ứng hoá sinh

Ví dụ : xét phản ứng

(cơ chất) A B (sản phẩm)

E E

- Gọi phản ứng enzym vì có enzym xúc tác.

- Trong quá trình phản ứng, enzym có thể thay đổi nhưng cuối cùng vẫn là enzym.

Chú ý :

+ Khả năng xúc tác của enzym rất lớn, có thể làm tăng nhanh phản ứng hàng triệu lần.

Ví dụ : CO2 + H2O H2CO3

Enzym là carbonic anhydrataz (mất nước của CO2)

Một phân tử enzym nầy có thể hydrat hóa 105 phân tử CO2 trong 1 giây > làm phản ứng nhanh hơn 10 triệu

+ Enzym không làm thay đổi hệ số cân bằng mà chỉ làm cho phản ứng mau đạt đến trạng thái cân bằng.

+ Enzym có tính đặc hiệu (chuyên biệt) rất cao, nghĩa là xúc tác những phản ứng nhất định với những cơ chất nhất định.

H2O Tinh bột - > Maltoz, Glucoz

α Amylaz ↓ Maltaz

Glucoz, Glucoz

3 ĐẶC ĐIỂM CỦA VITAMIN, ENZYM, HORMON :

3.1 VITAMIN :

- Người và động vật nói chung không tạo ra được mà phải đưa vào từ thức ăn vi sinh vật, thực vật (cá biệt dầu gan cá trong con cá, người vitamin D tự sản xuất được).

- Có bản chất hoá học khác nhau

- Có 2 nhóm vitamin :

+ vitamin tan trong lipid : A,D,E,K

+ vitamin tan trong nước : gồm các Vitamin thuộc nhóm B, Vitamin C , Vitamin PP

- Nhiều Vitamin tan trong nước tham gia cấu tạo và hoạt động của nhiều Enzym, cụ thể là chúng tham gia cấu tạo phần Coenzym của một số enzym có coenzym.

- Enzym không cần cộng tố ( cofactor) đó là các enzym có

bản chất là protein thuần, chúng gồm các enzym thủy phân Ví

dụ : pepsin, trypsin, cathepsin

- Enzym cần cộng tố: đó là các enzym protein tạp gồm 2

phần : protein thuần + cộng tố (cofactor)

Khi đó phần protein thuần gọi là Apoenzym (ApoE) Cộng

tố có thể là :

Kim loại : ion Zn ++, Mn ++

Chất hữu cơ = CoEnzym

Kim loại + chất hữu cơNhững Enzym nầy muốn hoạt động được cần phải có

cộng tố Phần lớn enzym là loại có CoEnzym CoEnzym chia làm 2 loại :

CoEnzym gắn chặt vào phần ApoE (không thẩm tích được)

CoEnzym gắn lỏng lẻo vào phần ApoE (lúc gắn vào, lúc có thể tách ra và thẩm tích được)

ApoE + Cộng tố = Enzym đầy đủ (Holoenzym)

- Các vitamin tan trong nước thường tham gia cấu tạo và hoạt động của CoE

- CoE là phân tử hữu cơ tương đối nhỏ có thể thẩm tích được, chịu được nhiệt, trực tiếp tham gia vận chuyển điện tử, hydro, các nhóm hóa học

- Mỗi Enzym có một ApoE tương ứng, nhiều enzym

có thể có CoE giống nhau

Ví dụ : - 2H

AH2 -> A Enzym 1 = Apo1 - CoE

-2H BH2 -> B Enzym 2 = Apo2 - CoE

3.3 HORMON :

Bản chất : - ∆’ của AA

- Peptid, protein

- SteroidChức năng, điều hòa chuyển hóa thông qua enzym

Do các tế bào chuyên biệt sản xuất

ENZYM :

1.DANH PHÁP VÀ PHÂN LOẠI :

- Dựa vào tên phản ứng + az

Khử carboxyl DE carboxylaz

Khử hydro DE hydrogenaz

- Dựa vào tên cơ chất + tên phản ứng + az (cách

1.2 PHÂN LOẠI : Có 6 loại Enzym

(1) Oxydoreductaz : Xúc tác phản ứng Oxy hóa - khử

- Phản ứng oxy hóa - tách e-, hoặc tách 2H

- Phản ứng khử nhận e- , hoặc + 2H(2) Transferaz :

Xúc tác phản ứng chuyển nhóm AB + CD == AC + BD

H-OH

(3) Hydrolaz :

