̶ TTHĐ là một phần nhỏ trong phân tử enzym, tham gia trực tiếp liên kết với cơ chất và chuyển đổi nó thành sản phẩm của phản ứng.. ̶ Tiếp xúc với cơ chất→ biến đổi hình dạng của E → Các
Trang 1HÓA SINH HỌC
Thời lượng: 45 tiết
ThS Huỳnh Thị Thu Hương
Trang 2NỘI DUNG HỌC
2 Chuyển hóa các chất, Oxy hóa sinh học, chu trình
acid acid citric
3 Hóa học và chuyển hóa glucid
KIỂM TRA GIỮA KỲ
4 Hóa học và chuyển hóa lipid
5 Hóa học và chuyển hóa acid amin, protein
6 Hóa học và chuyển hóa acid nucleic
7 Hóa học và chuyển hóa hemoglobin
8 Vitamin
Trang 3Tài liệu tham khảo
Sinh Học – Phần 1: Hóa Sinh
Cấu Trúc”, Nhà xuất bản giáo
dục Việt Nam
Sinh Học – Phần 2: Chuyển
hóa các chất và hóa sinh một
số cơ quan”, Nhà xuất bản
giáo dục Việt Nam
Trang 4(2011), “Text book biochemistry for medical students”, Jaypee brothers medical
John Wiley & Sons
5 Dr (Brig) MN Chatterjea, Rana Shinde (2012), “Textbook
of Medical Biochemistry”, Jaypee brothers medical
6 David L Nelson, Michael M Cox (2008), “Principles of
biochemstry”, W H Freeman and Company
Trang 5HÓA SINH VÀ Y DƯỢC
Trang 6KHÁI NIỆM
Trang 8Hóa sinh học làm sáng tỏ nhiều khía cạnh về sức khỏe và
bệnh tật
Nghiên cứu về các khía cạnh của sức khỏe và bệnh tật
mở ra thêm nhiều lĩnh vực mới của hóa sinh
MỐI QUAN HỆ TƯƠNG HỖ GIỮA HÓA SINH VÀ Y DƯỢC
Trang 9Lipid
BỆNH XƠ VỮA ĐỘNG MẠCH
Hydrat carbon
ĐÁI THÁO ĐƯỜNG TỤY
Trang 10• Cơ chế điều hòa sự
chuyển hóa trong tế
bào
Mục tiêu cụ thể
• Vận dụng được kiến thức phục vụ cho những môn nghiệp vụ
• Dễ dàng tiếp cận môi trường xét nghiệm lâm sàng
• Thực hiện những
nghiên cứu khoa học
Trang 11acids
Trang 12ENZYM
Trang 131 Đại cương về enzym
1.1 Khái niệm
̶ Là chất xúc tác sinh học , có bản chất là protein
không thay đổi tiến trình của phản ứng
tương đối nhẹ nhàng
̶ Có tính đặc hiệu cao với cơ chất
Trang 14Năng lượng hoạt hóa
̶ Là sự sai khác giữa mức năng lƣợng của trạng thái cơ bản
và trạng thái chuyển tiếp Kí hiệu: ΔG*
̶ Là năng lƣợng cần cung cấp trong giai đoạn ban đầu để cho phản ứng xảy ra
̶ ΔG* càng cao → Tốc độ phản ứng sẽ xảy ra chậm
̶ Enzym làm giảm năng lƣợng hoạt hóa của phản ứng
Trang 15Ví dụ: Phản ứng thủy phân đường saccarose
Phản ứng Saccarose + H 2 O → Glucose + Fructose
Không xúc tác ΔG* = 32.000 calo/mol
Xúc tác vô cơ ΔG* = 25.000 calo/mol
Enzym (saccarase) ΔG* = 9.400 calo/mol
Trang 161.2 Cân bằng hóa học
thái cân bằng động học khi những phân tử mới của
cơ chất và của sản phẩm liên tục chuyển hóa và sản
Trang 17̶ Hằng số cân bằng K:
Nồng độ của B gấp 100 lần A (dù có hay không có enzym)
̶ Để đạt đến trạng thái cân bằng:
+ Phản ứng không có enzym: cần khoảng 1 giờ
+ Phản ứng có enzym: trong vòng 1 giây
Enzym không làm thay đổi trạng thái cân bằng nhƣng thúc
đẩy phản ứng nhanh chóng đạt trạng thái cân bằng
Trang 18̶ TTHĐ là một phần nhỏ trong
phân tử enzym, tham gia trực tiếp
liên kết với cơ chất và chuyển đổi
nó thành sản phẩm của phản ứng
̶ Các acid amin của TTHĐ thường
là Serin , Histidin, Tryptophan,
Cystein , Lysin, Arginin,
Glutamat
1.3 Trung tâm hoạt động
