ứng dụng của phức chất đối với đời sống sinh vật

Phức chất đóng vai trò rất quan trọng trong nhiều lĩnh vực: hóa học phân tích (định tính và định lượng), điều chế kim loại, công nghiệp hóa chất, dược phẩm, mĩ phẩm và đặc biệt là đối với đời sống sinh vật.Phức chất có ý nghĩa rất to lớn trong hoạt động sống của sinh vật. Có 24 nguyên tố cần thiết cho hoạt động sống của sinh vật, trong đó có 7 nguyên tố quan trọng nhất (Fe, Co, Zn, Cu, Mn, Cr, V) hoạt động dựa trên cơ sở tạo chelat (nhiều chelat tự nhiên được tạo thành trên cơ sở phân tử porphyrin). Trong đó vai trò quan trọng nhất là đối với cơ thể con người, đặc biệt là máu đi nuôi cơ thể. Một trong những chức năng chính của máu là vận chuyển oxy. Oxy trong không khí được hít vào phổi, từ phổi được vận chuyển theo dòng máu để đến các mô. Ở các mô máu nhận CO2, sản phẩm của quá trình chuyển hoá, đem trở lại phổi để thải ra ngoài. Trung bình mỗi ngày qua nhiều vòng tuần hoàn, máu vận chuyển được khoảng 600 lit oxy phổi đến các mô. Khả năng vận chuyển máu lớn như vậy nhưng lượng oxy hoà tan lại rất ít, 100 ml máu chỉ hoà tan trực tiếp được 39 ml oxy trong khi đó 100ml máu ở động mạch phổi chứa đến 20 ml oxy, vậy hơn 19 ml oxi được vận chuyển như thế nào? Theo cơ chế nào? Ta sẽ xem xét cấu tạo hoá học của chất vận chuyển khí quan trọng trong máu: Hemoglobin.

ĐẠI HỌC HUẾ TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

Huế, 12/2014

Mục lục

Lời mở đầu 2

1 Giới thiệu chung 3

2 Đại cương về sắt và hemoglobin 3 Khái niệm 6

4 Cấu tạo 6

4.1 Cấu tạo heme 7

4.2 Cấu tạo globin 8

4.3 Liên kết giữa heme và globin 11

5 Tính chất 13

5.1 Kết hợp với O2 13

5.2 Kết hợp với CO2 13

5.3 Kết hợp với CO 14

5.4 Sự oxy hóa Hb 14

5.5 Tính chất enzyme 14

6 Tổng hợp hemoglobin 14

6.1 Tổng hợp heme 15

6.1.1 Tạo acid δ aminolevulinic (ALA) 15

6.1.2 Tạo porphobilinogen 16

6.1.3 Tạo uroporphyrinogen 17

6.1.4 Tạo protoporphyrin IX 17

6.1.5 Tạo heme 17

6.2 Tổng hợp globin và sự kết hợp globin với hem 17

6.3 Điều hòa tổng hợp Hb 18

Tài liệu tham khảo 19

Lời mở đầu

Phức chất đóng vai trò rất quan trọng trong nhiều lĩnh vực: hóa học phân tích (định tính và định lượng), điều chế kim loại, công nghiệp hóa chất, dược phẩm,

mĩ phẩm và đặc biệt là đối với đời sống sinh vật

Phức chất có ý nghĩa rất to lớn trong hoạt động sống của sinh vật Có 24 nguyên tố cần thiết cho hoạt động sống của sinh vật, trong đó có 7 nguyên tố quan trọng nhất (Fe, Co, Zn, Cu, Mn, Cr, V) hoạt động dựa trên cơ sở tạo chelat (nhiều chelat tự nhiên được tạo thành trên cơ sở phân tử porphyrin)

Trong đó vai trò quan trọng nhất là đối với cơ thể con người, đặc biệt là máu

đi nuôi cơ thể Một trong những chức năng chính của máu là vận chuyển oxy Oxy trong không khí được hít vào phổi, từ phổi được vận chuyển theo dòng máu