Enzym :thủy phân R1 – R2 -> R1H + R2OH

(4) Lyaz Enzym xúc tác phản ứng phân ly không thủy phân

AB > A + B

(5) Isomeraz : Xúc tác phản ứng đồng phân hoá, chuyển dạng đồng phân này sang dạng đồng phân khác

Mỗi loại Enzym trên lại phân thành nhiều nhóm

Mỗi nhóm Enzym phân thành nhiều phân nhóm

Mỗi phân nhóm phân thành nhiều ENZYM

Mỗi Enzym được đánh dấu bằng 4 con số :

Số thứ 1 :chỉ số loại

Số thứ 2 : chỉ số nhóm

Số thứ 3 : chỉ số phân nhóm

Số thứ 4 : chỉ số thứ tự trong phân nhóm

Ví dụ : latat dehydrogenaz (LDH) : E.C.1.2.1.27

E.C : Enzym committee

2 MỘT SỐ ĐĂC ĐIỂM ENZYM :

2.1 Trung tâm hoạt động (TTHĐ) của enzym :

- Là bộ phận tương đối nhỏ so với thể tích toàn bộ của enzym đó là vùng kết hợp với cơ chất (S) (và với cộng số nếu có) gồm một số gốc AA gọi là nhóm xúc tác, trực tiếp tham gia tạo thành hay cắt đứt liên kết S Những AA tham gia TTHĐ

thường là Ser, His, Trp, Cys, Lys, Arg, Glu

(a) (b)

Hình: - Thứ tự các acid amin ( a) của TTHĐ trong chuỗi

polypeptid

Chuỗi polypeptid xoắn cuộn ( b), các acid amin trên trở nên gần nhau và tạo thành TTHĐ của enzym.

- Tính đặc hiệu của sự kết hợp ES ( enzym cơ chất) phụ

thuộc vào sự sắp xếp nhất định của các nguyên tử của TTHĐ

và có sự ăn khớp về cấu trúc giữa TTHĐ và cơ chất

- Mô hình “ ổ khóa chìa khóa “ Fischer

- Mô hình “ cảm ứng “ Koshland ( đúng hơn, được thừa nhận)

- Một enzym có thể có 1 hoặc nhiều TTHĐ

Cơ chế hoạt động của enzyme

Cơ chế

khóa và

chìa

Cơ chế khóa và chìa

Khoá và chìa

Cơ chế tương thích cảm ứng

Cơ chế cảm ứng

2.2 Dạng không hoạt động và dạng hoạt động của Enzym :

Các enzym thuỷ phân protein trong dịch tiêu hóa ở

(khi mới tạo thành ở dạng không hoạt

động)

Enterokinaz

Tụy tạng Trypsinogen -> Trypsin

2.3 Enzym dị lập thể (Allosteric E)

+ Cơ chế ức chế dị lập thể: chất tác dụng được gọi là chất ức chế dị lập thể.

Cơ chế dị lập thể đóng vai trò quan trọng trong sự

Cơ chế ức chế dị lập thể (Feed back inhibition)

Ức chế ngược

- Nhận xét: sản phẩm của phản ứng 1 là cơ chất của E2

3 Cơ chế xúc tác chung của enzym:

3.1 Phức hợp enzym cơ chất và năng lượng hoạt hóa:

+ Phức hợp ES: hợp chất trung gian : trong phản

ứng enzym có sự tạo thành phức hợp tạm thời ES

; sau đó S ( Substance) -> sản phẩm P

( product) và enzym giải phóng tự do.

E + S ES -> p + E + Năng lượng hoạt hóa: là năng lượng cần thiết

đưa vào để nâng phân tử lên trạng thái kết hợp hay hoạt hóa.

A + B C + D

G AB G CD

G AB > G CD > ∆ G = G CD - G AB < 0

=> trên nguyên tắc phản ứng có thể tự xảy ra

được nhưng thực tế phản ứng chỉ xảy ra khi cơ

chất phản ứng ở trạng thái hoạt hóa ( kích thích)

N ng lượng hoạt hóa ă

3.2 Động học của enzym: (Chỉ nêu một số điểm cần thiết )

Nghiên cứu về tốc độ phản ứng của enzym và yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ đó, dựa vào mô hình của Michaelis phù hợp với rất nhiều enzym.

[ET] = [E] + [ES] trong lúc phản ứng thì có một số enzym ở dạng

tự do và một số ở dạng kết hợp

[E] = [ET] - [ES] (1)

v = k3 [ ES] (2)

vmax = k3 [ET] (3) lượng lúc ban đầu tác dụng ET lớn nhất

do đó vận tốc tối đa, khi tốc độ đạt tối đa thì lúc đó toàn bộ

enzym đều ở dạng ES, không có enzym tự do, nghĩa là [ES] = [ET]

Tốc độ tạo thành ES = k1 [E] [S]

Tốc độ phân ly ES = k2 [ES] + k3 [ES] = ( k2 + k3 ) [ES]

Ở trạng thái cân bằng thì tốc độ tạo thành ES = tốc độ phân ly ES.