Trang 20 Cơ chế xúc tác của enzym
S : cơ chất
ES : phức trung gian
E : enzyme
P : sản phẩm
E : enzyme
Trang 21Thuyết của Fisher (“chìa khóa với ổ khóa”) (1894)
̶ Cấu dạng của cơ chất và TTHĐ của enzym giống nhƣ là chìa khóa và ổ khóa
̶ Hai dạng này đƣợc xem nhƣ không thay đổi, cố định và
hoàn toàn ăn khớp với nhau
→ Thuyết này đã giải thích đƣợc tính đặc hiệu của enzym
Trang 22 Thuyết Koshland (“tiếp xúc cảm ứng”) (1958)
̶ TTHĐ rất mềm dẻo và linh hoạt, các nhóm chức năng TTHĐ của E chưa ở tư thế sẵn sàng hoạt động
̶ Tiếp xúc với cơ chất→ biến đổi hình dạng của E → Các nhóm chức năng của E di chuyển và định hướng một cách thích hợp
và chính xác → Khớp với cơ chất
→ TTHĐ chỉ thực sự được hình thành trong quá trình tiếp xúc giữa
E và S
Trang 231.4 Tính đặc hiệu của enzym
Gồm 2 loại:
+ Đặc hiệu phản ứng: Chỉ xúc tác một kiểu phản
ứng hoá học nhất định
nhất định hoặc chỉ một cơ chất duy nhất
Trang 24 Tính đặc hiệu phản ứng
Các phản ứng của acid amin
Phản ứng khử carboxyl nhờ decarboxylase
Phản ứng khử amin nhờ amino acid oxydase
Phản ứng chuyển nhóm amin nhờ amino transferase
Trang 25cơ chất có cấu trúc hoàn toàn khác nhau
o Hoạt hóa acid amin
o Chuyển gốc acid amin đã đƣợc hoạt hóa
cho ARNt → phức hợp acid amin-ARNt
AMINO ACID
AMP-Amino acid
Aminoacyl-tRNA
Trang 262.1 Danh pháp
Tên thông dụng : pepsin, trypsin, bromelin, amylase…→Không nói lên bản chất xúc tác
Tên hệ thống : Hội nghị hóa sinh quốc tế quy định
VD: Pyruvat-decarboxylase (khử CO2 của acid pyruvic)
Trang 27A-B + H 2 O A-H + B-OH
Phân cắt liên kết C-C, C-O, C-N và các liên kết khác để thành lập thường là một liên kết đôi
X Y
A-B A=B + X-Y
Chuyển đổi các nhóm chức nội phân tử (chuyển đồng phân)
X Y Y X A-B A-B
Xúc tác các phản ứng tổng hợp có kết hợp với sự thủy giải của ATP
A + B → A-B
Alcol dehydrogensase Hexokinase
Trypsin
Pyruvat decarboxylase
Maleat isomerase
Pyruvat carboxylase
Trang 28PỨ 1:
PỨ 2:
PỨ 3:
Trang 29độ của enzym
Trang 30̶ Liên quan đến giá trị của vận tốc khởi đầu, ở thời điểm zero (ký hiệu Vo, mol/phút)
̶ Tại thời điểm zero:
Trang 31đi qua tọa độ góc
Sự liên quan giữa việc tạo thành sản phẩm theo thời gian
trong phản ứng xúc tác bởi enzyme
Độ dốc
Trang 32Đơn vị hoạt độ enzyme:
Đƣợc biểu thị bằng vận tốc ban đầu (Vo, mol/phút) của phản ứng đƣợc xúc tác (mol cơ chất đƣợc chuyển hóa trong thời gian 1 phút)
2 đơn vị tiêu chuẩn khác cho hoạt độ của enzyme là đơn vị enzyme (U) và katal (kat):
− U: Lƣợng enzyme cần thiết để xúc tác việc chuyển 1 µnol
của enzyme này
− Katal: Tác động xúc tác làm tăng tốc độ phản ứng của một mol/giây trong một hệ thống đặc hiệu
Trang 33Sự chuyển đổi giữa những đơn vị:
Trang 34Đo trực tiếp:
Sự thay đổi nồng độ cơ chất hoặc sản phẩm theo thời gian
Đo gián tiếp:
Thông qua đo sự thay đổi nồng độ của một cơ chất hoặc sản
phẩm của một phản ứng enzym đi kèm theo thời gian
3.2 Định lượng enzym
Trang 35 Điều kiện: Cơ chất (hay sản phẩm) hấp thụ ánh sáng ở một
bước sóng nhất định
→ Nồng độ của chúng được đo bằng cách khảo sát sự biến thiên của độ hấp thụ ở bước sóng đó