để đến các mô Ở các mô máu nhận CO2, sản phẩm của quá trình chuyển hoá, đem trở lại phổi để thải ra ngoài Trung bình mỗi ngày qua nhiều vòng tuần hoàn, máu vận chuyển được khoảng 600 lit oxy phổi đến các mô Khả năng vận chuyển máu lớn như vậy nhưng lượng oxy hoà tan lại rất ít, 100 ml máu chỉ hoà tan trực tiếp được 39 ml oxy trong khi đó 100ml máu ở động mạch phổi chứa đến 20 ml oxy, vậy hơn 19 ml oxi được vận chuyển như thế nào? Theo cơ chế nào? Ta sẽ xem xét cấu tạo hoá học của chất vận chuyển khí quan trọng trong máu: Hemoglobin

1 Giới thiệu chung.

Mốt số nhóm phức chất đặc biệt: các muối nội phức

Muối nội phức thuộc loại các hợp chất vòng, chúng được tạo thành bởi các ion kim loại và các nhóm thế nội cầu (thường là các nhóm hữu cơ) có thể kết hợp với ion trung tâm đồng thời bằng hóa trị chính và hóa trị phụ Ngoài các phối tử

đó ra, muối nội phức không chứa một nhóm nào khác nữa, có nghĩa chúng là các chất không điện ly

Như vậy, muốn tạo được muối nội phức thì phối tử phải chứa một nhóm mà hydro của nó có thể được thế bởi ion kim loại và một nhóm khác có khả năng kết hợp với ion kim loai đó bằng hóa trị phụ Những nhóm có thể kết hợp với ion kim loại bằng hóa trị chính (thế hydro) là: nhóm carboxyl –COOH, hydroxyl –OH, sulfo –SO3H, oxim =N–OH, và trong một số trường hợp còn có thể có nhóm amino bậc 1 –NH2, nhóm amino bậc 2 R–NH–, …Những nhóm có thể kết hợp với ion kim loại bằng hóa trị phụ (có chứa cặp electron tự do) là: có nhóm amino bậc 1 –NH2, nhóm amino bậc 2 –NH, nhóm amino bậc 3 –N–, nhóm carboxyl =CO, …

Ví dụ: muối đồng glycocholat [Cu(OCO)2(CH2NH2)2]…

Ở đây chúng ta không thể kể hết được những muối nội phức đã được ứng dụng trong hóa học phân tích Việc nghiên cứu các muối nội phức còn giúp chúng ta hiểu sâu hơn các quá trình quan trọng xảy ra trong các cơ thể động vật và thực vật Các sắc tố tự nhiên như huyết cầu tố hemoglobin, về thực chất là những muối nội phức, trong đó các nguyên tử trung tâm (sắt) kết hợp với các gốc NH bằng hóa trị chính, còn với gốc =N–H bằng hóa trị phụ

2 Đại cương về sắt và hemoglobin

Sắt có vai trò rất quan trọng trong cơ thể con người, phần nhiều vì sắt tham gia quá trình chuyển hóa oxygen và tạo máu Ở cơ thể người , sắt tồn tại ở 2 dạng: ferrous (Fe2+) và ferric (Fe3+) Sắt có ái tính cao đối với những nguyên tử có

độ âm điện cao hay mật độ điện âm cao như là oxygen, nitrogen và sulfur, các nguyên tử này được tìm thấy dưới dạng đại phân tử trong tim và có sắt ở trung tâm đại phân tử đó

Trong môi trường pH kiềm và trung tính, sắt tồn tại ở dạng Fe3+ và ở môi trường pH có tính acid, sắt thường tồn tại ở dạng Fe2+ Khi ở dạng Fe3+, sắt cùng với các anion, nước và peroxides tạo nên các phức hợp lớn Các phức hợp lớn này ít tan trong nước, và vì tính chất này nên chúng thường tập hợp lại với nhau và tạo nên bệnh lí cho cơ thể Sắt có thể bám vào rất nhiều đại phân tử và ngăn chặn việc hình thành cấu trúc hay phá hoại chức năng của các đại phân tử

này Vì vậy cơ thể cần có các protein bám sắt (iron-binding protein) để bảo vệ cơ thể khỏi những tác động có hại của sắt.