(k2 + k3 ) [ES] k1 [E] [S] = (k1 + k3 ) [ES] ==> [E] [S] =

Biểu thị phương trình Michaelis Menten bằng đồ thị:

+ Nếu [S] nhỏ hơn so với kM chỉ tốc độ phản ứng tỉ lệ thuận với [S]

+ Khi nồng độ [S] lớn hơn kM rất nhiều và v -> Vmax và không phụ thuộc vào nồng độ [S] nữa.

Vmax +Nếu [S] = kM -> v = -

2

Vmax

Như vậy kM chính là nồng độ [S] khi tốc độ phản ứng 2

= -4 Các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt tính của enzym :

4.1.1 Nhiệt độ : mỗi enzym có một nhiệt độ thích hợp nhất ( t 0 optimum), ở nhiệt độ nầy hoạt tính enzym mạnh nhất.

Amylaz động vật T 0 thích hợp là 37 0 C

Amylaz vi sinh vật T 0 thích hợp là 70 0 C

Có enzym chịu được 100 0 C

Từ 0 > 50 0 C hoạt tính enzym tăng dần : cứ tăng

10 0 C hoạt tính tăng gấp 2 lần

4.1.2 pH = H + : mỗi enzym có pHo optimum,

optimal

4.1.3 Chất ức chế [ I ] Inhibitors

- Có tác dụng làm giảm ái lực enzym đối với cơ chất

- Làm mất khả năng kết hợp giữa enzym với cơ chất

Ức chế cạnh tranh : Cấu tạo hóa học # S cho nên có thể kết hợp với trung tâm hoạt hóa và tranh chỗ với S { I #

Ức chế không cạnh tranh : Cấu tạo hóa học khác S không nhất thiết gắn vào TTHĐ, gắn vào bất kỳ chỗ nào, không có tính đặc hiệu, đối với bất kỳ enzym đều có thể ức chế được Ví dụ :

+ Chất gây biến tính (biến thể) protein : ion kim loại nặng, acid TCA, HNO3, T 0

+ Một số chất gây phản ứng đặc hiệu với một số nhóm hóa học cuả enzym.

Ví dụ : CN _ đối với Fe 2+ cyanua làm giảm Fe 2+ của enzym

* Chât ức chế dị lập thể : (phần trước)

4.1.4 Chất hoạt hóa :

4.2 Tính đặc hiệu của enzym :

* Đặc hiệu cơ chất : enzym tác động đặc hiệu lên 1 cơ chất (đặc hiệu tuyệt đối) hay một số chất có cấu tạo phân tử gần giống nhau.

- Urêaz : Urê + H2O ↔ CO2 + NH3

- Sacaraz : Saccaraz + H2O ↔ Fructoz + Glucoz

- Amylaz : Tinh bột, glycogen + H2O ↔ Maltoz

+Glucoz

* Đặc hiệu lập thể : enzym chỉ tác dụng lên một trong hai dạng đồng phân hoạt quang Thí dụ hầu hết enzym

chuyển hóa acid amin chỉ tác dụng lên L-acid amin mà không tác dụng lên D-acid amin

* Đặc hiệu phản ứng : một cơ chất biến hóa theo nhiều phản ứng khác nhau, mỗi phản ứng có enzym đặc hiệu Thí dụ 3 phản ứng của acid amin :

Oxy hóa nhờ oxydaz :

Chuyển amin nhờ transaminaz :

R1CHCOOH + R2COCOOH R1COCOOH + R2CH - COOH

NH2 NH2

5 GIỚI THIỆU MỘT SỐ ENZYM :

5.1 Oxydoreductaz

5.1.1 Dehydrogenaz (DH) : xúc tác các phản ứng khử hydro

+ Enzym DH có CoE là NAD+ hay NADP+ (là các nicotinamid nucleotid)

CoE nầy gắn lỏng lẻo vào ApoEnzym (ở đây chỉ

khảo sát phần CoE)