Mật độ quang học tỷ lệ với nồng độ; tốc độ biến thiên của
độ hấp thụ tỷ lệ với tốc độ phản ứng enzyme biểu thị bằng
số mol cơ chất được tiêu thụ (hay số mol sản phẩm được
tạo thành) trong một đơn vị thời gian
NADH và NADPH: hấp thụ ở bước sóng 340 nm→ Đo sự thay đổi độ hấp thụ Định lượng hoạt độ enzyme
Đo trực tiếp:
Trang 36VD: Enzym lactat dehydrogenase
CH3-CH(OH)-COO - + NAD + CH3-CO- COO - + NADH + H +
Trang 37Đo gián tiếp:
Định lượng kết hợp enzyme glucose oxydase và peroxydase được sử
dụng để đo nồng độ glucose trong máu
Trang 383.3 Nồng độ cơ chất
̶ [S] thấp: khi tăng gấp đôi cơ chất → Vo tăng gấp đôi
̶ [S] cao: E đã bị bảo hòa→ sự tăng [S] thêm→ tăng rất ít Vo
→Biểu đồ biểu thị mối liên quan giữa Vo theo [S] là một đồ thị dạng hyperpol
Trang 39
???
Trang 40Rate of reaction
Enzyme concentration [unlimited substrate]
3.4 Nồng độ enzym
• Trong điều kiện nồng độ cơ
chất bảo hòa , [E] tăng
→ vận tốc ban đầu Vo tăng
→Đồ thị biểu diễn sự thay đổi
Vo theo nồng độ E là một
đường thẳng
Trang 42
• Tăng nhiệt độ
→Tăng năng lƣợng nhiệt cung cấp
cho các phân tử cơ chất
→Gia tăng vận tốc của phản ứng →
đến khi Vo = Vmax thì tại nhiệt độ
đó gọi là nhiệt độ tối ưu (to opt)
3.5 Nhiệt độ
Trang 43Functional protein
Denatured protein
• Nhiệt độ > t o
opt → Tăng nguy cơ phá vỡ các liên kết yếu không đồng hóa trị→ Làm giảm hoạt tính E→ Biến tính E→ Vận tốc phản ứng sẽ gần bằng 0
Trang 443.6 pH
• Mỗi enzym có 1 giá trị pH tối ưu để hoạt động
• Thông thường pH opt khoảng 6-8
• Hoạt tính xúc tác của enzym rất nhạy khi thay đổi pH → Trong mọi nghiên cứu, enzym cần được giữ vững bằng
dung dịch đệm thích hợp.
Trang 45Enzyme Nguồn gốc pHopt
Trang 463.7 Cofactor
• Cofactor (chất cộng tác): là những phần không có bản chất protein khi gắn với protein thì tạo nên một phức hợp có hoạt tính xúc tác
• Cofactor:
Ion vô cơ: Zn 2+ , Fe 2+ ,…
Coenzym: Một phức hợp các phân tử hữu cơ
• Apoenzym là phần protein của enzym không có cofactor
COFACTOR + APOENZYM HOLOENZYM
• Holoenzym là dạng có hoạt tính xúc tác hoàn chỉnh của một enzym
Trang 49Cofactor Tiền chất Bệnh do thiếu
vitamin
b Coenzym
Coenzym A Acid pantothenic (Vit B5) Viêm da, thiếu máu FAD, FMN Riboflavine (Vit B2) Chậm lớn, viêm da NAD + , NADP + Niacine (Vit B3) Pellagra_viêm da nhạy
cảm với ánh sáng Thiamine pyrophosphat Thiamine (Vit B1) Beriberi_Tê phù
Trang 50Scorbut
Trang 51• NAD + (Nicotinamide adenin dinucleotid)
• NADP + (Nicotinamide adenin dinucleotid phosphat)
→Hoạt động nhƣ chất vận chuyển điện tử, tham gia vào các
phản ứng oxy hóa khử
Trang 52Cấu trúc của coenzyme NAD + và NADP +
N
CONH2
OH HO
CH2O
Trang 53• FMN (flavin mononucleotid): Tạo bởi một đơn vị flavin mononucleotid
• FAD (flavin adenin dinucleotid): Ngoài flavin mononucleotid chứa thêm 1 nhóm bổ sung glucid (ribose), và Adenin
→ FAD và FMN tác động với 2 proton và 2 điện tử để chuyển
luân phiên từ trạng thái khử sang trạng thái oxy hóa
Trang 55• Những dạng khác nhau của một enzym xúc tác cùng một phản ứng được gọi là các isoenzym