Chuyển hóa sắt:

Fe2+ liên kết với protoporphyrin IX tạo heme Có rất nhiều heme có các protein liên quan đến việc vận chuyển oxygen (hemoglobin), dự trữ oxygen (myoglobin) và enzyme xúc tác như là nitric oxide synthase (NOS) và prostaglandin synthase (cyclooxygenase) Có rất nhiều sắt không tạo hem nhưng

có chứa protein như iron-sulfur protein trong sự phosphoryl hóa oxi hóa hay các protein dự trữ và vận chuyển sắt (transferrin và ferritin)

heme được tách ra khỏi heme bởi enzyme dị hóa heme, heme oxygenase Sắt có thể được dự trữ trong trong tế bào ruột ở dạng bám vào ferrintin Sắt được vận chuyển qua màng đáy bên của tế bào ruột vào hệ tuần hoàn nhờ vào transport protein ferroportin (hay còn gọi là IREG1- iron regulated gene 1) Sau đó, enzyme hephaestin (ferroxidase chứa đồng có chức năng tương tự ceruloplasmin) oxi hóa Fe2+ thành Fe3+ Khi đi vào hệ tuần hoàn, Fe3+ gắn vào transferrin và thông qua hệ cửa để đến gan Gan là nơi dự trữ chính của sắt Nơi sử dụng sắt nhiều nhất là tủy xương, nơi tổng hợp heme.

Hình 6.2: Cấu trúc của Heme

Sắt đưa vào cơ thể được hấp thu ở tá tràng Sắt tự do thường tồn tại ở dạng

Fe2+ ở ruột và bị khử thành Fe3+ bởi ferrireductase Ở tá tràng, quá trình khử này được diễn ra bởi duodenal cytochrome B (DCYTB) vàferrireductases bờ bàn chải ruột (vì nghiên cứu cho thấy những con chuột knock-out gene DCYTB không bị giảm khả năng hấp thu sắt) Fe2+ được hấp thu vào ruột bởi ivalent metal transporter 1 (DMT1) DMT1 thuộc họ protein vận chuyển tan (solute carrier protein family) và được kí hiệu là SLC11A2 Sắt heme được hấp thụ nhờ vào

heme carrier protein 1 (HCP1) Khi vào ruột, heme bị thoái giáng bởi heme oxygenase và giải phóng Fe2+ Fe2+ bám vào ferritin và được được dự trữ ở ruột hay đi vào tuần hoàn bởi ferroportin (IREG1) Ferroportin cũng thuộc họ protein vận chuyển tan trong dung dịch nước (solute carrier protein family) và được kí hiệu là SLC11A3 Khi vào máu, sắt được transferrin vận chuyển ở dạng Fe3+ vì khi đi qua ferroportin, Fe2+ đã được hephaestin (1 loại ferroxidase) oxi hóa thành

Ngoài ra vào năm 1927, Gunxo và Cresso đã điều chế được một muối nội phức của sắt với indigo (cho sắt carbonyl tương tác với indigo trong dung dịch pyridin) Đó là chất bột màu đỏ hơi vàng, có thành phần và cấu trúc như sau:

Hợp chất này tương tự hemoglobin , cũng là dẫn xuất của Fe(II) Khi hòa tan trong pyridin nó kết hợp thêm một phân tử oxy đối với mỗi nguyên tử sắt, quá trình này làm thay đổi màu Phân tử oxy được kết hợp đó rất không bền: trong chân không nó bị tách ra hoàn toàn, đồng thời lại thu được chất đầu Như trong trường hợp hemoglobin, oxit carbon cũng làm ngộ độc chất này, làm cho nó mất khả năng kết hợp và cho oxy

3 Khái niệm

Hemoglobin (Hb) là một protein màu, phức tạp thuộc nhóm chromoptrotein, màu đỏ, Hb có trong hồng cầu động vật cao cấp, hồng cầu chứa 32% Hb và máu chứa 15% Hb