Coenzym chứa nicotinamid và cơ chế nhận

* DH có CoE là Flavin nucleotid : Có 2 loại : - FMN

Flavinmono nucleotid

- FAD = Adenin dinucleotid

Cơ chế nhận hydro của FAD

* DH có CoEnzym là acid lipoic là enzym vận chuyển H2

ac lipoic nằm/phức hợp pyrurat DH

5.1.3 Một số oxydoreductaz khác : Catalaz, peroxydaz

5.2.2 Phospho transferaz (Enzym xúc tác chuyển nhóm

Phosphat ):

Kinaz là enzym chuyển gốc P từ những chất hữu cơ

P sang S (chất hữu cơ P thường là : ATP, GTP,

CTP)

Glucoz + ATP -> Glucoz 6 phosphat + ADP

Glucokinaz hay : Glucoz Glucoz 6 phosphat

ATP ADP

Chú ý : Kinaz

Cần phân biệt Kinaz với phosphorylaz Ví dụ : Glycogen

H3PO4

Glycogen - G -> Glycogen + G1 P

Glycogen phosphorylaz

5.2.3 Glucogyl transferaz : xúc tác chuyển góc Glucoz.

HDP Glucoz glycogen trans glucogylaz = Glycogen synthetaz

- Lipaz : cắt liên kêt este thuỷ phân giữa acid hữu cơ & glycerol

5.3.2 Glucozidaz (cắt liên kết Glucozid):

Ví dụ : Amylaz, Maltaz, Saccaraz 5.3.3 Peptidaz : (cắt liên kết peptid):

Aminopeptidaz Carboxypeptidaz H2 aa - aa - aa - aa - aa CHOOH

Aproteaz = proteinaz (Trypsin, pepsin )

5.4 Lyaz : ví dụ Decarboxylaz (phân ly không phải thủy

phân)

R-CH COOH -> R-CHH + CO2

NH2 NH2

- Fructoz 1 , 6 Disphosphat aldolaz :

Fructoz 1 , 6 Disphosphat -> 2 Trioz P

Fructoz 1,6 - Diphosphat aldolaz

5.5 Isomeraz : xúc tác cho các phản ứng đồng

phân hóa

Ví dụ : UDPG

- Uridin Diphospho Glucoz < -> UDP Galactoz

épimeraz = UDP - glucoz 4 epimeraz

- Phospho dioxy aceton (3) < -> phopho

glyceraldehyt (3C)

Phosphotrioz isomeraz

5.6 Ligaz (synthetaz):

- Aminoacyl ARNt synthetaz

ARNt + aa aa - ARNt

AminoacylARNt ATP AMP + PP

- Glutamin synthaz

Glutamic + NH3 > Glutamin + H2O

CoEnzym A viết tắc là CoA hay HS CoA hoạt động được

nhờ gốc SH

Ví dụ :

Acyl CoA synthetaz

RCOOH + ATP + HSCoA↔ RCO~SCoA + AMP +PPv

Acyl-CoA

Chú ý: cần phân biệt giữa enzym tổng hợp synthetaz

và synthaz :

- Enzym synthetaz : xúc tác phản ứng tổng hợp : xúc tác phản ứng tổng hợp có sự

tham gia của ATP

- Enzym synthaz : xúc tác phản ứng tổng hợp không có

sự tham gia của ATP

C HORMON NỘI TIẾT TỐ (ENDO CRIME)

1 ĐẠI CƯƠNG :

- Hormon là chất xúc tác sinh học do tế bào đặc biệt sản xuất với 1 lượng nhỏ thấm thẳng vào máu tới mô đích để kích thích hay hoạt hóa, những hoạt động sinh lý, hóa sinh đặc hiệu.

- Tế bào đặc biệt sẽ tập hợp thành tuyến nội tiết,

có thể nằm rãi rác Ví dụ : Hormon tiêu hóa nằm rãi rác theo ống tiêu hóa

- Mô đích gồm những tế bào tiếp nhận hormon tương ứng nhờ thể nhận đặc hiệu (receptor)

- Hormon kiểm soát và điều hòa các quá trình

chuyển hóa và các chức năng khác.

2 BẢN CHẤT HÓA HỌC VÀ TÁC DỤNG CHÍNH CỦA MỘT SỐ

HORMON : 2.1 Hormon Amin : (Hormon dẫn xuất từ acid amin)

Cụ thể là Tyrosin Có 2 loại :

- Hormon giáp trạng : gồm T3 : Triiodothyronin , T4 : Tétra Iodothyronin (Thyroxin) có tác dụng : Chuyển hoá năng lượng , Chuyển hóa đường ,

Tăng đường huyết.

-Ở tủy thượng thận gồm 2 chất : Adrenalin ,

Noradrenalin có tác dụng Tăng HA và Tăng

Glucoz/huyết