• Chúng có những tính chất động học và vật lý khác nhau Ví dụ: điểm đẳng điện, pH tối ưu, ái lực đối với cơ chất hay đối với những tác động của các chất ức chế
• Những isoenzym khác nhau của một enzym nhất định được tổng hợp do những gen khác nhau và thường tác động trong những mô khác nhau của cơ thể
3.8 Các isoenzym
Trang 56Cấu tạo bởi 4 tiểu đơn vị từ 2 loại tiểu đơn vị khác nhau gọi là H và M
Có 5 isoenym: H4, H3M, H2M2, HM3, M4
Các isoenzym H4 và H3M có nhiều trong tim và hồng cầu; H2M2 trong não và thận, trong khi đó HM3 và M4 có nhiều trong gan và cơ xương
Mỗi isoenzym đặc trưng cho một mô đặc hiệu
Ý nghĩa to lớn trong y học → chuẩn đoán bệnh
Trang 57Mô hình Michaelis-Menten tóm tắc khái niệm sau đây về sự xúc tác của một phản ứng bởi enzym
Trang 58Nghiên cứu động học của một số enzym:
[S] thấp →Vận tốc ban đầu (Vo) tỷ lệ trực tiếp với [S]
[S] cao →Vận tốc có xu hướng đạt đến giá trị tối đa và không phụ thuộc vào [S] Vận tốc tối đa này được gọi là
Trang 60- Hằng số Km (hằng số Michaelis) với đơn vị là M (mol)
K m = k 2 + k 3
k 1
- Km bằng tổng vận tốc của sự phân rã ES chia vận tốc của
sự tạo thành ES → Dùng để đo độ bền của phức hợp
Trang 61 Đối với một số các enzym k 2 >> k 3 → K m → Một hằng số
đo ái lực của enzym đối với cơ chất bởi vì giá trị của nó lúc này phụ thuộc vào giá trị tương đối của k1 và k2, hằng
số vận tốc tương ứng với sự thành lập và phân ly ES
Ý nghĩa:
K m lớn → Enzym có ái lực yếu đối với cơ chất (k 2 >> k 1 )
K m thấp → Enzym có ái lực mạnh đối với cơ chất (k 1 >>k 2 )
→ Xác định dạng cơ chất tốt nhất cho enzym
k3
k2
k1
Trang 62 Xác định Km bằng thực nghiệm dựa vào phương trình Michaelis và Menten: Gía trị của nó chính là nồng độ cơ
Trang 63 Không thể đánh giá được Vmax (và cả của Km) từ đồ thị hyperbol
Nghịch đảo 2 vế của phương trình Michaelis và Menten như sau:
1
Vo
1 Vmax
Km Vmax
1 [S]
x +
=
→ Đồ thị Lineweaver-Burk cho phép tìm Km và Vmax một
cách dễ dàng và chính xác
→ Đồ thị này cắt trục tung tại 1/Vmax và cắt trục hoành tại
-1/Km Độ dốc của đường thẳng này là Km/Vmax
4.2 Đồ thị Lineweaver – Burk
y = ax + b
Trang 65Chú ý:
Mô hình của Michaelis và Menten đƣợc xem nhƣ là một
mô hình rất tốt liên quan đến hầu hết các số liệu thực nghiệm của phần lớn các enzym
Vẫn còn một số các enzym không phù hợp với động học của Michaelis và Menten: Aspartat transcarbamoylase (ATCase) đƣợc gọi là các enzym dị lập thể (enzym
allosteric)
Trang 66 Các chất ức chế: tác động trực tiếp trên enzym làm giảm vận tốc xúc tác của enzym
Một số chất ức chế enzym:
+ Các sản phẩm chuyển hóa của tế bào bình thường
+ Những tác nhân lạ bên ngoài như các loại ma túy, độc tố,…
Hai cách ức chế enzym:
- Ức chế thuận nghịch: Được đảo ngược lại bằng cách loại bỏ chất ức chế, gồm: ức chế cạnh tranh và không cạnh tranh
- Ức chế không thuận nghịch: Không thể đảo ngược
4.3 Ức chế enzym
Trang 68 Iodoacetamid làm thay đổi gốc Cys và có thể đƣợc sử dụng nhƣ là một tác nhân chẩn đoán trong việc xác định số gốc Cys cần thiết cho tác động của enzym