4 Cấu tạo

Hemoglobin cấu tạo gồm 2 phần:

- Phần protein thuần: globin

- Phần nhóm ngoại: heme

4.1 Cấu tạo heme

Gồm một nhân porphyrin liên kết với Fe2+ (nên Hb còn gọi là porphyrinoprotein hay hemoprotein)

- Cẩu tạo porphyrin:

Porphyrin gồm porphin gắn với các gốc hữu cơ Porphin gồm 4 vòng pyrol liên kết với nhau qua 4 cầu nối methenyl (-CH=), công thức C20H14N4

Hình 4.1: Cấu tạo của pyrol và porphin

Porphyrin gồm porphin gắn với các gốc nhất định ở các vị trí 1,2,3,4,5,6,7,8 Các gốc có thể có như sau:

Nhân porphyrin trong cấy tạo hem là protoporphyrin IX gồm porphyrin liên kết với các gốc như sau:

Hình 4.2: Cấu tạo của protoporphyrin IX

- Sự liên kết giữa Fe và protoporphyrin IX:

Fe2+ liên kết phối trí với Nitơ của 4 nhân pyrol tạo thành heme

Hình 4.3: Cấu tạo của heme

4.2 Cấu tạo của globin

Globin là một protein gồm 4 chuỗi polypeptid:

- 2 chuỗi α, mỗi chuỗi gồm 141 acid amin

- 2 chuỗi ß, mỗi chuỗi gồm 146 acid amin

Các dưới đơn vị liên kết với nhau bằng lên kết yếu: liên kết ion, liên kết hydro

Hình 4.4: Các chuỗi alpha và beta

Toàn bộ phân tử Hb chứa 574 acid amin Cấu trúc bậc 2 của Hb các chuỗi α

và ß có hơn 70% acid amin tạo nên 7 chuỗi xoắn α và chuỗi xoắn ß có chiều dài

từ 7 đến 20 acid amin Cấu trúc bậc 3 của Hb các chuỗi α và ß cuộn khúc lại những điểm acid amin không xoắn Mỗi một chuỗi polypeptide xoắn kết hợp với một hem tạo thành phân tử hemoglobin có cấu trúc bậc 4

Hình 4.5: Cấu trúc bậc 2 của hemoglobin.

Hình 4.6: Cấu trúc bậc 3 của hemoglobin.

Hình 4.7: Cấu trúc bậc 4 của hemoglobin.

Những loại globin khác nhau kết hợp với heme để tạo thành các Hb khác nhau.Những gen mã hóa các chuỗi globin:

* HbA2: gồm hai chuỗi α và 2 chuỗi ký hiệu α2Ad2A chiếm 2,5% tổng số Hb

* HbF: (Foetal): Hb bào thai, gồm 2 chuỗi a và 2 chuỗi γ ký hiệu là α2Aγ2F Chuỗi α gồm 141 acid amin

Chuỗi ß, γ, δ gồm 146 acid amin và chỉ khác nhau một số acid amin

Hb bất thường: Do sự phân bố các chuỗi hoặc vị trí các acid amin trong các chuỗi khác với Hb bình thường

* HbS (sickle cell): Hb của bệnh thiếu máu hồng cầu hình liềm Cấu tạo gồm

α2Aß2S, khác với HbA là trong chuỗi ß glu vị trí thứ 6 thay bằng Val

* HbC (Cible cell): cấu tạo gồm α2Aß2S trong đó Glu trong chuỗi ß ở vị trí thứ 6 thay bằng Lys

4 3 Liên kết giữa heme và globin

Phân tử Hb gồm 4 đơn vị liên kết với nhau, mỗi đơn vị gồm 1 heme liên kết với 1 chuỗi polypeptid, liên kết phối trí được hình thành giữa Fe2+ của heme và Nitơ của nhân imidazol của his ở chuỗi polypeptid

Biểu diễn heme trên một mặt phẳng thì 2 liên kết phối trí giữa Fe2+ với globin nằm về hai phía mặt phẳng

Phân tử Hb hoàn chỉnh là một protein hình cầu có đường kính khoảng 55Å, phân tử lượng 64454, Hb gồm đơn vị 4 giống nhau từng đôi một liên kết với nhau bằng liên kết phi đồng hóa trị, mỗi bán đơn vị gồm một chuỗi polypeptide của globin liên kết với một heme là vị trí nhà là gắn oxy Tỷ lệ sắt trong hemoglobin là 0,34% Khoảng cách giữa các heme/Hb = 2,5 nm

Hình 4.8: Bán đơn vị Hb tự do và kết hợp với oxy.

Heme có thể kết hợp với nhiều chất khác nhau Nếu heme kết hợp với globin thì tạo thành Hb Nếu heme kết hợp với albumin, NH3, pyridin, nicotin tạo nên chất gọi là hemochromogen

Heme phản ứng với NaCl trong môi trường acid tạo ra chloruaheme (hemin) Hematin có thể tách riêng dưới dạng muối chlohydrat gọi là hemin, là một tinh thể màu tím

Phản ứng này được sử dụng trong pháp y.

Heme bị oxy hóa chuyển thành hematin

Heme (Fe2+) Hematin (Fe3+)

5 Tính chất

5.1 Kết hợp với oxy

Oxy kết hợp với Hb tạo thành oxyhemoglobin:

Trong đó O2 được gắn lỏng lẻo với Fe2+ Sự kết O2 của phân tử Hb có tính chất

“hợp tác”: sau khi một phân tử O2 kết hợp vào một trung tâm kết hợp oxy, trong phân tử Hb sẽ kích thích sự kết hợp thêm phân tử oxy khác với chính phân tử ấy tạo thành Hb(O2)4 Sự “hợp tác” giữa các trung tâm liên kết oxy trong phân tả Hb

đã làm tăng khả năng phân phát oxycuar Hb lên 2 lần so với khi các trung tâm này hoạt động riêng lẻ, hay nói cách khác chính là làm tăng hiệu quả vận chuyển oxy của Hb Đây là phản ứng thuận nghịch, oxyhemoglobin (tạo màu đỏ tươi đặc trưng cho máu ở động mạch) dễ dàng bị phân ly, giải phóng oxy trong điều kiện thích hợp, do đó oxy được vận chuyển từ phổi đến các tế bào ở mô khắp cơ thể Chiều phản ứng do phân áp O2 quyết định

Trong phân tử Hb, O2 không bị ion hoá mà nó được vận chuyển dưới dạng phân tử O2

Sự kết hợp và phân ly Hb(O2)4 ở hồng cầu

tùy thuộc vào áp suất riêng phần của Oxy,

nồng độ H+ và áp suất riêng phần của CO2

Ở tế bào, nhất là ở mao mạch pO2 giảm, pCO2

tăng kéo theo H+ tăng làm cho O2 dễ dàng được

phóng thích và ở phổi thì ngược lại Hb dễ dàng

kết hợp với Hb

5.2 Kết hợp với CO 2

Hb kết hợp với CO2 qua nhóm amin (-NH2) tự do của globin tạo thành carbohemoglobin

CO2 được gắn với nhóm NH2 của globin Phản ứng thuận nghịch xảy ra theo chiều nào là do áp suất riêng phần của CO2 và O2 Ở mô pCO2 tăng phản ứng theo chiều thuận, trái lại pCO2 ở phổi thấp phản ứng theo chiều nghịch.

5.3 Sự kết hợp CO

Khi hít phải không khí nhiều CO (carbon monoxide), hemoglobin sẽ kết hợp

CO để tạo ra carboxyhemoglobin rất bền theo phản ứng:

CO có ái lực với Hb gấp 210 lần so với ái lực của Oxy với Hb nên nó đẩy O2

Carboxyhemoglobin nhiều gây ngộ độc vì Hb(CO)4 không còn khả năng vận chuyển oxy Muốn đẩy CO phải dùng một lượng lớn O2 do đó để điều trị ngộ độc

CO người ta phải thở hỗn hợp khí gồm 95% O2 và 5% CO2

5.4 Sự oxy hóa Hb

Hb bị oxy hóa tạo thành methemoglobin (MetHb)