Enzym-CH2SH + IC H 2 C N H 2
O
+ HI Enzym-CH2 S CH2 C NH2
O
Trang 69 Kháng sinh Penicilline ức chế một cách không thuận nghịch enzym glycopeptid transpeptidase (có vai trò xúc tác việc thành lập những liên kết chéo trong thành tế bào vi khuẩn) bằng các liên kết cộng hóa trị với gốc Serin trong trung tâm hoạt động của enzym
Cyanide liên kết cộng hóa trị với enzym cytochrome oxidase → Ức chế phản ứng liên quan đến sự vận chuyển điện tử
→Chất ức chế không thuận nghịch thường được xem như là
chất độc và không thích hợp cho mục đích điều trị
Ý nghĩa:
Ứng dụng để nhận biết các nhóm chức trong TTHĐ của E
Trang 70Ức chế thuận nghịch
Trang 71Đặc điểm:
Một chất ức chế cạnh tranh có cấu trúc gần giống cơ chất cạnh tranh với cơ chất Liên kết với trung tâm hoạt động của enzym
Enzym có thể liên kết với cơ chất hoặc chất ức chế
Tốc độ phản ứng enzym tùy thuộc vào nồng độ tương đối của chất ức chế và cơ chất [S] >> [I] → Khắc phục được hiện tượng ức chế
S
I E
EI
Trang 731/Vo
1/[S]
1/Vmax
-1/Km
Đồ thị Lineweaver-Burk cho thấy ảnh hưởng của chất ức chế
cạnh tranh trên Km và Vmax
Trang 74• Nghiên cứu TTHĐ, cơ chế xúc tác của E, con đường trao đổi chất
• Sử dụng trong điều trị bệnh
VD:
Krebs đã sử dụng chất ức chế cạnh tranh của succinate dehydrogenase
để nghiên cứu chu trình acid tricarboxylic
Sulphanilamide là chất ức chế cạnh tranh của E vi khuẩn tham gia trong quá trình sinh tổng hợp CoE tetrahydrofolate từ p-aminobenzoic → Được sử dụng để hạn chế sự sinh trưởng của vi khuẩn và ít độc hại đối với cơ thể
Trang 75Ức chế thuận nghịch
Trang 76Đặc điểm:
Chất ức chế không cạnh tranh liên kết với một trung tâm khác với trung tâm hoạt động cấu trúc không gian của enzym thay đổi Giảm hoạt tính của enzym
Enzym có thể liên kết với chất ức chế, với cơ chất hoặc
Trang 77Đồ thị Lineweaver-Burk cho thấy ảnh hưởng của chất
ức chế không cạnh tranh trên Km và Vmax
Trang 78 Nghiên cứu cơ chế tương tác của enzym với cơ chất
Vai trò điều hòa hoạt động enzym
Thiết kế “Thuốc” để ức chế phản ứng sinh hóa không mong muốn,
Tìm hiểu vai trò của các độc tố sinh học, ví dụ:
+ Những hợp chất tương tự acid amin, được dùng như chất diệt cỏ
ví dụ như chất „Roundup‟_Glyphosate
Trang 795 Kiểm soát hoạt động của enzym
5.1 Điều hòa bởi cơ chế feed-back
• E tham gia đầu tiên được ức
Trang 80• Các sản phẩm cuối cùng của chuyển hóa thường ít khi tương đồng với hợp chất ban đầu về mặt cấu trúc → Chúng sẽ liên kết với E ở một vị trí khác ngoài TTHĐ của E
→Những E loại này là E dị lập thể
VD: Aspartat transcarbamoylase (ATCase) là E cho tổng hợp
pyrimidine
Trang 815.2 Sự thay đổi các liên kết cộng hóa trị thuận nghịch
• Nhóm phosphat →Tác động đến hoạt độ của E
• Sự phosphoryl hóa là sự thêm nhóm phosphat được xúc tác bởi
protein kinase có sử dụng ATP
• Sự dephosphoryl hóa là sự lấy đi nhóm phosphate được xúc tác bởi protein phosphatase
→Sự phosphoryl hóa/dephosphoryl hóa như một rờle nhanh và thuận nghịch → để định hướng một con đường chuyển hóa tuân theo hoặc không tuân theo nhu cầu của tế bào