MetHb nhiều gây ngộ độc vì không có khả năng vận chuyển oxy, để khử MetHb thành Hb cơ thể có enzyme diaphorase Xanh methylen và Vitamin C cũng có khả năng khử MetHb thành Hb

5.5 Tính chất enzyme

6 Tổng hợp hemoglobin

6.1 Tổng hợp heme:

Heme gồm protoporphyrin liên kết với Fe2+

Nguyên liệu tổng hợp: sucinyl CoA, glycin, Fe2+

Sucinyl CoA là chất trung gian của chu trình Krebs hoặc được tạp thành từ metylmalonyl CoA

Fe2+ có thể được cung cấp từ thức ăn, hoặc tà sản phẩm thoái hóa của hem hay các enzyme chứa sắt

Các giai đoạn tổng hợp:

6.1.1 Tạo acid δ aminolevulinic (ALA).

Trước tiên glycin được hoạt hóa bởi pyridoxal photphat nhờ có Cα của glycin

có thể kết hợp với nhóm carbonyl của sucinyl CoA tạo thành acid α amino ß cetoadipic, chất này nhanh chóng khử nhóm carbonyl để thành acid δ aminolevulinic (ALA) Dưới tác dụng của enzyme ALA Synthetase, phản ứng tổng hợp ALA xảy ra trong ty thể Nếu thiếu acid pantothenic (Vitamin B, trong CoA) hoặc pyridoxal phosphat (Vitamin B6) thì bước đầu tổng hợp hem bị ngăn chặn và đưa đến bệnh thiếu máu

Hình 6.1: Sự tạo thành acid aminolevulinic

6.1.2 Tạo porphobilinogen

Hai phân tử ALA ngưng tụ loại nước, đóng vòng tạo thành porphobilinogen, xúc tác bởi ALA dehydratase (δ aminolivulinase)

Hình 6.2: Sự tạo thành porphobilinogen từ ALA.

6.1.3 Tạo uroporphyrinogen

Porphobilinogen rời ty thể vòa bào tương tiếp tục chuyển hóa, ở đây 4 phân tử porphobilinogen kết hợp loại 3 phân tử NH3, sau đó khép vòng, loại tiếp NH3, hình thành cầu nối Methenyl tạo thành uroporphyrinogen I, xúc tác bởi uroporphyrinogen I synthetase, uroporphyrinogen I đồng phân hóa tạo uroporphyrinogen III- xúc tác bởi uroporphyrinogen III cosynthetase

Hình 6.3: Tạo Protoporphyrinogen IX

Tạo coproporphyrinogen III: Các gốc acetat (A) của uroporphyrinogen III khử carboxyl tạo thành gốc methyl (M) chuyển thành coproporphyrinogen III

Hình 5.4: Protoporphyrinogen IX 6.1.4 Tạo protoporphyrin IX

Coproporphyrinogen III rời bào tương vào ty thể bị khử ở gốc propionat (P) ở

vị trí 2, 4 tạo gốc ethyl (E) rồi oxy hóa tiếp chuyển thành gốc vinyl để tạo thành Protoporphyrinogen IX với enzyme xúc tác là coproporphyrinogen III decarboxylase và oxydase Protoporphyrinogen IX tiếp tục oxy hóa chuyển cầu nối metyl (-CH3) thành cầu nối methenyl (-CH=) và tạo thành nhờ enzyme Protoporphyrinogen IX oxydase xúc tác

6.1.5 Tạo heme

Protoporphyrinogen IX kết hợp Fe2+ tạo hem, xúc tác hem synthetase (ferrochelatase)

6 2 Tổng hợp globin và sự kết hợp globin với hem

Globin được tổng ợp theo cơ chế tổng hợp của protein Hem tổng hợp xong rời ty thể ra bào tương kết hợp với globin qua liên kết phối trí giữa Fe2+ và nitơ của nhân imidazol trong histidin Quá trình tổng hợp Hb chủ yếu xảy ra ở cơ quan tạo huyết như tủy xương, hồng cầu non,…